 |
 |
|
 |
|
|
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэв и более) в условиях глубокого вакуума. Физические основы корпускулярно-лучевых оптических приборов были заложены в 1834 (почти за сто лет до появления Э. м.) У. Р. Гамильтоном, установившим существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях. Целесообразность создания Э. м. стала очевидной после выдвижения в 1924 гипотезы о волнах де Бройля (См. Волны де Бройля), а технические предпосылки были созданы немецким физиком X. Бушем, который исследовал фокусирующие свойства осесимметричных полей и разработал магнитную электронную линзу (1926). В 1928 немецкие учёные М. Кнолль и Э. Руска приступили к созданию первого магнитного просвечивающего Э. м. (ПЭМ) и спустя три года получили изображение объекта, сформированное пучками электронов. В последующие годы (М. фон Арденне, Германия, 1938; В. К. Зворыкин, США, 1942) были построены первые растровые Э. м. (РЭМ), работающие по принципу сканирования (развёртывания), т. е. последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту. К середине 1960-х гг. РЭМ достигли высокого технического совершенства, и с этого времени началось их широкое применение в научных исследованиях. ПЭМ обладают самой высокой разрешающей способностью (См. Разрешающая способность)(PC), превосходя по этому параметру световые микроскопы в несколько тыс. раз. Т. н. предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие максимально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 2—3 . При благоприятных условиях можно сфотографировать отдельные тяжёлые атомы. При фотографировании периодических структур, таких как атомные плоскости решёток кристаллов, удаётся реализовать разрешение менее 1 . Столь высокие разрешения достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны де Бройля электронов (см. Дифракция частиц). Оптимальным диафрагмированием [см. Диафрагма в электронной (и ионной) оптике] удаётся снизить сферическую аберрацию (См. Сферическая аберрация) объектива (влияющую на PC Э. м.) при достаточно малой дифракционной ошибке. Эффективных методов коррекции аберраций в Э. м. (см. Электронная и ионная оптика) не найдено. Поэтому в ПЭМ магнитные Электронные линзы (ЭЛ), обладающие меньшими аберрациями, полностью вытеснили электростатические ЭЛ. Выпускаются ПЭМ различного назначения. Их молено разделить на 3 группы: Э. м. высокого разрешения, упрощённые ПЭМ и Э. м. с повышенным ускоряющим напряжением.
ПЭМ с высокой разрешающей способностью (2—3 A) — как правило, универсальные приборы многоцелевого назначения. С помощью дополнительных устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных плоскостях на большие углы к оптической оси, нагревать, охлаждать, деформировать его, осуществлять Рентгеновский структурный анализ, исследования методами электронографии (См. Электронография) и пр. Ускоряющее электроны напряжение достигает 100—125 кв, регулируется ступенеобразно и отличается высокой стабильностью: за 1—3 мин оно изменяется не более чем на 1—2 миллионные доли от исходного значения. Изображение типичного ПЭМ описываемого типа приведено на рис. 1. В его оптической системе (колонне) с помощью специальной вакуумной системы создаётся глубокий вакуум (давление до 10—6 мм рт. ст.). Схема оптической системы ПЭМ изображена на рис. 2. Пучок электронов, источником которых служит накалённый катод, (формируется в электронной пушке (См. Электронная пушка) и затем дважды фокусируется первым и вторым конденсорами, создающими на объекте электронное «пятно» малых размеров (при регулировке диаметр пятна может меняться от 1 до 20 мкм). После прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой. Нерассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости промежуточной линзы. Здесь формируется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают второе, третье и т. д. изображения. Последняя проекционная линза формирует изображение на флуоресцирующем экране, который светится под воздействием электронов. Увеличение Э. м. равно произведению увеличений всех линз. Степень и характер рассеяния электронов неодинаковы в различных точках объекта, т. к. толщина, плотность и химический состав объекта меняются от точки к точке. Соответственно изменяется число электронов, задержанных апертурной диафрагмой после прохождения различных точек объекта, а следовательно, и плотность тока на изображении, которая преобразуется в световой контраст на экране. Под экраном располагается магазин с фотопластинками. При фотографировании экран убирается, и электроны воздействуют на фотоэмульсионный слой. Изображение фокусируется плавным изменением тока, возбуждающего магнитное поле объектива. Токи др. линз регулируют для изменения увеличения Э. м.
Упрощённые ПЭМ предназначены для исследований, в которых не требуется высокая PC. Они более просты по конструкции (включающей 1 конденсор и 2—3 линзы для увеличения изображения объекта), их отличают меньшее (обычно 60—80 кв) ускоряющее напряжение и более низкая его стабильность. PC этих приборов — от 6 до 15. Другие применения — предварительный просмотр объектов, рутинные исследования, учебные цели. Толщина объекта, которую можно «просветить» электронным пучком, зависит от ускоряющего напряжения. В 100-кв Э. м. изучают объекты толщиной от 10 до нескольких тыс. A.
ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением (до 200 кв) предназначены для исследования более толстых объектов (в 2—3 раза толще), чем обычные ПЭМ. Их разрешающая способность достигает 3—5 A. Эти приборы отличаются конструкцией электронной пушки: в ней для обеспечения электрической прочности и стабильности имеются два анода, на один из которых подаётся промежуточный потенциал, составляющий половину ускоряющего напряжения. Магнитодвижущая сила линз больше, чем в 100-кв ПЭМ, а сами линзы имеют увеличенные габариты и вес.
Сверхвысоковольтные Э. м. (СВЭМ) — крупногабаритные приборы (рис. 3) высотой от 5 до 15 м, с ускоряющим напряжением 0,5—0,65; 1—1,5 и 3 Мв. Для них строят специальные помещения. СВЭМ предназначены для исследования объектов толщиной до 1—10 мкм (104—106 A). Электроны ускоряются в электростатическом ускорителе (т. н. ускорителе прямого действия), расположенном в баке, заполненном электроизоляционным газом под давлением. В том же или в дополнительном баке находится высоковольтный стабилизированный источник питания. Ведутся работы по созданию СВЭМ с линейным ускорителем, в котором электроны ускоряются до энергий 5—10 Мэв. При изучении тонких объектов PC СВЭМ ниже, чем у ПЭМ. В случае толстых объектов PC СВЭМ в 10—20 раз превосходит PC 100-кв ПЭМ.
Растровые Э. м. (РЭМ) с накаливаемым катодом предназначены для исследования массивных объектов с разрешением от 70 до 200 A. Ускоряющее напряжение в РЭМ можно регулировать в пределах от 1 до 30—50 кв.
Устройство растрового Э. м. показано на рис. 4. При помощи 2 или 3 ЭЛ на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магнитные отклоняющие катушки развёртывают зонд по заданной площади на объекте. При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (рис. 5) — вторичные и отражённые электроны; электроны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); рентгеновское Тормозное излучение и характеристическое излучение; световое излучение и т. д.
Любое из этих излучений может регистрироваться соответствующим коллектором, содержащим датчик, преобразующий излучение в электрические сигналы, которые после усиления подаются на электроннолучевую трубку (См. Электроннолучевая трубка) (ЭЛТ) и модулируют её пучок. Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с развёрткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта. Увеличение равно отношению высоты кадра на экране ЭЛТ к ширине сканируемой поверхности объекта. Фотографируют изображение непосредственно с экрана ЭЛТ. Основным достоинством РЭМ является высокая информативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображение, используя сигналы различных датчиков. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение химического состава по объекту, р—n-переходы, производить рентгеноструктурный анализ и многое другое. Образец обычно исследуется без предварительной подготовки. РЭМ находит применение и в технологических процессах (контроль дефектов микросхем и пр.). Высокая для РЭМ PC реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов. Она определяется диаметром зоны, из которой эти электроны эмиттируются. Размер зоны в свою очередь зависит от диаметра зонда, свойств объекта, скорости электронов первичного пучка и т. д. При большой глубине проникновения первичных электронов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях, увеличивают диаметр зоны и PC падает. Детектор вторичных электронов состоит из фотоэлектронного умножителя (См. Фотоэлектронный умножитель) (ФЭУ) и электронно-фотонного преобразователя, основным элементом которого является сцинтиллятор (См. Сцинтилляторы) с двумя электродами — вытягивающим в виде сетки, находящейся под положительным потенциалом (до нескольких сотен в), и ускоряющим; последний сообщает захваченным вторичным электронам энергию, необходимую для возбуждения сцинтиллятора. К ускоряющему электроду приложено напряжение около 10 кв; обычно он представляет собой алюминиевое покрытие на поверхности сцинтиллятора. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально числу вторичных электронов, выбитых в данной точке объекта. После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал модулирует пучок ЭЛТ. Величина сигнала зависит от топографии образца, наличия локальных электрических и магнитных микрополей, величины коэффициента вторичной электронной эмиссии (См. Вторичная электронная эмиссия), который в свою очередь зависит от химического состава образца в данной точке. Отражённые электроны регистрируются полупроводниковым (кремниевым) детектором. Контраст изображения обусловлен зависимостью коэффициента отражения от угла падения первичного пучка и атомного номера вещества. Разрешение изображения, получаемого «в отражённых электронах», ниже, чем получаемого с помощью вторичных электронов (иногда на порядок величины). Из-за прямолинейности полёта электронов к коллектору информация об отдельных участках, от которых нет прямого пути к коллектору, теряется (возникают тени). Характеристическое рентгеновское излучение выделяется или рентгеновским кристаллическим спектрометром или энергодисперсным датчиком — полупроводниковым детектором (обычно из чистого кремния, легированного литием). В первом случае рентгеновские кванты после отражения кристаллом спектрометра регистрируются газовым пропорциональным счётчиком (См. Пропорциональный счётчик), а во втором — сигнал, снимаемый с полупроводникового детектора, усиливается малошумящим усилителем (который для снижения шума охлаждается жидким азотом) и последующей системой усиления. Сигнал от кристаллического спектрометра модулирует пучок ЭЛТ, и на экране возникает картина распределения того или иного химического элемента по поверхности объекта. На РЭМ производят также локальный рентгеновский количественный анализ. Энергодисперсный детектор регистрирует все элементы от Na до U при высокой чувствительности. Кристаллический спектрометр с помощью набора кристаллов с различными межплоскостными расстояниями (см. Брэгга - Вульфа условие) перекрывает диапазон от Be до U. Существенный недостаток РЭМ — большая длительность процесса «снятия» информации при исследовании объектов. Сравнительно высокую PC можно получить, используя электронный зонд достаточно малого диаметра. Но при этом уменьшается сила тока зонда, вследствие чего резко возрастает влияние дробового эффекта (См. Дробовой эффект), снижающего отношение полезного сигнала к шуму. Чтобы отношение «сигнал/шум» не падало ниже заданного уровня, необходимо замедлить скорость сканирования для накопления в каждой точке объекта достаточно большого числа первичных электронов (и соответствующего количества вторичных). В результате высокая PC реализуется лишь при малых скоростях развёртки. Иногда один кадр формируется в течение 10—15 мин.
РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой для РЭМ PC (до 30 A). В автоэмиссионной пушке (как и в электронном проекторе (См. Электронный проектор)) используется катод в форме острия, у вершины которого возникает сильное электрическое поле, вырывающее электроны из катода (см. Туннельная эмиссия). Электронная яркость пушки с автоэмиссионным катодом в 103—104 раз выше, чем пушки с накалённым катодом. Соответственно увеличивается ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют быстрые развёртки, а диаметр зонда уменьшают для повышения PC. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (10—9—10—11 мм рт. ст.), и это усложняет конструкцию таких РЭМ и работу на них.
Просвечивающие растровые Э. м. (ПРЭМ) обладают столь же высокой PC, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, обеспечивающие достаточно большой ток в зонде диаметром до 2—3 A. На рис. 6 приведено схематическое изображение ПРЭМ. Две магнитные линзы уменьшают диаметр зонда. Ниже объекта расположены детекторы — центральный и кольцевой. На первый попадают нерассеянные электроны, и после преобразования и усиления соответствующих сигналов на экране ЭЛТ появляется т. н. светлопольное изображение. На кольцевом детекторе собираются рассеянные электроны, создающие т. н. темнопольное изображение. В ПРЭМ можно исследовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, т. к. возрастание числа неупруго рассеянных электронов с толщиной не влияет на разрешение (после объекта оптика в ПРЭМ отсутствует). С помощью анализатора энергии электроны, прошедшие сквозь объект, разделяются на упруго и неупруго рассеянные пучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на ЭЛТ наблюдается соответствующее изображение, содержащее дополнительную информацию о рассеивающих свойствах объекта. Высокое разрешение в ПРЭМ достигается при медленных развёртках, т. к. в зонде диаметром всего 2—3 A ток получается слишком малым.
Э. м. смешанного типа. Сочетание в одном приборе принципов формирования изображения с неподвижным пучком (как в ПЭМ) и сканирования тонкого зонда по объекту позволило реализовать в таком Э. м. преимущества ПЭМ, РЭМ и ПРЭМ. В настоящее время во всех ПЭМ предусмотрена возможность наблюдения объектов в растровом режиме (с помощью конденсорных линз и объектива, создающих уменьшенное изображение источника электронов, которое сканируется по объекту отклоняющими системами). Кроме изображения, сформированного неподвижным пучком, получают растровые изображения на экранах ЭЛТ с использованием прошедших и вторичных электронов, характеристические рентгеновские спектры и т. д. Оптическая система такого ПЭМ, расположенная после объекта, даёт возможность работать в режимах, неосуществимых в других приборах. Например, можно одновременно наблюдать электронограмму на экране ЭЛТ и изображение того же объекта на экране прибора.
Эмиссионные Э. м. создают изображение объекта в электронах, которые эмиттирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком электронов, освещении и при наложении сильного электрического поля, вырывающего электроны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение.
Зеркальные Э. м. служат главным образом для визуализации электростатического «потенциального рельефа» и магнитных микрополей на поверхности объекта. Основным оптическим элементом прибора является Электронное зеркало, причём одним из электродов служит сам объект, который находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в зеркало и отражается полем в непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение «в отражённых пучках». Микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отражённых пучков, создавая контраст на изображении, визуализирующий эти микрополя.
Перспективы развития Э. м. Повышение PC в изображениях непериодических объектов до 1 A и более позволит регистрировать не только тяжёлые, но и лёгкие атомы и визуализировать органический мир на атомарном уровне. Для создания Э. м. с подобным разрешением повышают ускоряющее напряжение, разрабатывают ЭЛ с малыми аберрациями, в частности криогенные линзы, в которых используется эффект сверхпроводимости (См. Сверхпроводимость) при низких температурах, работают над созданием методов исправления аберраций ЭЛ и т. д. Исследование механизма формирования частотно-контрастных характеристик (См. Частотно-контрастная характеристика) изображения в Э. м. привело к разработке методов реконструкции изображения, которые осуществляются аналогично тому, как это делается в световой оптике, где подобные методы основаны на Фурье преобразованиях (См. Фурье преобразование), а соответствующие расчёты производятся на ЭВМ.
Лит.: Eighth international congress on electron microscopy, Canberra, 1974; Стоянов П. А., Мосеев В. В., Розоренова К. М., Ренский И. О., Электронный микроскоп предельного разрешения ЭМВ-100Л, «Изв. АН СССР. Сер. физическая», т. 34, 1970; Хокс П., Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974; Деркач В. П., Кияшко Г. Ф., Кухарчук М. С., Электронозондовые устройства, К., 1974; Стоянова И. Г., Анаскин И. Ф., Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии, М., 1972; Oatley С. W., The scanning electron microscope, Camb., 1972; Grivet P., Electron optics, 2 ed., Oxf., 1972.
П. А. Стоянов.
0225082994.tif
Рис. 1. Электронный микроскоп просвечивающего типа (ПЭМ): 1 — электронная пушка; 2 — конденсорные линзы; 3 — объектив; 4 — проекционные линзы; 5 — световой микроскоп, дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое на экране: 6 — тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 7 — высоковольтный кабель; 8 — вакуумная система; 9 — пульт управления; 10 — стенд; 11 — высоковольтное питающее устройство; 12 — источник питания линз.
Рис. 2. Оптическая схема ПЭМ. 1 — катод v-образной формы из вольфрамовой проволоки (разогревается проходящим по нему током до 2800 К); 2 — фокусирующий цилиндр; 3 — анод; 4 — первый (короткофокусный) конденсор, создающий уменьшенное изображение источника электронов; 5 — второй (длиннофокусный) конденсор, который переносит уменьшенное изображение источника электронов на объект; 6 — объект; 7 — апертурная диафрагма; 8 — объектив; 9, 10, 11 система проекционных линз; 12 — катодолюминесцентный экран, на котором формируется конечное изображение.
0295820550.tif
Рис. 3. Сверхвысоковольтный электронный микроскоп (СВЭМ): 1 — бак, в который накачивается электроизоляционный газ (элегаз) до давления 3—5 атм; 2 — электронная пушка; 3 — ускорительная трубка; 4 — конденсаторы высоковольтного источника; 5 — блок конденсорных линз; 6 — объектив; 7, 8, 9— проекционные линзы; 10 — световой микроскоп; 11 — пульт управления.
0239988512.tif
Рис. 4. Растровый электронный микроскоп (РЭМ): 1 - изолятор электронной пушки; 2 - накаливаемый V-образный катод; 3 - фокусирующий электрод; 4 - анод; 5 - блок двух конденсорных линз; 6 - диафрагма; 7 - двухъярусная отклоняющая система; 8 - объектив; 9 - диафрагма; 10 - объект; 11 - детектор вторичных электронов; 12 - кристаллический спектрометр; 13 - пропорциональный счётчик; 14 - предварительный усилитель; 15 - блок усиления: 16, 17 - аппаратура для регистрации рентгеновского излучения; 18 - блок усиления; 19 - блок регулировки увеличения; 20, 21 - блоки горизонтальной и вертикальной развёрток; 22, 23 - электроннолучевые трубки.
0203754294.tif
Рис. 5. Схема регистрации информации об объекте, получаемой в РЭМ. 1 — первичный пучок электронов; 2 — детектор вторичных электронов; 3 — детектор рентгеновского излучения; 4 — детектор отражённых электронов; 5 — детектор светового излучения; 6 — детектор прошедших электронов; 7 — прибор для измерения наведённого на объекте электрического потенциала; 8 — прибор для измерения тока прошедших через объект электронов; 9 — прибор для измерения тока поглощенных в объекте электронов.
0213845929.tif
Рис. 6. Принципиальная схема просвечивающего растрового электронного микроскопа (ПРЭМ): 1 — автоэмиссионный катод; 2 —промежуточный анод; 3 — анод; 4 — отклоняющая система для юстировки пучка; 5 — диафрагма «осветителя»; 6, 8 — отклоняющие системы для развертки электронного зонда; 7 — магнитная длиннофокусная линза; 9 — апертурная диафрагма; 10 — магнитный объектив; 11 — объект; 12, 14 — отклоняющие системы; 13 — кольцевой коллектор рассеянных электронов; 15 — коллектор нерассеянных электронов (убирается при работе со спектрометром); 16 — магнитный спектрометр, в котором электронные пучки поворачиваются магнитным полем на 90°; 17 — отклоняющая система для отбора электронов с различными потерями энергии; 18 — щель спектрометра; 19 — коллектор; ВЭ — поток вторичных электронов h — рентгеновское излучение.
|
| Мультимедийная энциклопедия |
| прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение
объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ)
дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить
световой (оптический) микроскоп. ЭМ - один из важнейших приборов для
фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких
областях науки, как биология и физика твердого тела.
Существуют три основных вида ЭМ. В 1930-х годах был изобретен обычный
просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах - растровый
(сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах - растровый
туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов дополняют друг друга
в исследованиях структур и материалов разных типов.
ОБЫЧНЫЙ ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
ОПЭМ во многом подобен световому микроскопу см. <<МИКРОСКОП>>, но только
для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В
нем имеются электронный прожектор (см. ниже), ряд конденсорных линз,
объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру,
но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или
фотографическую пластинку. Источником электронов обычно служит нагреваемый
катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован
от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим
полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка
-100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий
пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором (см.
<<ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА>>). Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом,
в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь
поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.
Электронная оптика. Электронное изображение формируется
электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое -
оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется схемой
(рис. 1). Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит
ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно
изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е.
способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного
поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное
поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что
катушку почти полностью закрывают магнитной "броней" из специального
никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней
части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10-100 тыс.
раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.
проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза
фокусирует световой пучок.
Схема ОПЭМ представлена на рис. 2. Ряд конденсорных линз (показана лишь
последняя) фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них
создает неувеличенное изображение источника электронов, а последняя
контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней
конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта. Образец
помещается в магнитном поле объективной линзы с большой оптической силой -
самой важной линзы ОПЭМ, которой определяется предельное возможное
разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее
диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом
микроскопе. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно
с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, вносимое
промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от
несколько меньшей 10 до несколько большей 1000. Таким образом, увеличение,
которое можно получить в современных ОПЭМ, составляет от менее 1000 до ~1
000 000. (При увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров
Земли.) Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку,
вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим или
электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправо-влево.
МИКРОСКОП (ОПЭМ). Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными
линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые
проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в
видимое или регистрируется на фотопластинке. В ОПЭМ можно получить
увеличение до 1 млн. 1 - источник электронов; 2 - ускоряющая система; 3 -
диафрагма; 4 -конденсорная линза; 5 - образец; 6 - объективная линза; 7 -
диафрагма; 8 - проекционная линза; 9 - экран или пленка; 10 - увеличенное
изображение.
Изображение. Контраст в ОПЭМ обусловлен рассеянием электронов при
прохождении электронного пучка через образец. Если образец достаточно
тонок, то доля рассеянных электронов невелика. При прохождении электронов
через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов
образца, другие - из-за столкновений с электронами атомов, а третьи
проходят, не претерпевая рассеяния. Степень рассеяния в какой-либо области
образца зависит от толщины образца в этой области, его плотности и средней
атомной массы (числа протонов) в данной точке. Электроны, выходящие из
диафрагмы с угловым отклонением, превышающим некоторый предел, уже не
могут вернуться в пучок, несущий изображение, а поэтому сильно
рассеивающие участки повышенной плотности, увеличенной толщины, места
расположения тяжелых атомов выглядят на изображении как темные зоны на
светлом фоне. Такое изображение называется светлопольным, поскольку на нем
окружающее поле светлее объекта. Но можно сделать так, чтобы электрическая
отклоняющая система пропускала в диафрагму объектива только те или иные из
рассеянных электронов. Тогда образец выглядит светлым на темном поле.
Слабо рассеивающий объект часто бывает удобнее рассматривать в режиме
темного поля.
Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое
посредством люминесцентного экрана, который светится под действием
электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как
правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же
яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза
изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным
глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется
люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае
окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный
экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется
для регистрации изображений, меняющихся во времени, например, в связи с
протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение
регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно
позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым
глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря,
более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади
фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на
единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение,
зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно увеличить примерно в
10 раз без потери четкости.
Разрешение. Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам
световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной
длиной волны. Разрешающая способность ЭМ определяется эффективной длиной
волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а
следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее
напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а
значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество ЭМ в разрешающей
способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше
длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо
фокусируют, как оптические (числовая апертура хорошей электронной линзы
составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива
эта величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50-100 длинам волн
электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно
получить предел разрешения ок. 0,17 нм, что позволяет различать отдельные
атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима
очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются
высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть
высотой ок. 2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное
оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.
РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
РЭМ, ставший важнейшим прибором для научных исследований, служит хорошим
дополнением ОПЭМ. В РЭМ применяются электронные линзы для фокусировки
электронного пучка в пятно очень малых размеров. Можно отрегулировать РЭМ
так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм, но, как правило, он
составляет единицы или десятки нанометров. Это пятно непрерывно обегает
некоторый участок образца аналогично лучу, обегающему экран телевизионной
трубки. Электрический сигнал, возникающий при бомбардировке объекта
электронами пучка, используется для формирования изображения на экране
телевизионного кинескопа или электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), развертка
которой синхронизирована с системой отклонения электронного пучка (рис.
3). Увеличение в данном случае понимается как отношение размера
изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. Это
увеличение составляет от 10 до 10 млн.
(РЭМ/РПЭМ).
Электроны, идущие от источника, ускоряются и фокусируются в узкий пучок на
образце. Этот пучок перемещается по образцу отклоняющими катушками с
током. Детекторы, расположенные выше образца, регистрируют рентгеновское
излучение, вторичные и отраженные электроны. Электроны, прошедшие сквозь
тонкий образец, регистрируются кольцевым детектором или, пройдя через
энергетический анализатор, используются для формирования изображения на
экране. 1 - источник электронов; 2 - ускоряющая система; 3 - магнитная
линза; 4 - отклоняющие катушки; 5 - образец; 6 - детектор отраженных
электронов; 7 - кольцевой детектор; 8 - анализатор.
Взаимодействие электронов сфокусированного пучка с атомами образца может
приводить не только к их рассеянию, которое используется для получения
изображения в ОПЭМ, но и к возбуждению рентгеновского излучения,
испусканию видимого света и эмиссии вторичных электронов. Кроме того,
поскольку в РЭМ перед образцом имеются только фокусирующие линзы, он
позволяет исследовать "толстые" образцы.
Отражательный РЭМ. Отражательный РЭМ предназначен для исследования
массивных образцов. Поскольку контраст, возникающий при регистрации
отраженных, т.е. обратно-рассеянных, и вторичных электронов, связан в
основном с углом падения электронов на образец, на изображении выявляется
поверхностная структура. (Интенсивность обратного рассеяния и глубина, на
которой оно происходит, зависят от энергии электронов падающего пучка.
Эмиссия вторичных электронов определяется, в основном составом поверхности
и электропроводностью образца.) Оба эти сигнала несут информацию об общих
характеристиках образца. Благодаря малой сходимости электронного пучка
можно проводить наблюдения с гораздо большей глубиной резкости, чем при
работе со световым микроскопом, и получать прекрасные объемные
микрофотографии поверхностей с весьма развитым рельефом. Регистрируя
рентгеновское излучение, испускаемое образцом, можно в дополнение к данным
о рельефе получать информацию о химическом составе образца в поверхностном
слое глубиной ~0,001 мм. О составе материала на поверхности можно судить и
по измеренной энергии, с которой эмиттируются те или иные электроны.
Все сложности работы с РЭМ обусловлены, в основном, его системами
регистрации и электронной визуализации. В приборе с полным комплексом
детекторов, наряду со всеми функциями РЭМ, предусматривается рабочий режим
электронно-зондового микроанализатора.
Растровый просвечивающий электронный микроскоп. Растровый
просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ) - это особый вид РЭМ. Он
рассчитан на тонкие образцы, такие же, как и исследуемые в ОПЭМ. Схема
РПЭМ отличается от схемы на рис. 3 только тем, что в ней нет детекторов,
расположенных выше образца. Поскольку изображение формируется бегущим
пучком (а не пучком, освещающим весь исследуемый участок образца),
требуется высокоинтенсивный источник электронов, чтобы изображение можно
было зарегистрировать за приемлемое время. В РПЭМ высокого разрешения
используются автоэлектронные эмиттеры высокой яркости. В таком источнике
электронов создается очень сильное электрическое поле (ок. В/см) вблизи
поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого
диаметра. Это поле буквально вытягивает миллиарды электронов из проволочки
без всякого нагрева. Яркость такого источника почти в 10 000 раз больше,
чем источника с нагреваемой вольфрамовой проволокой (см. выше), а
испускаемые им электроны могут быть сфокусированы в пучок диаметром менее
1 нм. Были даже получены пучки, диаметр которых близок к 0,2 нм.
Автоэлектронные источники могут работать только в условиях сверхвысокого
вакуума (при давлениях ниже Па), в которых полностью отсутствуют такие
загрязнения, как пары углеводородов и воды, и становится возможным
получение изображений с высоким разрешением. Благодаря таким сверхчистым
условиям можно исследовать процессы и явления, недоступные ЭМ с обычными
вакуумными системами. Исследования в РПЭМ проводятся на сверхтонких
образцах. Электроны проходят сквозь такие образцы почти без рассеяния.
Электроны, рассеянные на углы более нескольких градусов без замедления,
регистрируются, попадая на кольцевой электрод, расположенный под образцом
(рис. 3). Сигнал, снимаемый с этого электрода, сильно зависит от атомного
номера атомов в той области, через которую проходят электроны, - более
тяжелые атомы рассеивают больше электронов в направлении детектора, чем
легкие. Если электронный пучок сфокусирован в точку диаметром менее 0,5
нм, то можно получить изображение отдельных атомов. Реально удается
различать на изображении, полученном в РПЭМ, отдельные атомы с атомной
массой железа (т.е. 26 и более). Электроны, не претерпевшие рассеяния в
образце, а также электроны, замедлившиеся в результате взаимодействия с
образцом, проходят в отверстие кольцевого детектора. Энергетический
анализатор, расположенный под этим детектором, позволяет отделить первые
от вторых. Измеряя энергию, потерянную электронами при рассеянии, можно
получить важную информацию об образце. Потери энергии, связанные с
возбуждением рентгеновского излучения или выбиванием вторичных электронов
из образца, позволяют судить о химических свойствах вещества в области,
через которую проходит электронный пучок.
РАСТРОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП
В ЭМ, рассмотренных выше, для фокусировки электронов применяются магнитные
линзы. Данный раздел посвящен ЭМ без линз. Но, прежде чем переходить к
растровому туннельному микроскопу (РТМ), будет полезно кратко остановиться
на двух старых видах безлинзового микроскопа, в которых формируется
проецированное теневое изображение.
Автоэлектронный и автоионный проекторы. Автоэлектронный источник,
применяемый в РПЭМ, с начала 1950-х годов применялся в теневых проекторах.
В автоэлектронном проекторе электроны, испускаемые за счет автоэлектронной
эмиссии острием очень малого диаметра, ускоряются в направлении
люминесцентного экрана, расположенного на расстоянии нескольких
сантиметров от острия. В результате на экране возникает проецированное
изображение поверхности острия и находящихся на этой поверхности частиц с
увеличением, равным отношению радиуса экрана к радиусу острия (порядка).
Более высокое разрешение достигается в автоионном проекторе, в котором
проецирование изображения осуществляется ионами гелия (или некоторых
других элементов), эффективная длина волны которых меньше, чем у
электронов. Это позволяет получать изображения, показывающие истинное
расположение атомов в кристаллической решетке материала острия. Поэтому
автоионные проекторы используются, в частности, для исследования
кристаллической структуры и ее дефектов в материалах, из которых могут
быть изготовлены такие острия.
Растровый туннельный микроскоп (РТМ). В этом микроскопе тоже
используется металлическое острие малого диаметра, являющееся источником
электронов. В зазоре между острием и поверхностью образца создается
электрическое поле. Число электронов, вытягиваемых полем из острия в
единицу времени (ток туннелирования), зависит от расстояния между острием
и поверхностью образца (на практике это расстояние меньше 1 нм). При
перемещении острия вдоль поверхности ток модулируется. Это позволяет
получить изображение, связанное с рельефом поверхности образца. Если
острие заканчивается одиночным атомом, то можно сформировать изображение
поверхности, проходя атом за атомом.
РТМ может работать только при условии, что расстояние от острия до
поверхности постоянно, а острие можно перемещать с точностью до атомных
размеров. Вибрации подавляются благодаря жесткой конструкции и малым
размерам микроскопа (не более кулака), а также применению многослойных
резиновых амортизаторов. Высокую точность обеспечивают пьезоэлектрические
материалы, которые удлиняются и сокращаются под действием внешнего
электрического поля. Подавая напряжение порядка 10-5 В, можно изменять
размеры таких материалов на 0,1 нм и менее. Это дает возможность, закрепив
острие на элементе из пьезоэлектрического материала, перемещать его в трех
взаимно перпендикулярных направлениях с точностью порядка атомных
размеров.
ТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ
Вряд ли остался какой-либо сектор исследований в области биологии и
материаловедения, где бы не применялась просвечивающая электронная
микроскопия (ПЭМ); это обеспечено успехами техники приготовления образцов.
Все применяемые в электронной микроскопии методики нацелены на получение
предельно тонкого образца и обеспечение максимального контраста между ним
и подложкой, которая необходима ему в качестве опоры. Основная методика
рассчитана на образцы толщиной 2-200 нм, поддерживаемые тонкими
пластмассовыми или углеродными пленками, которые кладутся на сетку с
размером ячейки ок. 0,05 мм. (Подходящий образец, каким бы способом он ни
был получен, обрабатывается так, чтобы увеличить интенсивность рассеяния
электронов на исследуемом объекте.) Если контраст достаточно велик, то
глаз наблюдателя может без напряжения различить детали, находящиеся на
расстоянии 0,1-0,2 мм друг от друга. Следовательно, для того, чтобы на
изображении, создаваемом электронным микроскопом, были различимы детали,
разделенные на образце расстоянием в 1 нм, необходимо полное увеличение
порядка 100-200 тыс. Лучшие из микроскопов могут создать на фотопластинке
изображение образца с таким увеличением, но при этом изображается слишком
малый участок. Обычно делают микроснимок с меньшим увеличением, а затем
увеличивают его фотографически. Фотопластинка разрешает на длине 10 см ок.
10 000 линий. Если каждая линия соответствует на образце некой структуре
протяженностью 0,5 нм, то для регистрации такой структуры необходимо
увеличение не менее 20 000, тогда как при помощи РЭМ и РПЭМ, в которых
изображение регистрируется электронной системой и развертывается на
телевизионном экране, может быть разрешено только ок. 1000 линий. Таким
образом, при использовании телевизионного монитора минимально необходимое
увеличение примерно в 10 раз больше, чем при фоторегистрации.
Биологические препараты. Электронная микроскопия широко применяется
в биологических и медицинских исследованиях. Разработаны методики
фиксации, заливки и получения тонких срезов тканей для исследования в ОПЭМ
и РПЭМ и методики фиксации для исследования объемных образцов в РЭМ. Эти
методики дают возможность исследовать организацию клеток на
макромолекулярном уровне. Электронная микроскопия выявила компоненты
клетки и детали строения мембран, митохондрий, эндоплазматической сети,
рибосом и множества других органелл, входящих в состав клетки. Образец
сначала фиксируют глутаральдегидом или другими фиксирующими веществами, а
затем обезвоживают и заливают пластмассой. Методы криофиксации (фиксации
при очень низких - криогенных - температурах) позволяют сохранить
структуру и состав без использования химических фиксирующих веществ. Кроме
того, криогенные методы позволяют получать изображения замороженных
биологических образцов без их обезвоживания. При помощи ультрамикротомов с
лезвиями из полированного алмаза или сколотого стекла можно делать срезы
тканей толщиной 30-40 нм. Смонтированные гистологические препараты могут
быть окрашены соединениями тяжелых металлов (свинца, осмия, золота,
вольфрама, урана) для усиления контраста отдельных компонентов или
структур.
поляризованном свете.
Биологические исследования были распространены на микроорганизмы, особенно
на вирусы, которые не разрешаются световыми микроскопами. ПЭМ позволила
выявить, например, структуры бактериофагов и расположение субъединиц в
белковых оболочках вирусов. Кроме того, методами позитивного и негативного
окрашивания удалось выявить структуру с субъединицами в ряде других важных
биологических микроструктур. Методы усиления контраста нуклеиновых кислот
позволили наблюдать одно- и двунитные ДНК. Эти длинные линейные молекулы
распластывают в слой основного белка и накладывают на тонкую пленку. Затем
на образец вакуумным напылением наносят очень тонкий слой тяжелого
металла. Этот слой тяжелого металла "оттеняет" образец, благодаря чему
последний при наблюдении в ОПЭМ или РПЭМ выглядит как бы освещенным с той
стороны, с которой напылялся металл. Если же вращать образец во время
напыления, то металл накапливается вокруг частиц со всех сторон равномерно
(как снежный ком).
Небиологические материалы. ПЭМ применяется в исследованиях
материалов для изучения тонких кристаллов и границ между разными
материалами. Чтобы получить изображение границы раздела с большим
разрешением, образец заливают пластмассой, делают срез образца,
перпендикулярный границе, а затем утоньшают его так, чтобы граница была
видна на заостренной кромке. Кристаллическая решетка сильно рассеивает
электроны в определенных направлениях, давая дифракционную картину.
Изображение кристаллического образца в значительной мере определяется этой
картиной; контраст сильно зависит от ориентации, толщины и совершенства
кристаллической решетки. Изменения контраста на изображении позволяют
изучать кристаллическую решетку и ее несовершенства в масштабе атомных
размеров. Получаемая при этом информация дополняет ту, которую дает
рентгенографический анализ объемных образцов, так как ЭМ дает возможность
непосредственно видеть во всех деталях дислокации, дефекты упаковки и
границы зерен. Кроме того, в ЭМ можно снимать электронограммы и наблюдать
картины дифракции от выделенных участков образца. Если диафрагму объектива
настроить так, чтобы через нее проходили только один дифрагированный и
нерассеянный центральный пучки, то можно получать изображение определенной
системы кристаллических плоскостей, которая дает этот дифрагированный
пучок. Современные приборы позволяют разрешать периоды решетки величиной
0,1 нм. Исследовать кристаллы можно также методом темнопольного
изображения, при котором перекрывают центральный пучок, так что
изображение формируется одним или несколькими дифрагированными пучками.
Все эти методы дали важную информацию о структуре очень многих материалов
и существенно прояснили физику кристаллов и их свойства. Например, анализ
ПЭМ-изображений кристаллической решетки тонких малоразмерных
квазикристаллов в сочетании с анализом их электронограмм позволил в 1985
открыть материалы с симметрией пятого порядка.
Высоковольтная микроскопия. В настоящее время промышленность
выпускает высоковольтные варианты ОПЭМ и РПЭМ с ускоряющим напряжением от
300 до 400 кВ. Такие микроскопы имеют более высокую проникающую
способность, чем у низковольтных приборов, причем почти не уступают в этом
отношении микроскопам с напряжением 1 млн. вольт, которые строились в
прошлом. Современные высоковольтные микроскопы достаточно компактны и
могут быть установлены в обычном лабораторном помещении. Их повышенная
проникающая способность оказывается очень ценным свойством при
исследовании дефектов в более толстых кристаллах, особенно таких, из
которых невозможно сделать тонкие образцы. В биологии их высокая
проникающая способность дает возможность исследовать целые клетки, не
разрезая их. Кроме того, с помощью таких микроскопов можно получать
объемные изображения толстых объектов.
Низковольтная микроскопия. Выпускаются также РЭМ с ускоряющим
напряжением, составляющим всего несколько сот вольт. Даже при столь низких
напряжениях длина волны электронов меньше 0,1 нм, так что пространственное
разрешение и здесь ограничивается аберрациями магнитных линз. Однако,
поскольку электроны с такой низкой энергией проникают неглубоко под
поверхность образца, почти все электроны, участвующие в формировании
изображения, приходят из области, расположенной очень близко к
поверхности, благодаря чему повышается разрешение поверхностного рельефа.
С помощью низковольтных РЭМ были получены изображения на твердых
поверхностях объектов размером менее 1 нм.
Радиационное повреждение. Поскольку электроны представляют собой
ионизирующее излучение, образец в ЭМ постоянно подвергается его
воздействию. (В результате этого воздействия возникают вторичные
электроны, используемые в РЭМ.) Следовательно, образцы всегда подвергаются
радиационному повреждению. Типичная доза излучения, поглощаемая тонким
образцом за время регистрации микрофотографии в ОПЭМ, примерно
соответствует энергии, которой было бы достаточно для полного испарения
холодной воды из пруда глубиной 4 м с площадью поверхности 1 га. Чтобы
уменьшить радиационное повреждение образца, необходимо использовать
различные методы его подготовки: окрашивание, заливку, замораживание.
Кроме того, можно регистрировать изображение при дозах электронов, в 100-
1000 раз меньших, нежели по стандартной методике, а затем улучшать его
методами компьютерной обработки изображений.
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
История создания электронного микроскопа - замечательный пример того, как
самостоятельно развивающиеся области науки и техники могут, обмениваясь
полученной информацией и объединяя усилия, создавать новый мощный
инструмент научных исследований. Вершиной классической физики была теория
электромагнитного поля, которая объяснила распространение света,
возникновение электрических и магнитных полей, движение заряженных частиц
в этих полях как распространение электромагнитных волн. Волновая оптика
сделала понятными явление дифракции, механизм формирования изображения и
игру факторов, определяющих разрешение, в световом микроскопе. Успехам в
области теоретической и экспериментальной физики мы обязаны открытием
электрона с его специфическими свойствами. Эти отдельные и, казалось бы,
независимые пути развития привели к созданию основ электронной оптики,
одним из важнейших приложений которой являлось изобретение ЭМ в 1930-х
годах. Прямым намеком на такую возможность можно считать гипотезу о
волновой природы электрона, выдвинутую в 1924 Луи де Бройлем и
экспериментально подтвержденную в 1927 К.Дэвиссоном и Л.Джермером в США и
Дж.Томсоном в Англии. Тем самым была подсказана аналогия, позволившая
построить ЭМ по законам волновой оптики. Х.Буш обнаружил, что с помощью
электрических и магнитных полей можно формировать электронные изображения.
В первые два десятилетия 20 в. были созданы и необходимые технические
предпосылки. Промышленные лаборатории, работавшие над электронно-лучевым
осциллографом, дали вакуумную технику, стабильные источники высокого
напряжения и тока, хорошие электронные эмиттеры.
В 1931 Р. Руденберг подал патентную заявку на просвечивающий электронный
микроскоп, а в 1932 М.Кнолль и Э.Руска построили первый такой микроскоп,
применив магнитные линзы для фокусировки электронов. Этот прибор был
предшественником современного ОПЭМ. (Руска был вознагражден за свои труды
тем, что стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1986.) В 1938
Руска и Б.фон Боррис построили прототип промышленного ОПЭМ для фирмы
"Сименс-Хальске" в Германии; этот прибор в конце концов позволил достичь
разрешения 100 нм. Несколькими годами позднее А.Пребус и Дж.Хиллер
построили первый ОПЭМ высокого разрешения в Торонтском университете
(Канада).
Широкие возможности ОПЭМ почти сразу же стали очевидны. Его промышленное
производство было начато одновременно фирмой "Сименс-Хальске" в Германии и
корпорацией RCA в США. В конце 1940-х годов такие приборы стали выпускать
и другие компании.
РЭМ в его нынешней форме был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда,
предварительные варианты такого устройства были построены Кноллем в
Германии в 1930-х годах и Зворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в
1940-х годах, но лишь прибор Отли смог послужить основой для ряда
технических усовершенствований, завершившихся внедрением в производство
промышленного варианта РЭМ в середине 1960-х годов. Круг потребителей
такого довольно простого в обращении прибора с объемным изображением и
электронным выходным сигналом расширился с быстротой взрыва. В настоящее
время насчитывается добрый десяток промышленных изготовителей РЭМ'ов на
трех континентах и десятки тысяч таких приборов, используемых в
лабораториях всего мира. В 1960-х годах разрабатывались
сверхвысоковольтные микроскопы для исследования более толстых образцов.
Лидером этого направления разработок был Г.Дюпуи во Франции, где в 1970
был введен в действие прибор с ускоряющим напряжением, равным 3,5 млн.
вольт. РТМ был изобретен Г.Биннигом и Г.Рорером в 1979 в Цюрихе. Этот
весьма простой по устройству прибор обеспечивает атомное разрешение
поверхностей. За свою работу по созданию РТМ Бинниг и Рорер (одновременно
с Руской) получили Нобелевскую премию по физике.
См. также
<<КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ>>;
<<МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ>>;
<<НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ>>;
<<ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА>>;
<<ВИРУСЫ>>.
ЛИТЕРАТУРА
Полянкевич А.Н. Электронные микроскопы. Киев, 1976
Спенс Дж. Экспериментальная ионная микроскопия высокого разрешения. М.,
1986 |
| Современная Энциклопедия |
| ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, вакуумный электронно-оптический прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, полученного с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий. Разрешающая способность электронного микроскопа в несколько тысяч раз больше, чем у обычного оптического микроскопа; предел разрешения электронного микроскопа составляет ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП0,01-0,1 нм. |
| Медицинская энциклопедия |
| см. <<Микроскоп>>. |
| Научнотехнический Энциклопедический Словарь |
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, МИКРОСКОП, который «освещает» изучаемый объект потоком электронов. Вместо обычных линз в нем имеются магниты, фокусирующие электронный пучок. Это устройство позволяет разглядеть предметы очень малых размеров, потому что длина волны у электронов короче, чем у светового излучения, и они дают лучшее разрешение. В просвечивающем электронном микроскопе электроны проходят сквозь объект, который предварительно препарировали - придали форму очень тонкого среза. Для исследования в сканирующем электронном микроскопе объект не нужно специально препарировать, так как электронный луч «обшаривает» всю его поверхность, однако, желательно, чтобы объект имел металлическое покрытие для лучшего отражения электронов. Изображение передается на дисплей, возможна также его компьютерная обработка. Электронные микроскопы позволяют получить увеличение в миллионы раз.
В электронном микроскопе поток электронов (1) создается накаленным вольфрамовым катодом (2) электронной пушки (3) и фокусируется верхней (4) и нижней (5) электромагнитными линзами. Затем электроны проходят через кольцевое отверстие (6) и сканирующую катушку (7) и окончательно фокусируются проек-торной линзой (8) на исследуемом образце (9). Весь процесс протекает в вакууме, воздух удаляется насосом (10). Работой сканирующей катушки, которая направляет луч так, чтобы он прошел по всему объекту, управляет компьютер. Образец помещается в воздушную камеру (11) и вручную устанавливается в нужное положение (12). Изображение исследуемого объекта возникает благодаря фиксации электронов, отраженных от объекта (13). Перемещение этих электронов коррелируется с формой поверхности объекта; обнаружение их происходит, когда они ударяются о флуоресцентную мишень (15) детектора (14). Полученное изображение выводится на дисплей компьютера (16). |
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
