Изобретен е електронният микроскоп. Цифрови микроскопи

Електронният микроскоп се нарича така не защото използва компоненти, съдържащи електроника - въпреки че има повече от достатъчно. Но най-важното е, че вместо поток от светлинни лъчи, които носят информация за даден обект и които можем просто да видим, като доближим очите си до окулярите, електронният микроскоп използва поток от електрони - точно както в обикновения телевизор. Можем да наблюдаваме изображение, подобно на телевизор на екран, покрит със специален състав, който свети, когато поток от електрони го удари. Но как електронният микроскоп увеличава?

Факт е, че точно както стъклото на конвенционалната леща променя пътя на светлинните лъчи, магнитните и електрическите полета променят движението на потока от електрони, което прави възможно фокусирането на електронните „лъчи“ със същите ефекти, както при обичайните „стъклена” светлинна оптична система. Въпреки това, поради изключително малкия размер на електроните и значителното "пречупване" на електронните потоци, увеличението на изображението се постига приблизително хиляда пъти по-голямо от това на оптичен микроскоп. Вместо обичайните окуляри в електронния микроскоп, изображението се проектира върху много малък луминисцентен екран, от който наблюдателят го гледа през конвенционален оптичен микроскоп с леко увеличение, или с помощта на оптико-електронен преобразувател се показва на обикновен телевизионен екран или – което най-често се използва в практиката – записано на фотоплака. За електронния микроскоп няма такъв параметър като точност на цвета, тъй като цветът е свойствата на светлинните лъчи, а не на електроните. В микрокосмоса няма цвят, следователно „цветните“ снимки, получени с помощта на електронен микроскоп, не са нищо повече от конвенция.

Това беше приблизително принципът на работа на първия електронен микроскоп в историята, според съществуваща класификацияпринадлежеше към микроскопите OPEM - „конвенционален трансмисионен електронен микроскоп“; на външен вид приличаше по-скоро на голяма металообработваща машина, отколкото на микроскопа, който хората бяха свикнали да виждат през предишния век и половина. В това устройство, което осигурява увеличение до милион пъти, пробата е „изложена“ на поток от електрони, движещи се в постоянна посока. Малко по-късно се появяват сканиращи електронни микроскопи, при които електронен лъч, фокусиран до субатомни размери, "сканира" повърхността на пробата и изображението се наблюдава на екрана на монитора. Всъщност „увеличението“ на сканиращия микроскоп също е конвенция; това е съотношението на размера на екрана към размера на оригиналния сканиран обект. Именно с такова устройство човекът успя да види за първи път отделни атоми. Засега това е границата на технологичните възможности. И всъщност светът на елементарните частици е толкова различен от нашия, че едва ли ще успеем да го разберем напълно, дори след като го видим със собствените си очи.

За изследване на нанообекти разделителната способност на оптичните микроскопи ( дори с ултравиолетово лъчение) очевидно не е достатъчно. В тази връзка през 30-те години на ХХ в. Възниква идеята вместо светлина да се използват електрони, чиято дължина на вълната, както знаем от квантовата физика, е стотици пъти по-къса от тази на фотоните.

Както знаете, нашето зрение се основава на формирането на изображение на обект върху ретината на окото чрез светлинни вълни, отразени от този обект. Ако светлината преминава през оптична система, преди да влезе в окото микроскоп, виждаме увеличено изображение. В този случай пътят на светлинните лъчи се контролира умело от лещите, които изграждат обектива и окуляра на устройството.

Но как може да се получи изображение на обект, и то с много по-висока резолюция, като се използва не светлинно лъчение, а поток от електрони? С други думи, как е възможно да виждаме обекти, използвайки частици, а не вълни?

Отговорът е много прост. Известно е, че траекторията и скоростта на електроните се влияят значително от външни електромагнитни полета, с помощта на които движението на електроните може да бъде ефективно контролирано.

Нарича се науката за движението на електрони в електромагнитни полета и изчисляването на устройства, които формират необходимите полета електронна оптика.

Електронното изображение се формира от електрически и магнитни полета почти по същия начин, както светлинното изображение се формира от оптични лещи. Следователно в електронния микроскоп устройствата за фокусиране и разсейване на електронен лъч се наричат ​​„ електронни лещи”.

Електронен обектив. Намотките от проводници, по които протича ток, фокусират електронния лъч по същия начин, по който стъклена леща фокусира светлинен лъч.

Магнитното поле на намотката действа като събирателна или разсейваща леща. За да се концентрира магнитното поле, намотката е покрита с магнитен " броня» изработена от специална никел-кобалтова сплав, оставяща само тесен процеп във вътрешната част. Създаденото по този начин магнитно поле може да бъде 10–100 хиляди пъти по-силно от магнитното поле на Земята!

За съжаление очите ни не могат директно да възприемат електронните лъчи. Следователно те се използват за „ рисунка” изображения на флуоресцентни екрани (които светят, когато бъдат ударени от електрони). Между другото, същият принцип е в основата на работата на мониторите и осцилоскопите.

Съществува голям бройразлични видове електронни микроскопи, сред които най-популярен е сканиращият електронен микроскоп (SEM). Неговата опростена диаграма ще получим, ако поставим изследвания обект вътре в електроннолъчевата тръба на обикновен телевизор между екрана и източника на електрони.

По такъв микроскоптънък лъч електрони (диаметър на лъча около 10 nm) обикаля (като че ли сканира) пробата по хоризонтални линии, точка по точка, и синхронно предава сигнала към кинескопа. Целият процес е подобен на работата на телевизор по време на процеса на сканиране. Източникът на електрони е метал (обикновено волфрам), от който при нагряване в резултат на топлинна електронни емисиисе излъчват електрони.

Схема на работа на сканиращ електронен микроскоп

Термионна емисия– освобождаване на електрони от повърхността на проводниците. Броят на освободените електрони е малък при T=300K и нараства експоненциално с повишаване на температурата.

Когато електроните преминават през проба, някои от тях се разпръскват поради сблъсъци с ядрата на атомите на пробата, други се разпръскват поради сблъсъци с електроните на атомите, а трети преминават през нея. В някои случаи се излъчват вторични електрони, индуцира се рентгеново лъчение и др. Всички тези процеси се записват от специални детектории в преобразуван вид се показват на екрана, създавайки увеличена картина на обекта, който се изучава.

Увеличението в този случай се разбира като съотношението на размера на изображението на екрана към размера на площта, покрита от лъча върху пробата. Тъй като дължината на вълната на електрона е с порядъци по-малка от тази на фотона, в съвременните SEM това увеличение може да достигне 10 милиона15, което съответства на разделителна способност от няколко нанометра, което прави възможно визуализирането на отделни атоми.

Основен недостатък електронна микроскопия– необходимостта да се работи в пълен вакуум, тъй като наличието на газ в камерата на микроскопа може да доведе до йонизация на неговите атоми и значително да изкриви резултатите. Освен това електроните имат разрушителен ефект върху биологичните обекти, което ги прави неприложими за изследвания в много области на биотехнологиите.

История на създаването електронен микроскопе забележителен пример за постижение, основано на интердисциплинарен подход, когато независимо развиващи се области на науката и технологиите се обединиха, за да създадат нов мощен инструмент за научни изследвания.

Върхът на класическата физика е теорията за електромагнитното поле, която обяснява разпространението на светлината, електричеството и магнетизма като разпространение електромагнитни вълни. Вълновата оптика обяснява феномена на дифракцията, механизма на формиране на изображението и играта на фактори, които определят разделителната способност в светлинен микроскоп. Успех квантова физикание дължим откриването на електрона с неговите специфични частици-вълни. Тези отделни и привидно независими пътища на развитие доведоха до създаването на електронната оптика, едно от най-важните изобретения на която беше електронният микроскоп през 30-те години на миналия век.

Но учените не останаха и на това. Дължината на вълната на електрон, ускорен от електрическо поле, е няколко нанометра. Това не е лошо, ако искаме да видим молекула или дори атомна решетка. Но как да погледнем вътре в атома? Какво представлява химическата връзка? Как изглежда процесът на една химична реакция? За това днес в различни страниучените разработват неутронни микроскопи.

Неутроните обикновено се намират в атомните ядра заедно с протоните и имат почти 2000 пъти по-голяма маса от един електрон. Тези, които не са забравили формулата на де Бройл от квантовата глава, веднага ще разберат, че дължината на вълната на неутрона е толкова пъти по-къса, тоест тя е пикометри, хилядни от нанометъра! Тогава атомът ще изглежда пред изследователите не като размазано петънце, а в целия си блясък.

Неутрон микроскопима много предимства - по-специално, неутроните картографират добре водородните атоми и лесно проникват през дебели слоеве проби. Но също така е много трудно да се изгради: неутроните нямат електрически заряд, така че те лесно игнорират магнитните и електрическите полета и се стремят да избягат от сензорите. Освен това не е толкова лесно да се изгонят големи, тромави неутрони от атомите. Следователно днес първите прототипи на неутронен микроскоп все още са много далеч от съвършенството.

ЕЛЕКТРОНЕН МИКРОСКОП- устройство за наблюдение и фотографиране на многократно (до 10 6 пъти) увеличено изображение на обект, в което вместо светлинни лъчи, ускорени до високи енергии(30-1000 keV или повече) в дълбоки условия. Phys. основите на корпускулярно-лъчевата оптика. устройствата са основани през 1827, 1834-35 (почти сто години преди появата на електронната микроскопия) от W. R. Hamilton, който установява наличието на аналогия между преминаването на светлинни лъчи в оптически нехомогенни среди и траекториите на частиците в силови полета . Възможността за създаване на E. m. стана очевидна, след като през 1924 г. беше представена хипотезата за вълните на де Бройл и технически. предпоставките са създадени от Х. Буш, който през 1926 г. изследва фокусиращите свойства на осесиметричните полета и разработи магнитно поле. електронен обектив. През 1928 г. М. Нол и Е. Руска започват да създават първия магнит. Трансмисионна електронна микроскопия (TEM) и три години по-късно получи образ на обекта, образуван от електронни лъчи. През следващите години беше създадена първата растерна електронна микроскопия (SEM), работеща на принципа на сканиране, тоест последователно движение на тънък електронен лъч (сонда) през обект от точка до точка. K сер. 1960 г SEM достигнаха високите технологии. съвършенство и оттогава започва широкото им използване в науката. изследвания. PEM имат най-високи резолюция, надминавайки леките по този параметър микроскопив няколко хиляди пъти. Границата на разделителна способност, характеризираща способността на устройството да изобрази поотделно два максимално близко разположени детайла на обект, за ТЕМ е 0,15-0,3 HM, т.е. достига ниво, което позволява наблюдение на атомната и молекулярната структура на изследваните обекти. Такива високи разделителни способности се постигат благодарение на изключително късата дължина на вълната на електроните. E. m. лещите имат аберации, ефективни методикорекция, за която не е намерена, за разлика от светлинния микроскоп (вж. Електронна и йонна оптика).Затова в ТЕМ маг. електронни лещи(EL), при които аберациите са с порядък по-малки, напълно изместиха електростатичните. Оптимална бленда (вж. Диафрагмав електронната и йонната оптика) е възможно да се намали сферичната. аберация на обектива, засягаща

върху разделителната способност на E.M. Използваните TEM могат да бъдат разделени на три групи: E.M с висока разделителна способност, опростени TEM и уникални E.M с ултрависока разделителна способност.

ТЕМ с висока разделителна способност(0,15-0,3 nm) - универсални многофункционални устройства. С тях се наблюдават изображения на обекти в светло и тъмно поле, за изследване на тяхната електронографска структура. метод (вж Електронография), извършване на местни количества. с помощта на енергиен спектрометър. загуби на електрони и рентгенови кристали. и полупроводникови и получаване на спектроскопични. изображения на обекти с помощта на филтър, който филтрира електрони с енергия извън определената енергия. прозорец. Загубите на енергия на електрони, преминали през филтъра и образуващи изображение, са причинени от наличието на един химикал в обекта. елемент. Следователно контрастът на областите, в които присъства този елемент, се увеличава. Чрез преместване на прозореца по енергията. спектърът получава разпределенията на различни елементи, съдържащи се в даден обект. Филтърът се използва и като монохроматор за увеличаване на разделителната способност на електронната микроскопия при изследване на обекти с голяма дебелина, които увеличават разпространението на електронната енергия и (като следствие) хроматична аберация.

С помощта на доп устройства и приставки, обектът, изследван в ТЕМ, може да бъде наклонен в различни равнини под големи ъгли към оптичната леща. ос, топлина, охлаждане, деформиране. Напрежението за ускоряване на електрони в емитерите с висока разделителна способност е 100–400 kV; регулира се на стъпки и е много стабилно: в рамките на 1–3 минути стойността му не може да се променя с повече от (1–2)·10 - 6 от първоначалната стойност. Дебелината на обекта, който може да бъде "осветен" от електронен лъч, зависи от ускоряващото напрежение. При 100-киловолтови електромагнитни вълни се изследват обекти с дебелина от 1 до няколко метра. десетки nm.

ТЕМ от описания тип е показан схематично на фиг. 1. В своята електронно-оптична в системата (колоната) се създава дълбок вакуум с помощта на вакуумна система (налягане до ~10 -5 Pa). Електрооптична схема. Системата TEM е показана на фиг. 2. Образува се сноп електрони, чийто източник е термоелектронен катод електронна пушкаи ускорител с високо напрежение и след това се фокусира два пъти от първия и втория кондензатор, създавайки малко електронно „петно“ върху обекта (когато се регулира, диаметърът на петното може да варира от 1 до 20 микрона). След преминаване през обекта част от електроните се разпръскват и забавят от апертурната диафрагма. Неразпръснатите електрони преминават през отвора и се фокусират от лещата в равнината на обекта на междинната електронна леща. Тук се формира първото увеличено изображение. Следващите лещи създават второ, трето и т.н. изображение. Последната - проекционна - леща формира изображение върху катодолуминесцентен екран, който свети под въздействието на електрони. Степента и естеството на разсейването на електрони не са еднакви в различните точки на обекта, поради дебелината, структурата и хим. съставът на един обект варира от точка до точка. Съответно, броят на електроните, преминаващи през диафрагмата на апертурата, се променя и, следователно, плътността на тока в изображението. Възниква амплитуден контраст, който се преобразува в светлинен контраст на екрана. При тънките предмети преобладава фазов контраст, причинени от промяна на фазите, разпръснати в обекта и пречещи в равнината на изображението. Под емулсионния екран има списание с фотографски плаки, при фотографиране екранът се отстранява и електроните действат върху фотоемулсионния слой. Изображението се фокусира от лещата на обектива с помощта на плавна настройка на тока, която променя магнитното поле. поле. Токовете на други електронни лещи регулират увеличението на излъчвателя, което е равно на произведението от увеличенията на всички лещи. При голямо увеличение яркостта на екрана става недостатъчна и изображението се наблюдава с помощта на усилвател на яркостта. За анализ на изображение се извършва аналогово-цифрово преобразуване на съдържащата се в него информация и обработка на компютър. Изображението, подобрено и обработено по зададена програма, се извежда на екран на компютър и при необходимост се въвежда в запаметяващо устройство.

Ориз. 1. Трансмисионен електронен микроскоп (PEM): 1 -електронна пушка с ускорител; 2-кондензлещи за плевели; 3 -обектив; 4 - проекция лещи; 5 -светлинен микроскоп, допълнително увеличенразчитане на изображението, наблюдавано на екрана; b-чемъниста с прозорци за наблюдение, през които можете да наблюдаватедайте изображение; 7 - кабел за високо напрежение; 8 - вакуумна система; 9 - Дистанционно; 10 -стойка; 11 - захранващо устройство за високо напрежение; 12 - захранване на обектива.

Ориз. 2. Електронно-оптична схема на ТЕМ: 1 -катод; 2 - фокусиращ цилиндър; 3 -ускорител; 4 -персъздаване на vy (късофокусен) кондензатор намалено изображение на източника на електрони; 5 - втори (дългофокусен) кондензатор, който предава намалено изображение на източника електрони на обект; 6 -предмет; 7 - диафрагмабленда на обектива; 8 - лещи; 9 , 10, 11 -система проекционни лещи; 12 - катодолуминесцентни екран.

Опростена FEMпредназначени за научна изследвания, които не изискват висока резолюция. Използват се и за предварителна обработка. разглеждане на обекти, рутинна работа и за образователни цели. Тези устройства са прости по дизайн (един кондензатор, 2-3 електронни лещи за увеличаване на изображението на обект), имат по-ниско (60-100 kV) ускоряващо напрежение и по-ниска стабилност на високо напрежение и токове на лещи. Тяхната разделителна способност е 0,5-0,7 nm.

Свръхвисоко напрежение E. m . (SVEM) - устройства с ускоряващо напрежение от 1 до 3,5 MB - са големи конструкции с височина от 5 до 15 м. Те са оборудвани със специално оборудване. помещения или изграждат отделни сгради, които са неразделна част от комплекса СВЕМ. Първите SVEM бяха предназначени за изследване на обекти с голяма (1-10 микрона) дебелина, които запазват свойствата на масивно твърдо тяло. Поради силното влияние на хромат аберации, разделителната способност на такива E. m. е намалена. Въпреки това, в сравнение със 100-киловолтови електронни микроскопи, разделителната способност на изображенията на дебели обекти в ултравиолетовата електронна микроскопия е 10-20 пъти по-висока. Тъй като енергията на електроните в SVEM е по-голяма, тяхната дължина на вълната е по-къса, отколкото в TEM с висока разделителна способност. Следователно, след решаване на сложни технически проблеми (това отне повече от десетилетие) и прилагането на висока устойчивост на вибрации, надеждна изолация на вибрациите и достатъчна механична и електрически Стабилността на UVEM беше постигната при най-високата разделителна способност (0,13-0,17 nm) за полупрозрачна електронна микроскопия, което направи възможно фотографирането на изображения на атомни структури. Въпреки това, сферична Аберацията и разфокусирането на обектива изкривяват изображенията, заснети с изключителна разделителна способност, и пречат на получаването на надеждна информация. Тази информационна бариера се преодолява с помощта на фокални серии от изображения, които се получават чрез диф. разфокусиране на обектива. Успоредно с това, за същото разфокусиране, се извършва компютърна симулация на изучаваната атомна структура. Сравнението на фокални серии с серии от моделни изображения помага да се дешифрират микроснимки на атомни структури, направени с ултравиолетова електронна микроскопия с изключителна разделителна способност. На фиг. Фигура 3 показва диаграма на SVEM, разположен в специален сграда. Основен Компонентите на устройството са комбинирани в един комплекс с помощта на платформа, чиито краища са окачени от тавана на четири вериги и амортисьорни пружини. На върха на платформата има два резервоара, пълни с електроизолационен газ под налягане 3-5 atm. В едната е поставен генератор за високо напрежение, а в другата електростатичен генератор. електронен ускорител с електронен пистолет. Двата резервоара са свързани с тръба, през която високото напрежение от генератора се предава към ускорителя. Електронно-оптичният блок е в съседство с резервоара с ускорителя отдолу. колона, разположена в долната част на сградата, защитена с таван от рентгенови лъчи. радиация, генерирана в ускорителя. Всички изброени възли образуват твърда структура, която има физически свойства. махало с голям (до 7 s) собствен период. , които се амортизират от течни амортисьори. Системата за окачване на махалото осигурява ефективна изолация на SVEM отвън. вибрации Устройството се управлява от дистанционно управление, разположено в близост до колоната. Дизайнът на лещи, колони и други компоненти на устройството е подобен на съответните FEM устройства и се различава от тях по по-големи размери и тегло.

Ориз. 3. Електронен микроскоп със свръхвисоко напрежение (SVEM): 1-виброизолираща платформа; 2-верижни, на която платформата виси; 3 - амортисьор пружини; 4 резервоара, съдържащи генераторависоковолтов и електронен ускорител с електронноев пистолет; 5-електронно-оптична колона; 6- таван, разделящ сградата на СВЕМ на горна и долни зали и защита на работещия персонал долна зала, от рентген; 7 - дистанционно управление микроскопски контрол.

Растер E. m. (SEM) с термоефективен пистолет - най-често срещаният тип устройство в електронна микроскопия. Те използват термични катоди от волфрам и хексаборид-лантан. Разделителната способност на SEM зависи от електронната яркост на пистолета и в устройствата от разглеждания клас е 5-10 nm. Ускоряващото напрежение се регулира от 1 до 30-50 kV. SEM устройството е показано на фиг. 4. Използвайки две или три електронни лещи, тясна електронна сонда се фокусира върху повърхността на пробата. Магн. отклоняващите бобини разгръщат сондата върху дадена област на обекта. Когато електроните на сондата взаимодействат с обект, възникват няколко вида лъчение (фиг. 5): вторични и отразени електрони; Оже електрони; Рентгенов спирачно лъчениеи характеристично излъчване (вж Характеристичен спектър);светлинно лъчение и т.н. Всяко лъчение, токове на електрони, преминаващи през обекта (ако е тънък) и абсорбирани в обекта, както и напрежението, индуцирано върху обекта, могат да бъдат записани от подходящи детектори, които преобразуват тези лъчения, токове и напрежения в електричество. сигнали, които след усилване се подават към електроннолъчева тръба (CRT) и модулират нейния лъч. Сканирането на CRT лъча се извършва синхронно със сканирането на електронната сонда в SEM, като на екрана на CRT се наблюдава увеличено изображение на обекта. Увеличението е равно на отношението на размера на рамката на CRT екрана към съответния размер на сканираната повърхност на обекта. Изображението се снима директно от CRT екрана. Основен Предимството на SEM е високото информативно съдържание на устройството, което се дължи на възможността за наблюдение на изображения чрез различни сигнали. детектори. Използвайки SEM, можете да изучавате микрорелефа, разпределението на химикалите. състав за обекта, п-н-преходи, произвеждат рентгенови лъчи. спектрален анализ и др. SEM са широко използвани в технологиите. процеси (мониторинг в електронните литографски технологии, проверка и идентифициране на дефекти в микросхеми, метрология на микропродукти и др.).

Ориз. 4. Схема на сканиращ електронен микроскоп (REM): 1 -изолатор на електронен пистолет; 2 -V-изображениетермичен катод; 3 -фокусиращ електрод; 4 - анод; 5 - събирателни лещи; 6 -диафрагма; 7 - двустепенна система за отклонение; 8 -лещи; 9 -апертурна диафрагма на обектива; 10 -предмет; 11 -детектор на вторични електрони; 12 -кристалlic спектрометър; 13 -пропорционален брояч; 14 - предусилвател; 15 - блок за усилване; 16, 17 - оборудване за регистрация рентгеново лъчение; 18 - усилвателен блок; 19 - блок за управление на увеличението; 20, 21 - блокове горятзонално и вертикално сканиране; 22, 23 -електронно-лъчеви тръби.

Ориз. 5. Схема за регистриране на информация за обект, получено в SEM; 1-първичен електронен лъч; 2-вторичен електронен детектор; 3-наем детекторгенна радиация; 4-отразен електронен детекторронов; 5-Оже електронен детектор; 6-детекторна светлинатърговско излъчване; 7 - детектор на предавани електродинов; 8 - верига за запис на преминаващия ток електронен обект; 9-верига за запис на ток електрони, абсорбирани в обекта; 10-схема за ререгистриране на електрическа енергия, индуцирана в обекта потенциал.

Високата разделителна способност на SEM се постига чрез формиране на изображение с помощта на вторични електрони. Той е обратно пропорционален на диаметъра на зоната, от която се излъчват тези електрони. Размерът на зоната зависи от диаметъра на сондата, свойствата на обекта, скоростта на електроните на първичния лъч и др. При голяма дълбочина на проникване на първичните електрони вторичните процеси, развиващи се във всички посоки, увеличават диаметъра на зоната и резолюцията намаляват. Вторичният електронен детектор се състои от фотоумножителна тръба(ФЕУ) и електрон-фотонен преобразувател, осн. чийто елемент е сцинтилатор. Броят на сцинтилаторните проблясъци е пропорционален на броя на вторичните електрони, изхвърлени в дадена точка на обекта. След усилване в PMT и видео усилвател, сигналът се модулира от CRT лъча. Големината на сигнала зависи от топографията на пробата, наличието на локални електрически токове. и маг. микрополета, стойности на коеф. вторична електронна емисия, която от своя страна зависи от химикала. състав на пробата в дадена точка.

Отразените електрони се улавят от полупроводников детектор с p - n-преход. Контрастът на изображението се определя от зависимостта на коеф. отражение от ъгъла на падане на първичния лъч в дадена точка на обекта и от при. номера на веществата. Разделителната способност на изображението, получено в „отразени електрони“, е по-ниска от тази, получена при използване на вторични електрони (понякога с порядък). Поради праволинейността на полета на електроните информация за отдела. участъци от обекта, от които няма пряк път към детектора, се губят (появяват се сенки). За да се елиминира загубата на информация, както и да се формира изображение на релефа на пробата, разрезът не се влияе от нейния елементен състав и обратно, за да се формира картина на разпределението на химикалите. елементи в обект, който не се влияе от неговата топография, SEM използва детекторна система, състояща се от няколко. детектори, разположени около обекта, чиито сигнали се изваждат един от друг или се сумират и полученият сигнал след усилване се подава към CRT модулатора.

Рентгенов Характеристика радиацията се записва кристална. (вълново-дисперсионни) или полупроводникови (енергийно-дисперсионни) спектрометри, които взаимно се допълват. В първия случай рентгенова снимка. радиацията, след отражение от кристала на спектрометъра, навлиза в газа пропорционален брояч, а във втория - рентген. Квантите възбуждат сигнали в полупроводников охладен (за намаляване на шума) детектор, направен от легиран с литий силиций или германий. След усилване сигналите от спектрометъра могат да бъдат подавани към CRT модулатор и на неговия екран ще се появи картина на разпределението на определен химикал. елемент по повърхността на обекта.

На SEM, оборудван с рентгенова снимка. спектрометрите произвеждат локални количества. анализ: броят на импулсите, възбудени от рентгеновите лъчи, се записва. кванти от зоната, където е спряна електронната сонда. Кристален. спектрометър, използващ набор от анализаторни кристали с различни. междуравнинни разстояния (вж Условие на Брег-Вулф)дискриминира с висок спектър. характерна разделителна способност спектър по дължина на вълната, обхващащ обхвата на елементите от Be до U. Полупроводниковият спектрометър разграничава рентгеновите лъчи. квантите по техните енергии и едновременно регистрира всички елементи от B (или C) до U. Спектралната му разделителна способност е по-ниска от тази на кристалните. спектрометър, но с по-висока чувствителност. Има и други предимства: бърза доставка на информация, прост дизайн, високи експлоатационни характеристики.

Растерни Оже-E. м. (ROEM) устройства, в които при сканиране на електронна сонда се откриват Оже електрони от дълбочина на обекта не повече от 0,1-2 nm. На тази дълбочина изходната зона на Оже-електроните не се увеличава (за разлика от вторичните емисионни електрони) и разделителната способност на устройството зависи само от диаметъра на сондата. Устройството работи при свръхвисок вакуум (10 -7 -10 -8 Pa). Ускоряващото му напрежение е прибл. 10 kV. На фиг. 6 показва устройството ROEM. Електронната пушка се състои от хексаборид-лантанов или волфрамов термичен катод, работещ в режим на Шотки, и триелектроден електростатичен катод. лещи. Електронната сонда се фокусира от тази леща и магнит. леща, в която обектът е разположен във фокалната равнина. Оже електроните се събират с помощта на цилиндричен. огледален енергиен анализатор, чийто вътрешен електрод покрива тялото на лещата, а външният електрод е в съседство с обекта. С помощта на анализатор, който разграничава електроните на Оже по енергия, се изследва химическото разпределение. елементи в повърхностния слой на обект със субмикронна резолюция. За изследване на дълбоки слоеве устройството е оборудвано с йонна пушка, която се използва за премахване на горните слоеве на обект чрез метода на йонно-лъчево ецване.

Ориз. b. Схема на сканиращ оже електронен микроскоп(ROEM): 1 - йонна помпа; 2- катод; 3 - триелектродна електростатична леща; 4-канален детектор; 5-апертурен обектив; 6-етажна отклоняваща система за сканиране на електронната сонда; 7-леща; 8- външен цилиндричен електрод огледален анализатор; 9-обект.

SEM с пистолет за полеви емисииимат висока разделителна способност (до 2-3 nm). Пистолетът за полеви емисии използва катод с форма на връх, в горната част на който възниква силен електрически удар. поле, което премахва електрони от катода ( авто-електронни емисии). Електронната яркост на пистолет с полево-емисионен катод е 10 3 -10 4 пъти по-висока от яркостта на пистолет с термичен катод. Съответно токът на електронната сонда се увеличава. Следователно, в SEM с пистолет за полеви емисии, бързото сканиране се извършва заедно с бавното сканиране и диаметърът на сондата се намалява, за да се увеличи разделителната способност. Полевият емисионен катод обаче работи стабилно само в свръхвисок вакуум (10 -7 -10 -9 Pa), което усложнява дизайна и работата на такива SEM.

Полупрозрачен растер E. m. (STEM) имат същата висока разделителна способност като TEM. Тези устройства използват оръдия за полеви емисии, работещи при условия на свръхвисок вакуум (до 10 -8 Pa), осигуряващи достатъчен ток в сонда с малък диаметър (0,2-0,3 nm). Диаметърът на сондата се намалява от два магнита. лещи (фиг. 7). Под обекта има детектори - централен и пръстен. Първият получава неразпръснати електрони и след преобразуване и усилване на съответните сигнали на екрана на CRT се появява изображение в светло поле. Пръстеновият детектор събира разпръснати електрони, създавайки изображение в тъмно поле. В STEM е възможно да се изследват по-дебели обекти, отколкото в TEM, тъй като увеличаването на броя на нееластично разпръснатите електрони с дебелина не влияе на разделителната способност (след обекта няма електронна оптика за формиране на изображение). С помощта на енергиен анализатор електроните, преминаващи през обект, се разделят на еластично и нееластично разпръснати лъчи. Всеки лъч попада на собствен детектор и съответните изображения, съдържащи допълващи се изображения, се наблюдават на CRT. информация за елементния състав на обекта. Високата разделителна способност в STEM се постига с бавно сканиране, тъй като в сонда с диаметър само 0,2-0,3 nm токът е малък. PREM са оборудвани с всички аналитични устройства, използвани в електронната микроскопия. изследване на обекти и по-специално енергийни спектрометри. загуби на електрони, рентгенови лъчи спектрометри, сложни системи за откриване на предадени, обратно разпръснати и вторични електрони, подчертаващи групи от електрони, разпръснати върху различни. ъгли, които имат различни ъгли енергия и др. Устройствата са оборудвани с компютър за комплексна обработка на постъпващата информация.

Ориз. 7. Принципна схема на полупрозрачен растернов електронен микроскоп (STEM): 1-autoemisйонен катод; 2-междинен анод; 3- анод; 4- бленда на "осветител"; 5-магнитна леща; 6-двемногослойна отклоняваща система за електронно сканиранеnogo сонда; 7-магнитна леща; 8 - отвор бленда на обектива; 9 -обект; 10 - система за отклонение; 11 - пръстен детектор на разпръснати електрони; 12 - детектор на неразпръснати електрони (отстранен, когато работа на магнитен спектрометър); 13 - магнитен спектрометър; 14-отклонителна система за избор електрони с различни загуби на енергия; 15 - слот спектрометър; 16-детекторен спектрометър; VE-средноny електрони; в.в- рентгеново облъчване.

Емисия E. m. създават изображение на обект с електрони, които се излъчват от самия обект при нагряване, бомбардирани с първичен сноп електрони, под въздействието на електрически магнити. радиация и при прилагане на силен електрически ток. поле, което отделя електрони от обект. Тези устройства обикновено имат тясно предназначение (вж. Електронен проектор).

Огледало E. m. служат като гл. обр. за визуализация на електростатични "потенциални релефи" и магнитни микрополета върху повърхността на обект. Основен електронно-оптичен елемент на устройството е електронно огледало, а един от електродите е самият обект, който е под леко отрицателно налягане. потенциал спрямо катода на пистолета. Електронният лъч се насочва към електронно огледалои се отразява от полето в непосредствена близост до повърхността на обекта. Огледалото формира изображение на екрана „в отразени лъчи“: микрополета в близост до повърхността на обекта преразпределят електроните на отразените лъчи, създавайки контраст в изображението, който визуализира тези микрополета.

Перспективи за развитие на E. m. Усъвършенстването на електронните измервателни уреди с цел увеличаване на обема на получената информация, което се извършва от много години, ще продължи и в бъдеще, като подобряването на параметрите на инструментите и преди всичко увеличаването на разделителната способност ще остане основна задача. Работа по създаването на електронно-оптични устройства. системите с малки аберации все още не са довели до реално повишаване на разделителната способност на емитерите.Това се отнася за системите за корекция на неосесиметричните аберации, криогенната оптика и лещите с коригиращи пространства. в аксиалната област и др. Търсения и изследвания в тези насоки са в ход. Проучвателната работа продължава за създаване на електронни холографски изображения. системи, включително с корекция на честотно-контрастните характеристики на лещи. Миниатюризация на електростатичното лещи и системи, използващи напредъка в микро- и нанотехнологиите, също ще помогнат за решаването на проблема за създаване на електронна оптика с ниски аберации.

Лит.:Практическа сканираща електронна микроскопия, изд. Д. Гулдщайн, X. Яковиц, прев. от англ., М., 1978; Спенс Д., Експериментална електронна микроскопия с висока разделителна способност, прев. от англ., М., 1986; Стоянов П. А., Електронен микроскоп СВЭМ-1, "Известия на Академията на науките на СССР, сер. физика.", 1988 г., т. 52, № 7, с. 1429; Хоукс П., Каспер Е., Основи на електронната оптика, прев. от английски, t. 1-2, М., 1993; Oechsner H., Сканираща шнекова микроскопия, Le Vide, les Couches Minces, 1994, t. 50, № 271, с. 141; McMullan D., Сканираща електронна микроскопия 1928-1965, "Сканиране", 1995, t. 17, № 3, стр. 175. П. А. Стоянов.

ЕЛЕКТРОНЕН МИКРОСКОП
устройство, което ви позволява да получавате силно увеличени изображения на обекти, като използвате електрони, за да ги осветите. Електронният микроскоп (ЕМ) ви позволява да видите детайли, които са твърде малки, за да бъдат разрешени от светлинен (оптичен) микроскоп. ЕМ е един от най-важните инструменти за фундаментални научни изследвания на структурата на материята, особено в такива области на науката като биологията и физиката на твърдото тяло. Има три основни типа ЕМ. През 30-те години на миналия век е изобретен конвенционалния трансмисионен електронен микроскоп (CTEM), през 50-те – растерният (сканиращ) електронен микроскоп (SEM), а през 80-те години – сканиращият тунелен микроскоп (RTM). Тези три типа микроскопи се допълват взаимно при изучаване на структури и материали от различни видове.
КОНВЕНЦИОНАЛЕН ТРАНСМИСИЕН ЕЛЕКТРОНЕН МИКРОСКОП
OPEM е в много отношения подобен на светлинен микроскоп, вижте МИКРОСКОП, но използва лъч от електрони, а не светлина, за да освети пробите. Той съдържа електронен прожектор (вижте по-долу), серия от кондензаторни лещи, обективна леща и проекционна система, която съответства на окуляра, но проектира действителното изображение върху флуоресцентен екран или фотографска плака. Източникът на електрони обикновено е нагрят катод от волфрамов или лантанов хексаборид. Катодът е електрически изолиран от останалата част на устройството и електроните се ускоряват от силно електрическо поле. За да се създаде такова поле, катодът се поддържа при потенциал от около -100 000 V спрямо други електроди, които фокусират електроните в тесен лъч. Тази част от устройството се нарича електронен прожектор (вижте ЕЛЕКТРОНЕН ПИСТОЛЕТ). Тъй като електроните са силно разпръснати от материята, трябва да има вакуум в колоната на микроскопа, където се движат електроните. Тук налягането се поддържа не повече от една милиардна от атмосферното налягане.
Електронна оптика.Електронното изображение се формира от електрически и магнитни полета почти по същия начин, както светлинното изображение се формира от оптични лещи. Принципът на действие на магнитната леща е илюстриран от диаграмата (фиг. 1). Магнитното поле, създадено от завоите на намотката, пренасяща тока, действа като събирателна леща, чието фокусно разстояние може да се променя чрез промяна на тока. Тъй като оптичната сила на такъв обектив, т.е. способността за фокусиране на електрони зависи от силата на магнитното поле в близост до оста; за да се увеличи, е желателно да се концентрира магнитното поле в минималния възможен обем. На практика това се постига чрез факта, че бобината е почти изцяло покрита с магнитна „броня“, изработена от специална никел-кобалтова сплав, оставяйки само тясна междина във вътрешната си част. Създаденото по този начин магнитно поле може да бъде 10-100 хиляди пъти по-силно от магнитното поле на Земята върху земната повърхност.

OPEM диаграмата е показана на фиг. 2. Серия от кондензаторни лещи (показана е само последната) фокусира електронния лъч върху пробата. Обикновено първият създава неуголемено изображение на източника на електрони, докато вторият контролира размера на осветената област върху пробата. Апертурата на последната събирателна леща определя ширината на лъча в равнината на обекта. Пробата се поставя в магнитното поле на леща на обектив с висока оптична сила - най-важната леща на OPEM, която определя максималната възможна разделителна способност на устройството. Аберациите в лещата на обектива са ограничени от неговата бленда, точно както са в фотоапарат или светлинен микроскоп. Обективната леща създава увеличено изображение на обект (обикновено около 100 увеличение); допълнителното увеличение, въведено от междинните и проекционните лещи, варира от малко по-малко от 10 до малко повече от 1000. По този начин увеличението, което може да се получи в съвременните OPEM, варира от по-малко от 1000 до 1 000 000 ЕЛЕКТРОНЕН МИКРОСКОП.(При увеличение милион пъти грейпфрут нараства до размера на Земята.) Изследваният обект обикновено се поставя върху много фина мрежа, поставена в специален държач. Държачът може да се движи механично или електрически плавно нагоре и надолу и наляво и надясно.

Изображение. Контрастът в OPEM се дължи на разсейване на електрони, докато електронният лъч преминава през пробата. Ако пробата е достатъчно тънка, фракцията на разпръснатите електрони е малка. Когато електроните преминават през проба, някои от тях се разпръскват поради сблъсъци с ядрата на атомите на пробата, други се разпръскват поради сблъсъци с електроните на атомите, а трети преминават без да претърпят разсейване. Степента на разсейване във всяка област на пробата зависи от дебелината на пробата в тази област, нейната плътност и средната атомна маса (брой протони) в дадена точка. Електроните, напускащи диафрагмата с ъглово отклонение, надвишаващо определена граница, вече не могат да се върнат към лъча, носещ изображението, и следователно силно разпръскващи области с повишена плътност, увеличена дебелина и местоположения на тежки атоми се появяват в изображението като тъмни зони върху светлината заден план. Такова изображение се нарича светло поле, защото при него околното поле е по-ярко от обекта. Но е възможно да се уверите, че електрическата отклоняваща система позволява само част от разпръснатите електрони да преминат през диафрагмата на лещата. Тогава пробата изглежда светла на фона на тъмно поле. Често е по-удобно да видите обект със слабо разсейване в режим на тъмно поле. Окончателното увеличено електронно изображение се преобразува във видимо изображение от флуоресцентен екран, който свети при електронно бомбардиране. Това изображение, обикновено с нисък контраст, обикновено се гледа през бинокулярен светлинен микроскоп. При същата яркост такъв микроскоп с увеличение 10 може да създаде изображение върху ретината, което е 10 пъти по-голямо, отколкото когато се наблюдава с невъоръжено око. Понякога, за да се увеличи яркостта на слабо изображение, се използва фосфорен екран с електронно-оптичен преобразувател. В този случай крайното изображение може да се покаже на обикновен телевизионен екран, което позволява да бъде записано на видеокасета. Видеозаписът се използва за запис на изображения, които се променят във времето, например поради протичане на химическа реакция. Най-често крайното изображение се записва върху фотолента или фотоплака. Фотографската плака обикновено произвежда по-ясно изображение от това, което се наблюдава с невъоръжено око или се записва на видеолента, тъй като фотографските материали, най-общо казано, записват електрони по-ефективно. В допълнение, 100 пъти повече сигнали могат да бъдат записани на единица площ от фотографски филм, отколкото на единица площ от видео лента. Благодарение на това изображението, записано върху фотографски филм, може да бъде допълнително увеличено приблизително 10 пъти без загуба на яснота.
разрешение.Електронните лъчи имат свойства, подобни на тези на светлинните лъчи. По-специално, всеки електрон се характеризира със специфична дължина на вълната. Разделителната способност на ЕМ се определя от ефективната дължина на вълната на електроните. Дължината на вълната зависи от скоростта на електроните и следователно от ускоряващото напрежение; Колкото по-високо е ускоряващото напрежение, толкова по-висока е скоростта на електроните и по-къса е дължината на вълната, което означава по-висока разделителна способност. Такова значително предимство на ЕМ в разделителната способност се обяснява с факта, че дължината на вълната на електроните е много по-къса от дължината на вълната на светлината. Но тъй като електронните лещи не фокусират толкова добре, колкото оптичните лещи (числовата апертура на добра електронна леща е само 0,09, докато за добра оптична леща тази стойност достига 0,95), разделителната способност на ЕМ е равна на 50-100 дължини на вълната на електрони. Дори и с такива слаби лещи, един електронен микроскоп може да постигне разделителна способност от прибл. 0,17 nm, което прави възможно разграничаването на отделните атоми в кристалите. За да се постигне разделителна способност от този ред, е необходимо много внимателно регулиране на инструмента; по-специално, изискват се високо стабилни захранвания, а самото устройство (което може да бъде приблизително 2,5 m високо и тежи няколко тона) и неговото допълнително оборудване изискват монтаж без вибрации.
РАСТЕРЕН ЕЛЕКТРОНЕН МИКРОСКОП
SEM, който се превърна в основен инструмент за научни изследвания, служи като добро допълнение към OPEM. SEM използват електронни лещи, за да фокусират електронен лъч в много малко място. Възможно е SEM да се настрои така, че диаметърът на петното в него да не надвишава 0,2 nm, но като правило е няколко или десетки нанометра. Това петно ​​непрекъснато се движи около определена област от пробата, подобно на лъч, преминаващ около екрана на телевизионна тръба. Електрическият сигнал, генериран при бомбардиране на обект от електронен лъч, се използва за формиране на изображение на екрана на телевизионен кинескоп или електроннолъчева тръба (CRT), чието сканиране е синхронизирано със системата за отклонение на електронния лъч (фиг. 3) . Увеличението в този случай се разбира като съотношението на размера на изображението на екрана към размера на площта, покрита от лъча върху пробата. Това увеличение е между 10 и 10 милиона.

Взаимодействието на електрони от фокусирания лъч с атомите на пробата може да доведе не само до тяхното разсейване, което се използва за получаване на изображения в OPEM, но и до възбуждане на рентгенови лъчи, излъчване на видима светлина и излъчване на на вторични електрони. Освен това, тъй като SEM има само фокусиращи лещи пред пробата, той позволява изследване на „дебели“ проби.
Отразяващ SEM. Reflective SEM е предназначен за изследване на масивни проби. Тъй като контрастът, който възниква при запис, отразен, т.е. обратно разсеяните и вторичните електрони е свързано главно с ъгъла на падане на електроните върху пробата, повърхностната структура се разкрива в изображението. (Интензитетът на обратното разсейване и дълбочината, на която се появява, зависят от енергията на електроните на падащия лъч. Излъчването на вторични електрони се определя главно от състава на повърхността и електрическата проводимост на пробата.) И двете сигналите носят информация за основни характеристикипроба. Поради ниската конвергенция на електронния лъч е възможно да се извършват наблюдения с много по-голяма дълбочина на полето, отколкото при работа със светлинен микроскоп, и да се получат отлични обемни микроснимки на повърхности с много развит релеф. Чрез записване на рентгеновото лъчение, излъчвано от проба, в допълнение към данните за релефа, може да се получи информация за химичен съставпроба в повърхностния слой с дълбочина ЕЛЕКТРОНЕН МИКРОСКОП 0,001 mm. Съставът на материала на повърхността може да се съди и по измерената енергия, с която се излъчват определени електрони. Всички трудности при работата със SEM се дължат главно на неговите системи за запис и електронна визуализация. В устройство с пълен комплексдетектори, наред с всички функции на SEM е предвиден режимът на работа на електронносондовия микроанализатор.
Сканиращ трансмисионен електронен микроскоп. Сканиращият трансмисионен електронен микроскоп (RTEM) е специален тип SEM. Предназначен е за тънки проби, същите като изследваните в OPEM. RPEM диаграмата се различава от диаграмата на фиг. 3 само с това, че няма детектори, разположени над пробата. Тъй като изображението се формира от пътуващ лъч (а не лъч, осветяващ цялата изследвана област на пробата), е необходим източник на електрони с висок интензитет, така че изображението да може да бъде записано за разумно време. RTEM с висока разделителна способност използват полеви излъчватели с висока яркост. В такъв източник на електрони се създава много силно електрическо поле (приблизително V/cm) близо до повърхността на волфрамова жица с много малък диаметър, заострена чрез ецване. Това поле буквално издърпва милиарди електрони от жицата без никаква топлина. Яркостта на такъв източник е почти 10 000 пъти по-голяма от източника на нагрята волфрамова жица (виж по-горе), а излъчените от него електрони могат да бъдат фокусирани в лъч с диаметър по-малък от 1 nm. Дори са получени лъчи с диаметър, близък до 0,2 nm. Полевите електронни източници могат да работят само при условия на свръхвисок вакуум (при налягания под Pa), при които замърсители като въглеводородни пари и вода напълно отсъстват и изображенията с висока разделителна способност стават възможни. Благодарение на такива свръхчисти условия е възможно да се изследват процеси и явления, които са недостъпни за ЕМ с конвенционалните вакуумни системи. RPEM изследванията се извършват върху ултратънки проби. Електроните преминават през такива проби почти без разсейване. Електроните, разпръснати под ъгли повече от няколко градуса без забавяне, се записват, когато ударят пръстенов електрод, разположен под пробата (фиг. 3). Сигналът, събран от този електрод, е силно зависим от атомния номер на атомите в областта, през която преминават електроните - по-тежките атоми разпръскват повече електрони към детектора, отколкото по-леките атоми. Ако електронният лъч се фокусира в точка с диаметър по-малък от 0,5 nm, могат да бъдат изобразени отделни атоми. Всъщност е възможно да се разграничат отделни атоми с атомната маса на желязото (т.е. 26 или повече) в изображението, получено в RTEM. Електроните, които не са претърпели разсейване в пробата, както и електроните, които са се забавили в резултат на взаимодействие с пробата, преминават в отвора на пръстеновидния детектор. Енергиен анализатор, разположен под този детектор, позволява да се отдели първото от второто. Чрез измерване на енергията, загубена от електрони по време на разсейване, може да се получи важна информацияотносно пробата. Загубите на енергия, свързани с възбуждането на рентгеново лъчение или избиването на вторични електрони от пробата, позволяват да се прецени химичните свойства на веществото в областта, през която преминава електронният лъч.
РАСТЕРЕН ТУНЕЛЕН МИКРОСКОП
Обсъдените по-горе ЕМ използват магнитни лещи за фокусиране на електрони. Този раздел е посветен на EM без лещи. Но преди да преминете към сканиращия тунелен микроскоп (RTM), ще бъде полезно да разгледаме накратко два по-стари вида микроскопи без лещи, които произвеждат проектирано изображение на сянка.
Автоелектронни и автойонни проектори.Полевият електронен източник, използван в RPEM, се използва в проектори за сенки от началото на 50-те години на миналия век. В проектор с полеви емисии, електроните, излъчени от полеви емисии от върха с много малък диаметър, се ускоряват към флуоресцентен екран, разположен на няколко сантиметра от върха. В резултат на това на екрана се появява проектирано изображение на повърхността на върха и частиците, разположени на тази повърхност, с увеличение, равно на съотношението на радиуса на екрана към радиуса на върха (ред). По-висока разделителна способност се постига в полеви йонен проектор, в който изображението се проектира с помощта на хелиеви йони (или някои други елементи), чиято ефективна дължина на вълната е по-къса от тази на електроните. Това създава изображения, които показват истинското разположение на атомите в кристалната решетка на материала на върха. Следователно полеви йонни проектори се използват по-специално за изследване на кристалната структура и нейните дефекти в материалите, от които могат да бъдат направени такива накрайници.
Сканиращ тунелен микроскоп (RTM).Този микроскоп също използва метален накрайник с малък диаметър за осигуряване на електрони. В пролуката между върха и повърхността на пробата се създава електрическо поле. Броят на електроните, изтеглени от полето от върха за единица време (тунелен ток), зависи от разстоянието между върха и повърхността на пробата (на практика това разстояние е по-малко от 1 nm). Докато върхът се движи по повърхността, токът се модулира. Това ви позволява да получите изображение, свързано с повърхностната топография на пробата. Ако върхът завършва с единичен атом, тогава изображение на повърхността може да се формира чрез преминаване на атом по атом. RTM може да работи само при условие, че разстоянието от върха до повърхността е постоянно и върхът може да се премества с точност до атомни размери. Вибрациите се потискат благодарение на твърдата конструкция и малкия размер на микроскопа (не по-голям от юмрук), както и използването на многослойни гумени амортисьори. Висока точностосигуряват пиезоелектрични материали, които се удължават и свиват под външно въздействие електрическо поле. Чрез прилагане на напрежение от порядъка на 10-5 V е възможно да се променят размерите на такива материали с 0,1 nm или по-малко. Това дава възможност чрез закрепване на върха към елемент, изработен от пиезоелектричен материал, той да се движи в три взаимно перпендикулярни посоки с точност от порядъка на атомните размери.
ТЕХНИКА НА ЕЛЕКТРОННА МИКРОСКОПИЯ
Едва ли има изследователски сектор в областта на биологията и науката за материалите, който да не използва трансмисионна електронна микроскопия (TEM); това се осигурява от напредъка в техниките за подготовка на пробите. Всички техники, използвани в електронната микроскопия, са насочени към получаване на изключително тънка проба и осигуряване на максимален контраст между нея и субстрата, от който се нуждае като опора. Основната техника е предназначена за проби с дебелина от 2-200 nm, поддържани от тънки пластмасови или въглеродни филми, които се поставят върху решетка с размер на окото от прибл. 0,05 мм. ( Подходяща проба, без значение как се получава, се обработва така, че да увеличи интензитета на разсейване на електрони върху обекта, който се изследва.) Ако контрастът е достатъчно висок, окото на наблюдателя може без напрежение да различи детайли, разположени на разстояние 0,1 -0,2 mm един от друг. Следователно, за да могат детайлите, разделени на разстояние от 1 nm върху пробата, да бъдат различими в изображението, създадено от електронен микроскоп, е необходимо общо увеличение от порядъка на 100-200 хил. Най-добрите микроскопи могат да създадат изображение на образец върху фотографска плака с такова увеличение, но в същото време Показаната област е твърде малка. Обикновено микроснимка се прави при по-малко увеличение и след това се увеличава фотографски. Фотоплаката се разделя приблизително на дължина 10 см. 10 000 реда. Ако всяка линия от пробата съответства на определена структура с дължина 0,5 nm, тогава за регистриране на такава структура е необходимо увеличение от поне 20 000, докато с помощта на SEM и RPEM, при които изображението се записва от електронна система и се показва на телевизионен екран, само ОК. 1000 реда. По този начин, когато се използва телевизионен монитор, минималното необходимо увеличение е приблизително 10 пъти по-голямо, отколкото при фотографиране.
Биологични лекарства.Електронната микроскопия се използва широко в биологичните и медицински изследвания. Разработени са методи за фиксиране, вграждане и получаване на тънки срезове от тъкан за изследване в OPEM и RPEM и техники за фиксиране за изследване на обемни проби в SEM. Тези техники позволяват да се изследва клетъчната организация на макромолекулно ниво. Електронната микроскопия разкрива компонентите на клетката и структурните детайли на мембраните, митохондриите, ендоплазмения ретикулум, рибозомите и много други органели, които изграждат клетката. Пробата първо се фиксира с глутаралдехид или други фиксатори и след това се дехидратира и вгражда в пластмаса. Методите за криофиксация (фиксация при много ниски - криогенни - температури) ви позволяват да запазите структурата и състава без използването на химически фиксиращи вещества. В допълнение, криогенните методи позволяват изобразяване на замразени биологични проби без дехидратация. С помощта на ултрамикротоми с остриета от полиран диамант или натрошено стъкло могат да се направят тъканни срезове с дебелина 30-40 nm. Монтираните хистологични препарати могат да бъдат оцветени със съединения на тежки метали (олово, осмий, злато, волфрам, уран) за подобряване на контраста на отделни компоненти или структури.

Биологичните изследвания са разширени до микроорганизми, особено вируси, които не се разрешават от светлинни микроскопи. ТЕМ даде възможност да се разкрият например структурите на бактериофагите и местоположението на субединиците в протеиновите обвивки на вирусите. В допълнение, положителните и отрицателните методи на оцветяване успяха да разкрият структурата с подединици в редица други важни биологични микроструктури. Техниките за усилване на контраста на нуклеинова киселина направиха възможно наблюдението на едно- и двойно-верижна ДНК. Тези дълги, линейни молекули се разпространяват в слой от основен протеин и се нанасят върху тънък филм. След това пробата се напръсква под вакуум с много тънък слой хеви метъл. Този слой тежък метал „засенчва” пробата, поради което последната, когато се наблюдава в OPEM или RPEM, изглежда сякаш осветена от страната, от която е отложен металът. Ако завъртите пробата по време на отлагането, металът се натрупва около частиците от всички страни равномерно (като снежна топка).
Небиологични материали. TEM се използва при изследване на материали за изследване на тънки кристали и граници между тях различни материали. За да се получи изображение с висока разделителна способност на интерфейса, пробата се запълва с пластмаса, пробата се изрязва перпендикулярно на интерфейса и след това се изтънява, така че интерфейсът да се вижда на остър ръб. Кристалната решетка разпръсква електрони силно в определени посоки, създавайки дифракционна картина. Изображението на кристална проба до голяма степен се определя от този модел; контрастът силно зависи от ориентацията, дебелината и съвършенството на кристалната решетка. Промените в контраста в изображението позволяват кристалната решетка и нейните несъвършенства да бъдат изследвани в атомен мащаб. Информацията, получена в този случай, допълва тази, предоставена от рентгенов анализ на масивни проби, тъй като EM прави възможно директното виждане на дислокации, грешки при подреждане и граници на зърната във всички детайли. В допълнение, моделите на електронна дифракция могат да бъдат взети с помощта на ЕМ и могат да се наблюдават дифракционни модели от избрани области на пробата. Ако апертурата на лещата е настроена така, че само един дифрагиран и неразсеян централен лъч да преминава през нея, тогава е възможно да се получи изображение на определена система от кристални равнини, която произвежда този дифрагиран лъч. Съвременните инструменти позволяват разрешаване на периоди на решетка от 0,1 nm. Кристалите могат също да бъдат изследвани с помощта на изображения в тъмно поле, при които централният лъч е блокиран, така че изображението се формира от един или повече дифрактирани лъча. Всички тези методи предоставиха важна информация за структурата на много материали и значително изясниха физиката на кристалите и техните свойства. Например анализът на ТЕМ изображения на кристалната решетка на тънки квазикристали с малък размер в комбинация с анализ на техните електродифракционни модели направи възможно през 1985 г. да се открият материали със симетрия от пети ред.
Микроскопия с високо напрежение.В момента индустрията произвежда високоволтови версии на OPEM и RPEM с ускоряващо напрежение от 300 до 400 kV. Такива микроскопи имат по-висока проникваща способност от устройствата с ниско напрежение и са почти толкова добри в това отношение, колкото микроскопите от 1 милион волта, които са били конструирани в миналото. Съвременните микроскопи с високо напрежение са доста компактни и могат да бъдат инсталирани в обикновена лабораторна стая. Тяхната повишена проникваща способност се оказва много ценно свойство при изследване на дефекти в по-дебели кристали, особено тези, от които е невъзможно да се направят тънки проби. В биологията високата им проникваща способност позволява да се изследват цели клетки, без да се разрязват. Освен това с помощта на такива микроскопи е възможно да се получат триизмерни изображения на дебели предмети.
Микроскопия с ниско напрежение.Предлагат се и SEM с ускоряващо напрежение от само няколкостотин волта. Дори при такива ниски напрежения, дължината на вълната на електрона е по-малка от 0,1 nm, така че пространствената разделителна способност тук също е ограничена от аберациите на магнитните лещи. Въпреки това, тъй като електрони с толкова ниска енергия проникват плитко под повърхността на пробата, почти всички електрони, участващи във формирането на изображението, идват от област, разположена много близо до повърхността, като по този начин увеличават разделителната способност на повърхностния релеф. С помощта на SEM с ниско напрежение са получени изображения върху твърди повърхности на обекти, по-малки от 1 nm.
Радиационни увреждания.Тъй като електроните са йонизиращо лъчение, пробата в ЕМ е постоянно изложена на него. (Това излагане произвежда вторични електрони, използвани в SEM.) Следователно пробите винаги са обект на радиационно увреждане. Типичната доза радиация, погълната от тънка проба по време на записа на микроснимка в OPEM, приблизително съответства на енергията, която би била достатъчна за пълното изпаряване на студена вода от езеро с дълбочина 4 m и площ от 1 хектар. За да се намали радиационното увреждане на пробата, е необходимо да се използват различни методи за подготовка на пробата: оцветяване, вграждане, замразяване. Освен това е възможно да се запише изображение при дози на електрони, които са 100-1000 пъти по-ниски от стандартната техника, и след това да се подобри с помощта на компютърни методи за обработка на изображения.
ИСТОРИЧЕСКА СПРАВКА
Историята на създаването на електронния микроскоп е прекрасен пример за това как независимо развиващите се области на науката и технологиите могат чрез обмен на получена информация и обединяване на усилията да създадат нов мощен инструмент за научни изследвания. Върхът на класическата физика е теорията за електромагнитното поле, която обяснява разпространението на светлината, възникването на електрически и магнитни полета и движението на заредени частици в тези полета като разпространение на електромагнитни вълни. Вълновата оптика изясни феномена на дифракцията, механизма на формиране на изображението и играта на фактори, които определят разделителната способност в светлинния микроскоп. Ние дължим напредъка в областта на теоретичната и експериментална физика на откриването на електрона с неговите специфични свойства. Тези отделни и привидно независими пътища на развитие доведоха до създаването на основите на електронната оптика, едно от най-важните приложения на която беше изобретяването на ЕМ през 30-те години на миналия век. Пряк намек за такава възможност може да се счита хипотезата за вълновата природа на електрона, изложена през 1924 г. от Луис де Бройл и експериментално потвърдена през 1927 г. от К. Дейвисън и Л. Гермър в САЩ и Дж. Томсън в Англия . Това предполага аналогия, която прави възможно конструирането на ЕМ според законите на вълновата оптика. Х. Буш открива, че с помощта на електрически и магнитни полета е възможно да се формират електронни изображения. През първите две десетилетия на 20в. бяха създадени и необходимите технически предпоставки. Индустриалните лаборатории, работещи върху електронно-лъчевия осцилоскоп, произвеждат вакуумна технология, стабилни източници на високо напрежение и ток и добри електронни излъчватели. През 1931 г. Р. Руденберг подава патентна заявка за трансмисионен електронен микроскоп, а през 1932 г. М. Нол и Е. Руска построяват първия такъв микроскоп, използвайки магнитни лещи за фокусиране на електрони. Това устройство беше предшественик на модерния OPEM. (Руска беше възнаграден за усилията си, като спечели Нобелова награда по физика за 1986 г.) През 1938 г. Руска и Б. фон Борис построиха прототип на индустриален OPEM за Siemens-Halske в Германия; този инструмент в крайна сметка направи възможно постигането на разделителна способност от 100 nm. Няколко години по-късно A. Prebus и J. Hiller построиха първия OPEM с висока разделителна способност в Университета на Торонто (Канада). Широките възможности на OPEM почти веднага станаха очевидни. Неговата промишлено производствостартира едновременно от Siemens-Halske в Германия и RCA Corporation в САЩ. В края на 40-те години други компании започват да произвеждат такива устройства. SEM в сегашната си форма е изобретен през 1952 г. от Чарлз Отли. Вярно е, че предварителните версии на такова устройство са създадени от Кнол в Германия през 30-те години на миналия век и от Зворикин и неговите колеги от RCA Corporation през 40-те години на миналия век, но само устройството на Отли успя да послужи като основа за редица технически подобрения, кулминиращи при въвеждането на индустриална версия на SEM в производството в средата на 60-те години. Обхватът на потребителите на такова сравнително лесно за използване устройство с триизмерно изображение и електронен изходен сигнал се разшири експоненциално. В момента има дузина индустриални производители на SEM на три континента и десетки хиляди такива устройства, използвани в лаборатории по целия свят.През 60-те години на миналия век бяха разработени микроскопи с ултрависоко напрежение за изследване на по-дебели проби.Лидерът на тази посока на разработката е G. Dupuy във Франция, където устройство с ускоряващо напрежение от 3,5 милиона волта е пуснато в експлоатация през 1970 г. RTM е изобретен от G. Binnig и G. Rohrer през 1979 г. в Цюрих. Това много просто устройство осигурява атомна резолюция на За работата си За създаването на RTM Биниг и Рорер (едновременно с Руска) получават Нобелова награда по физика.
Вижте също

Какво е USB микроскоп?

USB микроскопът е вид цифров микроскоп. Вместо обичайния окуляр има a дигитална камера, който улавя изображението от обектива и го прехвърля на екрана на монитора или лаптопа. Този микроскоп се свързва към компютър много лесно – чрез обикновен USB кабел. Микроскопът винаги се доставя със специален софтуер, който ви позволява да обработвате получените изображения. Можете да правите снимки, да създавате видеоклипове, да променяте контраста, яркостта и размера на картината. Възможности софтуерзависи от производителя.

USB микроскопът е предимно компактно увеличително устройство. Удобно е да го вземете със себе си на пътувания, на срещи или извън града. Обикновено USB микроскопът не може да се похвали с голямо увеличение, но за изучаване на монети, дребен шрифт, предмети на изкуството, проби от тъкани или банкноти неговите възможности са напълно достатъчни. С помощта на такъв микроскоп можете да разглеждате растения, насекоми и всякакви малки предмети около вас.

Къде да купя електронен микроскоп?

Ако най-накрая сте решили избора на модел, можете да закупите електронен микроскоп на тази страница. В нашия онлайн магазин ще намерите електронен микроскоп на най-добра цена!

Ако искате да видите електронен микроскоп със собствените си очи и след това да вземете решение, посетете най-близкия до вас магазин Four Eyes.
Да, да, и вземете децата с вас! Определено няма да останете без покупки и подаръци!