Mikroskop elektronowy nie jest tak nazywany, ponieważ wykorzystuje wszelkie elementy zawierające elektronikę - choć jest ich więcej niż wystarczająco. Ale najważniejsze jest to, że zamiast strumienia promieni świetlnych niosących informacje o przedmiocie i które możemy po prostu zobaczyć zbliżając oczy do okularów, mikroskop elektronowy wykorzystuje strumień elektronów - dokładnie tak samo jak w konwencjonalnym TELEWIZJA. Obraz podobny do telewizyjnego będziemy mogli obserwować na ekranie pokrytym specjalną masą, która świeci, gdy uderzy w niego strumień elektronów. Ale jak powiększa się mikroskop elektronowy?
Faktem jest, że tak jak szkło zwykłej soczewki zmienia przebieg promieni świetlnych, tak pola magnetyczne i elektryczne zmieniają ruch przepływu elektronów, co umożliwia skupienie „wiązek” elektronów z takimi samymi efektami jak w zwykłym „ szklany układ optyczny ze światłem. Jednak ze względu na niezwykle małe rozmiary elektronów i znaczne „załamanie” wiązek elektronów powiększenie obrazu jest około tysiąc razy większe niż w mikroskopie optycznym. Zamiast znanych nam okularów w mikroskopie elektronowym obraz jest albo rzutowany na bardzo mały ekran luminescencyjny, z którego obserwator ogląda go w znanym mikroskopie optycznym z niewielkim powiększeniem, albo za pomocą przetwornika optyczno-elektronicznego jest wyświetlane na konwencjonalnym ekranie telewizyjnym lub - co jest najczęściej używane w praktyce - na kliszy fotograficznej. W przypadku mikroskopu elektronowego nie ma takiego parametru jak dokładność kolorów, ponieważ kolor jest właściwością promieni świetlnych, a nie elektronów. W mikrokosmosie nie ma koloru, dlatego „kolorowe” obrazy uzyskane za pomocą mikroskopu elektronowego to nic innego jak konwencja. 
Taka była w przybliżeniu zasada działania pierwszego w historii mikroskopu elektronowego, według istniejąca klasyfikacja należał do mikroskopów OPEM - „konwencjonalnego transmisyjnego mikroskopu elektronowego”, na zewnątrz bardziej przypominał dużą maszynę do obróbki metalu niż mikroskop, jak widywano go przez ostatnie półtora wieku. W tym urządzeniu, które zapewnia wzrost nawet milion razy, próbkę „prześwituje” strumień elektronów poruszający się w stałym kierunku. Nieco później pojawiły się skaningowe mikroskopy elektronowe, w których wiązka elektronów skupiona na wymiarach subatomowych „skanuje” powierzchnię próbki, a obraz obserwuje się na ekranie monitora. W rzeczywistości „powiększenie” mikroskopu skaningowego jest również konwencją, jest to stosunek rozmiaru ekranu do rozmiaru oryginalnego skanowanego obiektu. To właśnie na takim urządzeniu człowiek po raz pierwszy mógł zobaczyć pojedyncze atomy. Na razie jest to granica możliwości technologicznych. I rzeczywiście, świat cząstek elementarnych jest tak inny od naszego, że raczej nie będziemy w stanie go ogarnąć do końca, nawet zobaczyć go na własne oczy.
MIKROSKOP ELEKTRONOWY
urządzenie, które pozwala uzyskać znacznie powiększony obraz obiektów, wykorzystując elektrony do ich oświetlania. Mikroskop elektronowy (EM) umożliwia dostrzeżenie szczegółów, które są zbyt małe, aby można je było rozróżnić za pomocą mikroskopu świetlnego (optycznego). EM jest jednym z najważniejszych instrumentów podstawowych badań naukowych nad strukturą materii, zwłaszcza w takich dziedzinach nauki jak biologia i fizyka ciała stałego. Istnieją trzy główne typy EM. W latach trzydziestych wynaleziono konwencjonalny transmisyjny mikroskop elektronowy (CTEM), w latach pięćdziesiątych skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), a w latach osiemdziesiątych skaningowy mikroskop tunelowy (RTM). Te trzy rodzaje mikroskopów uzupełniają się nawzajem w badaniu struktur i materiałów różnych typów.
KONWENCJONALNY PRZESYŁOWY MIKROSKOP ELEKTRONOWY
OPEM jest pod wieloma względami podobny do mikroskopu świetlnego, patrz MIKROSKOP, tylko do oświetlania próbek wykorzystuje nie światło, ale wiązkę elektronów. Zawiera projektor elektroniczny (patrz poniżej), serię soczewek kondensorowych, soczewkę obiektywu i system projekcyjny, który pasuje do okularu, ale wyświetla rzeczywisty obraz na ekranie fluorescencyjnym lub płycie fotograficznej. Źródłem elektronów jest zwykle podgrzewana katoda wykonana z sześcioborku wolframu lub lantanu. Katoda jest elektrycznie odizolowana od reszty urządzenia, a elektrony są przyspieszane przez silne pole elektryczne. Aby wytworzyć takie pole, katoda jest utrzymywana na potencjale rzędu -100 000 V względem innych elektrod, które skupiają elektrony w wąską wiązkę. Ta część urządzenia nazywana jest reflektorem elektronowym (patrz PISTOLET ELEKTRONICZNY). Ponieważ elektrony są silnie rozpraszane przez materię, w kolumnie mikroskopowej, w której poruszają się elektrony, musi być próżnia. Utrzymuje ciśnienie nieprzekraczające jednej miliardowej ciśnienia atmosferycznego.
Optyka elektroniczna. Obraz elektroniczny jest tworzony przez pola elektryczne i magnetyczne w podobny sposób, w jaki obraz świetlny jest tworzony przez soczewki optyczne. Zasadę działania soczewki magnetycznej ilustruje schemat (ryc. 1). Pole magnetyczne wytworzone przez zwoje cewki, przez którą przepływa prąd, działa jak soczewka skupiająca, długość ogniskowa które można zmienić, zmieniając prąd. Ponieważ moc optyczna takiego obiektywu, tj. zdolność skupiania elektronów zależy od siły pola magnetycznego w pobliżu osi, aby ją zwiększyć, pożądane jest skoncentrowanie pola magnetycznego w jak najmniejszej objętości. W praktyce osiąga się to dzięki temu, że cewka jest prawie całkowicie pokryta magnetycznym „pancerzem” wykonanym ze specjalnego stopu niklowo-kobaltowego, pozostawiając jedynie wąską szczelinę w jej wewnętrznej części. Wytworzone w ten sposób pole magnetyczne może być 10-100 tysięcy razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi na powierzchni Ziemi.
Schemat OPEM pokazano na ryc. 2. Rząd soczewek kondensorowych (pokazano tylko ostatnią) skupia wiązkę elektronów na próbce. Zazwyczaj ta pierwsza tworzy niepowiększony obraz źródła elektronów, podczas gdy druga kontroluje wielkość oświetlanego obszaru na próbce. Apertura ostatniej soczewki kondensora określa szerokość wiązki w płaszczyźnie obiektu. Próbkę umieszcza się w polu magnetycznym soczewki obiektywu o dużej mocy, najważniejszej soczewki OPEM, która określa maksymalną możliwą rozdzielczość instrumentu. Aberracje obiektywu są ograniczone przez jego aperturę, tak jak ma to miejsce w aparacie lub mikroskopie świetlnym. Soczewka obiektywu daje powiększony obraz obiektu (zwykle z powiększeniem rzędu 100); dodatkowe powiększenie wprowadzone przez soczewki pośrednie i projekcyjne waha się od nieco mniej niż 10 do nieco ponad 1000. Zatem powiększenie, które można uzyskać w nowoczesnych OPEM, wynosi od mniej niż 1000 do 1 000 000 MIKROSKOP ELEKTRONICZNY (przy powiększeniu milion razy grejpfrut dorasta do rozmiarów Ziemi.) Badany przedmiot umieszcza się zwykle na bardzo cienkiej siateczce umieszczonej w specjalnym uchwycie. Uchwyt można płynnie przesuwać mechanicznie lub elektrycznie w górę i w dół oraz w lewo i prawo.
Obraz. Kontrast w OPEM wynika z rozpraszania elektronów podczas przechodzenia wiązki elektronów przez próbkę. Jeśli próbka jest dostatecznie cienka, udział rozproszonych elektronów jest niewielki. Kiedy elektrony przechodzą przez próbkę, niektóre z nich rozpraszają się w wyniku zderzeń z jądrami atomów próbki, inne w wyniku zderzeń z elektronami atomów, a jeszcze inne przechodzą bez ulegania rozpraszaniu. Stopień rozproszenia w dowolnym obszarze próbki zależy od grubości próbki w tym obszarze, jej gęstości i średniej masy atomowej (liczby protonów) w tym punkcie. Elektrony opuszczające przesłonę z odchyleniem kątowym przekraczającym pewną granicę nie mogą już powrócić do wiązki niosącej obraz, przez co silnie rozpraszające obszary o zwiększonej gęstości, zwiększonej grubości i umiejscowieniu ciężkich atomów wyglądają jak ciemne strefy na jasnym tle w obraz. Taki obraz nazywamy jasnym polem, ponieważ otaczające pole jest jaśniejsze niż obiekt. Ale można to zrobić tak, że elektryczny system odchylania przepuszcza tylko jeden lub drugi z rozproszonych elektronów do przysłony obiektywu. Wtedy próbka wygląda jasno w ciemnym polu. Słabo rozpraszający się obiekt jest często wygodniejszy do oglądania w trybie ciemnego pola. Ostateczny powiększony obraz elektroniczny uwidacznia się za pomocą ekranu fluorescencyjnego, który świeci pod wpływem bombardowania elektronami. Ten obraz, zwykle o niskim kontraście, jest zwykle oglądany przez dwuokularowy mikroskop świetlny. Przy tej samej jasności taki mikroskop przy powiększeniu 10 może stworzyć na siatkówce obraz 10 razy większy niż obserwowany gołym okiem. Czasami stosuje się ekran luminoforowy z lampą wzmacniającą obraz, aby zwiększyć jasność słabego obrazu. W takim przypadku ostateczny obraz można wyświetlić na konwencjonalnym ekranie telewizora, umożliwiając jego nagranie na taśmę wideo. Nagrywanie wideo służy do rejestrowania obrazów, które zmieniają się w czasie, na przykład w wyniku reakcji chemicznej. Najczęściej finalny obraz utrwalany jest na kliszy fotograficznej lub kliszy fotograficznej. Płyta fotograficzna zwykle umożliwia uzyskanie obrazu ostrzejszego niż ten obserwowany gołym okiem lub zarejestrowany na taśmie wideo, ponieważ materiały fotograficzne, ogólnie rzecz biorąc, bardziej efektywnie rejestrują elektrony. Ponadto na jednostkę powierzchni kliszy fotograficznej można zarejestrować 100 razy więcej sygnałów niż na jednostkę powierzchni taśmy wideo. Dzięki temu obraz zarejestrowany na kliszy można dodatkowo powiększyć ok. 10 razy bez utraty klarowności.
Pozwolenie. Wiązki elektronów mają właściwości podobne do wiązek światła. W szczególności każdy elektron charakteryzuje się określoną długością fali. Rozdzielczość EM jest określona przez efektywną długość fali elektronów. Długość fali zależy od prędkości elektronów, a w konsekwencji od napięcia przyspieszającego; im większe napięcie przyspieszające, tym większa prędkość elektronów i krótsza długość fali, a co za tym idzie wyższa rozdzielczość. Tak znaczną przewagę EM w zakresie zdolności rozdzielczej tłumaczy się tym, że długość fali elektronów jest znacznie mniejsza niż długość fali światła. Ponieważ jednak obiektywy elektroniczne nie skupiają się tak dobrze jak optyczne (apertura numeryczna dobrego obiektywu elektronicznego wynosi tylko 0,09, podczas gdy dla dobrego obiektywu optycznego wartość ta dochodzi do 0,95), rozdzielczość EM wynosi 50-100 długości fal elektronowych. Nawet przy tak słabych soczewkach w mikroskopie elektronowym granica rozdzielczości ok. 0,17 nm, co umożliwia rozróżnienie poszczególnych atomów w kryształach. Aby uzyskać rozdzielczość tego rzędu, konieczne jest bardzo staranne dostrojenie instrumentu; w szczególności wymagane są bardzo stabilne zasilacze, a sam przyrząd (który może mieć ok. 2,5 m wysokości i masę kilku ton) i jego wyposażenie dodatkowe wymagają montażu bez wibracji.
RASTEROWY MIKROSKOP ELEKTRONOWY
SEM, który stał się najważniejszym instrumentem badań naukowych, służy dobry dodatek OPEM. SEM używają soczewek elektronowych do skupienia wiązki elektronów w bardzo małej plamce. Istnieje możliwość dostosowania SEM tak, aby średnica w nim plamki nie przekraczała 0,2 nm, ale z reguły jest to kilka lub kilkadziesiąt nanometrów. Ta plamka w sposób ciągły biegnie wokół pewnej części próbki, podobnie jak wiązka biegnąca wokół ekranu kineskopu telewizyjnego. Sygnał elektryczny, który pojawia się, gdy obiekt jest bombardowany przez elektrony wiązki, jest wykorzystywany do tworzenia obrazu na ekranie kineskopu telewizyjnego lub kineskopu (CRT), którego przemiatanie jest zsynchronizowane z układem odchylania wiązki elektronów (rys. 3). ). Powiększenie w tym przypadku rozumiane jest jako stosunek wielkości obrazu na ekranie do wielkości obszaru, po którym wiązka omija próbkę. Ten wzrost wynosi od 10 do 10 milionów.
Oddziaływanie elektronów skupionej wiązki z atomami próbki może prowadzić nie tylko do ich rozpraszania, co jest wykorzystywane do uzyskania obrazu w OPEM, ale także do wzbudzenia promieniowania rentgenowskiego, emisji światła widzialnego i emisji elektronów wtórnych. Ponadto, ponieważ SEM ma tylko soczewki skupiające przed próbką, umożliwia badanie „grubych” próbek.
Odblaskowe SEM. Refleksyjny SEM jest przeznaczony do badania masywnych próbek. Ponieważ kontrast, który występuje podczas rejestracji odzwierciedlenie, tj. elektronów wstecznie rozproszonych i wtórnych, związana jest głównie z kątem padania elektronów na próbkę, struktura powierzchni jest widoczna na obrazie. (Intensywność rozpraszania wstecznego i głębokość, na której ono występuje, zależą od energii elektronów wiązki padającej. Emisja elektronów wtórnych jest determinowana głównie przez skład powierzchni i przewodność elektryczną próbki.) Oba te czynniki sygnały niosą informacje o ogólna charakterystyka próbka. Ze względu na małą zbieżność wiązki elektronów możliwe jest prowadzenie obserwacji ze znacznie większą głębią ostrości niż przy pracy z mikroskopem świetlnym oraz uzyskanie doskonałych trójwymiarowych mikrofotografii powierzchni o bardzo rozwiniętym reliefie. Rejestrując promieniowanie rentgenowskie emitowane przez próbkę, możliwe jest, oprócz danych o reliefie, uzyskanie informacji o składzie chemicznym próbki w warstwie powierzchniowej o głębokości 0,001 mm. Skład materiału na powierzchni można również ocenić na podstawie zmierzonej energii, z jaką emitowane są określone elektrony. Wszystkie trudności w pracy z SEM wynikają głównie z jego systemów rejestracji i elektronicznej wizualizacji. Urządzenie z pełną gamą detektorów wraz ze wszystkimi funkcjami SEM zapewnia tryb pracy mikroanalizatora sond elektronowych.
Transmisyjny mikroskop skaningowy. Skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy (STEM) jest szczególnym rodzajem SEM. Jest przeznaczony do cienkich próbek, takich samych jak te badane w OPEM. Schemat RPEM różni się od schematu na ryc. 3 tylko dlatego, że nie ma detektorów umieszczonych nad próbką. Ponieważ obraz jest tworzony przez wiązkę podróżną (a nie wiązkę oświetlającą cały obszar badanej próbki), wymagane jest źródło elektronów o dużej intensywności, aby obraz mógł zostać zarejestrowany w rozsądnym czasie. RTEM o wysokiej rozdzielczości wykorzystuje emitery pola o wysokiej jasności. W takim źródle elektronów w pobliżu powierzchni drutu wolframowego o bardzo małej średnicy zaostrzonego przez trawienie powstaje bardzo silne pole elektryczne (ok. V/cm). To pole dosłownie wyciąga miliardy elektronów z drutu bez żadnego ogrzewania. Jasność takiego źródła jest prawie 10 000 razy większa niż źródła z rozgrzanym drutem wolframowym (patrz wyżej), a emitowane elektrony można skupić w wiązce o średnicy mniejszej niż 1 nm. Otrzymano nawet wiązki, których średnica jest bliska 0,2 nm. Źródła autoelektroniczne mogą działać tylko w warunkach ultrawysokiej próżni (przy ciśnieniu poniżej Pa), w których nie ma zanieczyszczeń, takich jak węglowodory i pary wodne, i możliwe staje się uzyskanie obrazów o wysokiej rozdzielczości. Dzięki tak ultraczystym warunkom możliwe jest badanie procesów i zjawisk niedostępnych dla EM w konwencjonalnych systemach próżniowych. Badania w RPEM prowadzone są na ultracienkich próbkach. Elektrony przechodzą przez takie próbki prawie bez rozpraszania. Rejestrowane są elektrony rozproszone pod kątami większymi niż kilka stopni bez opóźnienia, padające na elektrodę pierścieniową umieszczoną pod próbką (rys. 3). Sygnał pobierany z tej elektrody jest silnie uzależniony od liczby atomowej atomów w obszarze, przez który przechodzą elektrony - cięższe atomy rozpraszają więcej elektronów w kierunku detektora niż lekkie. Jeśli wiązka elektronów zostanie skupiona w punkcie o średnicy mniejszej niż 0,5 nm, wówczas można zobrazować poszczególne atomy. W rzeczywistości na obrazie uzyskanym w RTEM można wyróżnić pojedyncze atomy o masie atomowej żelaza (tj. 26 lub więcej). Elektrony, które nie uległy rozproszeniu w próbce, a także elektrony spowolnione w wyniku oddziaływania z próbką, przechodzą do otworu detektora pierścieniowego. Analizator energii umieszczony pod tym detektorem pozwala na oddzielenie pierwszego od drugiego. Mierząc energię traconą przez elektrony podczas rozpraszania, można uzyskać ważne informacje o próbce. Straty energii związane ze wzbudzeniem promieni rentgenowskich lub wybiciem elektronów wtórnych z próbki pozwalają ocenić właściwości chemiczne substancja w obszarze, przez który przechodzi wiązka elektronów.
RASTER TUNELING MIKROSKOP
W omówionych powyżej EM do ogniskowania elektronów używa się soczewek magnetycznych. Ta sekcja dotyczy EM bez soczewek. Ale zanim przejdziemy do skaningowego mikroskopu tunelowego (RTM), warto przyjrzeć się pokrótce dwóm starszym typom mikroskopów bezsoczewkowych, które wytwarzają cieniowany obraz.
Projektory autoelektroniczne i autojonowe.Źródło elektronów polowych stosowane w RTEM jest używane w projektorach cieni od wczesnych lat pięćdziesiątych. W projektorze elektronów polowych elektrony emitowane przez emisję polową z końcówki o bardzo małej średnicy są przyspieszane w kierunku luminescencyjnego ekranu znajdującego się w odległości kilku centymetrów od końcówki. W efekcie na ekranie pojawia się rzutowany obraz powierzchni końcówki i cząstek znajdujących się na tej powierzchni ze wzrostem równym stosunkowi promienia ekranu do promienia końcówki (kolejność). Wyższą rozdzielczość uzyskuje się w projektorze autojonowym, w którym obraz jest wyświetlany przez jony helu (lub inne pierwiastki), których efektywna długość fali jest krótsza niż w przypadku elektronów. Umożliwia to uzyskanie obrazów pokazujących prawdziwy układ atomów w sieci krystalicznej materiału punktu. Dlatego projektory polowo-jonowe wykorzystywane są w szczególności do badania struktury krystalicznej i jej wad w materiałach, z których można wykonać takie końcówki.
Skaningowy mikroskop tunelowy (RTM). Ten mikroskop wykorzystuje również metalową końcówkę o małej średnicy, która jest źródłem elektronów. W szczelinie między końcówką a powierzchnią próbki powstaje pole elektryczne. Liczba elektronów wyciąganych przez pole z końcówki w jednostce czasu (prąd tunelowy) zależy od odległości końcówki od powierzchni próbki (w praktyce odległość ta jest mniejsza niż 1 nm). Gdy końcówka porusza się po powierzchni, prąd jest modulowany. Pozwala to uzyskać obraz związany z reliefem powierzchni próbki. Jeśli końcówka kończy się pojedynczym atomem, to można stworzyć obraz powierzchni przechodząc atom po atomie. RTM może działać tylko wtedy, gdy odległość od końcówki do powierzchni jest stała, a końcówkę można przesuwać z dokładnością do wymiarów atomowych. Wibracje są tłumione dzięki sztywnej konstrukcji i niewielkim rozmiarom mikroskopu (nie więcej niż pięść), a także zastosowaniu wielowarstwowych gumowych amortyzatorów. Wysoką dokładność zapewniają materiały piezoelektryczne, które wydłużają się i kurczą pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Dzięki przyłożeniu napięcia rzędu 10-5 V można zmienić wymiary takich materiałów o 0,1 nm lub mniej. Umożliwia to, poprzez zamocowanie końcówki na elemencie z materiału piezoelektrycznego, poruszanie nim w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach z dokładnością rzędu wymiarów atomowych.
TECHNIKA MIKROSKOPII ELEKTRONICZNEJ
Niewiele jest dziedzin badań w dziedzinie biologii i materiałoznawstwa, w których nie zastosowano transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM); wynika to z postępu w technikach przygotowania próbek. Wszystkie techniki stosowane w mikroskopii elektronowej mają na celu uzyskanie niezwykle cienkiej próbki i zapewnienie maksymalnego kontrastu między nią a podłożem, którego potrzebuje jako podporę. Podstawowa technika przeznaczona jest dla próbek o grubości 2-200 nm, wspartych cienkimi foliami z tworzywa sztucznego lub węgla, które są umieszczone na siatce o wielkości komórek ok. 0,05 mm. (Odpowiednia próbka, jakkolwiek uzyskana, jest przetwarzana w taki sposób, aby zwiększyć intensywność rozpraszania elektronów na badanym obiekcie.) Jeśli kontrast jest wystarczająco duży, to oko obserwatora jest w stanie rozróżnić szczegóły znajdujące się w odległości 0,1 -0,2 mm bez naprężeń od siebie. Dlatego, aby detale oddzielone na próbce o odległość 1 nm były rozpoznawalne na obrazie tworzonym przez mikroskop elektronowy konieczne jest pełny zoom rzędu 100-200 tys. Najlepsze mikroskopy potrafią stworzyć obraz próbki na kliszy fotograficznej przy takim powiększeniu, ale jednocześnie obrazowany jest zbyt mały obszar. Zazwyczaj zdjęcie wykonuje się w mniejszym powiększeniu, a następnie powiększa fotograficznie. Płyta fotograficzna pozwala na długość ok. 10 cm. 10 000 linii. Jeżeli każda linia na próbce odpowiada określonej strukturze o długości 0,5 nm, to do zarejestrowania takiej struktury wymagany jest wzrost o co najmniej 20 000, przy użyciu SEM i RTEM, w których rejestrowany jest obraz system elektroniczny i rozmieszczone na ekranie telewizora, mogą być dozwolone tylko około. 1000 linii. Tak więc przy użyciu monitora telewizyjnego minimalne wymagane powiększenie jest około 10 razy większe niż podczas fotografowania.
preparaty biologiczne. Mikroskopia elektronowa jest szeroko stosowana w badaniach biologicznych i medycznych. Opracowano techniki mocowania, zatapiania i pozyskiwania cienkich skrawków tkanek do badań w OPEM i RPEM oraz metody mocowania do badania próbek masowych w SEM. Techniki te umożliwiają badanie organizacji komórek na poziomie makromolekularnym. Mikroskopia elektronowa ujawniła składniki komórki i szczegóły budowy błon, mitochondriów, retikulum endoplazmatycznego, rybosomów i wielu innych organelli tworzących komórkę. Próbka jest najpierw utrwalana aldehydem glutarowym lub innymi utrwalaczami, a następnie odwadniana i osadzona w plastiku. Metody kriofiksacji (utrwalanie w bardzo niskich - kriogenicznych - temperaturach) pozwalają na zachowanie struktury i składu bez użycia utrwalaczy chemicznych. Ponadto metody kriogeniczne umożliwiają obrazowanie zamrożonych próbek biologicznych bez odwadniania. Za pomocą ultramikrotomów z polerowanymi diamentowymi lub wyszczerbionymi ostrzami szklanymi można wykonać skrawki tkanek o grubości 30-40 nm. Zamocowane preparaty histologiczne można barwić związkami metali ciężkich (ołowiu, osmu, złota, wolframu, uranu) w celu wzmocnienia kontrastu poszczególnych składników lub struktur.
Badania biologiczne zostały rozszerzone na mikroorganizmy, zwłaszcza wirusy, które nie są wykrywane przez mikroskopy świetlne. TEM umożliwił ujawnienie m.in. struktury bakteriofagów i lokalizacji podjednostek w płaszczach białkowych wirusów. Ponadto metody barwienia pozytywnego i negatywnego umożliwiły ujawnienie struktury z podjednostkami w wielu innych ważnych mikrostrukturach biologicznych. Techniki wzmacniania kontrastem kwasów nukleinowych umożliwiły obserwację jedno- i dwuniciowego DNA. Te długie, liniowe cząsteczki są rozprowadzane w warstwie podstawowego białka i nakładane na cienką warstwę. Następnie na próbkę nakładana jest bardzo cienka warstwa metalu ciężkiego poprzez osadzanie próżniowe. Ta warstwa metalu ciężkiego „zacienia” próbkę, dzięki czemu ta ostatnia, obserwowana w OPEM lub RTEM, wygląda jakby była oświetlona od strony, z której osadzono metal. Jeśli jednak próbka jest obracana podczas osadzania, wówczas metal gromadzi się wokół cząstek równomiernie ze wszystkich stron (jak kula śnieżna).
materiały niebiologiczne. TEM jest wykorzystywany w badaniach materiałowych do badania cienkich kryształów i interfejsów między różnymi materiałami. Aby uzyskać obraz interfejsu o wysokiej rozdzielczości, próbkę wypełnia się tworzywem sztucznym, próbkę przycina się prostopadle do interfejsu, a następnie pocienia tak, aby interfejs był widoczny na ostrej krawędzi. Sieć krystaliczna silnie rozprasza elektrony w określonych kierunkach, dając wzór dyfrakcyjny. Obraz próbki krystalicznej jest w dużej mierze zdeterminowany tym wzorem; kontrast jest silnie zależny od orientacji, grubości i doskonałości sieci krystalicznej. Zmiany kontrastu obrazu umożliwiają badanie sieci krystalicznej i jej niedoskonałości w skali rozmiarów atomowych. Uzyskane w ten sposób informacje uzupełniają informacje uzyskane w wyniku analizy rentgenowskiej próbek masowych, ponieważ EM umożliwia bezpośrednią obserwację przemieszczeń, błędów ułożenia i granic ziaren we wszystkich szczegółach. Dodatkowo, dyfraktogramy elektronów mogą być pobierane w EM i mogą być obserwowane dyfrakcje z wybranych obszarów próbki. Jeżeli przysłona obiektywu jest wyregulowana w taki sposób, że przechodzi przez nią tylko jedna ugięta i nierozproszona wiązka centralna, to możliwe jest uzyskanie obrazu pewnego układu płaszczyzn kryształów, które dają tę ugiętą wiązkę. Nowoczesne instrumenty umożliwiają rozwiązywanie okresów siatki 0,1 nm. Kryształy można również badać za pomocą obrazowania w ciemnym polu, w którym centralna wiązka jest blokowana tak, że obraz tworzy jedna lub więcej dyfrakcyjnych wiązek. Wszystkie te metody dostarczyły ważnych informacji o strukturze bardzo wielu materiałów i znacząco wyjaśniły fizykę kryształów i ich właściwości. Na przykład analiza obrazów TEM sieci krystalicznej cienkich małych quasikryształów w połączeniu z analizą ich wzorów dyfrakcji elektronów umożliwiła w 1985 roku odkrycie materiałów o symetrii piątego rzędu.
Mikroskopia wysokonapięciowa. Obecnie przemysł produkuje wysokonapięciowe wersje OPEM i RPEM o napięciu przyspieszającym od 300 do 400 kV. Takie mikroskopy mają większą zdolność penetracji niż instrumenty niskonapięciowe i są prawie tak dobre, jak mikroskopy o napięciu 1 miliona woltów, które budowano w przeszłości. Nowoczesne mikroskopy wysokonapięciowe są dość kompaktowe i mogą być instalowane w zwykłym pomieszczeniu laboratoryjnym. Ich zwiększona zdolność penetracji okazuje się bardzo cenną właściwością w badaniu defektów w grubszych kryształach, zwłaszcza tych, z których nie można wykonać cienkich próbek. W biologii ich wysoka penetracja umożliwia badanie całych komórek bez ich cięcia. Ponadto mikroskopy te można wykorzystać do uzyskania trójwymiarowych obrazów grubych obiektów.
mikroskopia niskonapięciowa. Istnieją również SEM o napięciu przyspieszającym zaledwie kilkuset woltów. Nawet przy tak niskich napięciach długość fali elektronu jest mniejsza niż 0,1 nm, więc rozdzielczość przestrzenna jest ponownie ograniczona przez aberracje soczewek magnetycznych. Jednakże, ponieważ elektrony o tak niskiej energii wnikają płytko pod powierzchnię próbki, prawie wszystkie elektrony biorące udział w obrazowaniu pochodzą z regionu bardzo blisko powierzchni, zwiększając w ten sposób rozdzielczość reliefu powierzchni. Za pomocą niskonapięciowego SEM uzyskano obrazy na stałych powierzchniach obiektów o rozmiarze mniejszym niż 1 nm.
uszkodzenia popromienne. Ponieważ elektrony są promieniowaniem jonizującym, próbka w EM jest stale na nie narażona. (W wyniku tego działania powstają elektrony wtórne, które są wykorzystywane w SEM.) Dlatego próbki są zawsze narażone na uszkodzenia radiacyjne. Typowa dawka promieniowania pochłonięta przez cienką próbkę podczas rejestracji mikrofotografii w OPEM w przybliżeniu odpowiada energii, która wystarczyłaby do całkowitego odparowania zimnej wody ze stawu o głębokości 4 m i powierzchni 1 ha. Aby zmniejszyć uszkodzenie próbki przez promieniowanie, konieczne jest zastosowanie różnych metod jej przygotowania: barwienie, wylewanie, zamrażanie. Dodatkowo możliwa jest rejestracja obrazu przy dawkach elektronów 100-1000 razy mniejszych niż metodą standardową, a następnie poprawienie go metodami komputerowej obróbki obrazu.
ODNIESIENIE DO HISTORII
Historia powstania mikroskopu elektronowego jest wspaniałym przykładem tego, jak samodzielnie rozwijające się dziedziny nauki i techniki mogą, poprzez wymianę otrzymanych informacji i połączenie wysiłków, stworzyć nowe potężne narzędzie do badań naukowych. Szczytem fizyki klasycznej była teoria pola elektromagnetycznego, która wyjaśniała propagację światła, powstawanie pól elektrycznych i magnetycznych, ruch naładowanych cząstek w tych polach jako propagację fal elektromagnetycznych. Optyka falowa wyjaśniła zjawisko dyfrakcji, mechanizm powstawania obrazu oraz grę czynników decydujących o rozdzielczości w mikroskopie świetlnym. Sukcesy w dziedzinie teoretycznej i fizyka eksperymentalna zawdzięczamy odkryciu elektronu z jego specyficznymi właściwościami. Te odrębne i pozornie niezależne odkrycia doprowadziły do stworzenia podstaw optyki elektronowej, której jednym z najważniejszych zastosowań było wynalezienie EM w latach 30. XX wieku. Bezpośrednią wskazówką tej możliwości może być hipoteza o falowej naturze elektronu, wysunięta w 1924 r. przez Louisa de Broglie i potwierdzona eksperymentalnie w 1927 r. przez K. Davissona i L. Germera w USA oraz J. Thomsona w Anglii. Zasugerowano więc analogię, która umożliwiła skonstruowanie EM zgodnie z prawami optyki falowej. H. Bush odkrył, że obrazy elektroniczne można tworzyć za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. W pierwszych dwóch dekadach XX wieku stworzono również niezbędne warunki techniczne. Laboratoria przemysłowe pracujące nad oscyloskopem katodowym zapewniły technologię próżniową, stabilne źródła wysokiego napięcia i prądu oraz dobre emitery elektronów. W 1931 r. R. Rudenberg złożył wniosek patentowy na transmisyjny mikroskop elektronowy, a w 1932 r. M. Knoll i E. Ruska zbudowali pierwszy taki mikroskop, wykorzystujący soczewki magnetyczne do ogniskowania elektronów. Ten instrument był prekursorem współczesnego OPEM. (Ruska został nagrodzony za swoją pracę, zdobywając w 1986 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki). W 1938 r. Ruska i B. von Borris zbudowali prototyp przemysłowy OPEM dla firmy Siemens-Halske w Niemczech; instrument ten ostatecznie umożliwił osiągnięcie rozdzielczości 100 nm. Kilka lat później A. Prebus i J. Hiller zbudowali pierwszy OPEM o wysokiej rozdzielczości na Uniwersytecie w Toronto (Kanada). Szerokie możliwości OPEM stały się widoczne niemal natychmiast. Jego produkcja przemysłowa Została uruchomiona jednocześnie przez Siemens-Halske w Niemczech i RCA Corporation w USA. Pod koniec lat 40. inne firmy zaczęły produkować takie urządzenia. SEM w obecnej formie został wynaleziony w 1952 roku przez Charlesa Otleya. Co prawda wstępne wersje takiego urządzenia zostały zbudowane przez Knolla w Niemczech w latach 30. XX wieku i przez Zworykina z pracownikami korporacji RCA w latach 40., ale tylko urządzenie Otley mogło posłużyć jako podstawa do szeregu usprawnień technicznych, których kulminacją był wprowadzenie do produkcji przemysłowej wersji SEM w połowie lat 60-tych. Krąg konsumentów tak łatwego w obsłudze urządzenia z trójwymiarowym obrazem i elektronicznym sygnałem wyjściowym rozszerzył się z prędkością eksplozji. Obecnie istnieje kilkunastu przemysłowych producentów SEM na trzech kontynentach i dziesiątki tysięcy takich urządzeń wykorzystywanych w laboratoriach na całym świecie.W latach 60. XX wieku opracowano mikroskopy ultrawysokiego napięcia do badania grubszych próbek. 3,5 miliona woltów zostało oddane do użytku w 1970 r. RTM zostało wynalezione przez G. Binniga i G. Rohrera w Zurychu w 1979 r. To bardzo proste urządzenie zapewnia atomową rozdzielczość powierzchni. ) otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Zobacz też
KRYSZTAŁY I KRYSTALOGRAFIA ;
STRUKTURA CZĄSTECZKI;
KWASY NUKLEINOWE ;
FIZYKA PAŃSTWA SOLIDNEGO;
WIRUSY.
LITERATURA
Poliankevich A.N. Mikroskopy elektronowe. Kijów, 1976 Spence J. Eksperymentalna mikroskopia jonowa o wysokiej rozdzielczości. M., 1986
Encyklopedia Colliera. - Społeczeństwo Otwarte. 2000 .
Mikroskopia elektronowa to metoda badania struktur, które są poza widocznością mikroskopu świetlnego i mają wymiary mniejsze niż jeden mikron (od 1 mikrona do 1-5 Å).
Działanie mikroskopu elektronowego (rys.) opiera się na wykorzystaniu ukierunkowanego przepływu, który w mikroskopie świetlnym działa jak wiązka światła, a magnesy (soczewki magnetyczne) pełnią rolę soczewek.
Ze względu na to, że różne części badanego obiektu w różny sposób zatrzymują elektrony, na ekranie mikroskopu elektronowego uzyskuje się czarno-biały obraz badanego obiektu, powiększony dziesiątki i setki tysięcy razy. W biologii i medycynie stosuje się głównie transmisyjne mikroskopy elektronowe.
Mikroskopia elektronowa powstała w latach 30. XX wieku, kiedy uzyskano pierwsze obrazy niektórych wirusów (wirus mozaiki tytoniu i bakteriofagi). Obecnie mikroskopia elektronowa znalazła najszersze zastosowanie w wirusologii, powodując powstawanie nowych gałęzi nauki. W mikroskopii elektronowej obiektów biologicznych stosuje się specjalne metody przygotowania. Jest to niezbędne do identyfikacji poszczególnych składników badanych obiektów (komórek, bakterii, wirusów itp.), a także zachowania ich struktury w warunkach wysokiej próżni pod wpływem wiązki elektronów. Za pomocą mikroskopii elektronowej bada się zewnętrzny kształt obiektu, molekularną organizację jego powierzchni, za pomocą metody ultracienkich przekrojów bada się wewnętrzną strukturę obiektu.
Mikroskopia elektronowa w połączeniu z biochemicznymi, cytochemicznymi metodami badawczymi, immunofluorescencją i analizą dyfrakcji rentgenowskiej umożliwiają ocenę składu i funkcji elementy konstrukcyjne komórki i wirusy.
Mikroskop elektronowy lat 70. ubiegłego wieku
Mikroskopia elektronowa - badanie obiektów mikroskopowych za pomocą mikroskopu elektronowego.
Mikroskop elektronowy jest instrumentem elektronowo-optycznym o rozdzielczości kilku angstremów i umożliwia wizualne badanie drobnej struktury struktur mikroskopowych, a nawet niektórych cząsteczek.
Jako źródło elektronów do wytwarzania wiązki elektronów zastępującej wiązkę światła służy działo trójelektrodowe składające się z katody, elektrody sterującej i anody (rys. 1).
Ryż. 1. Pistolet trójelektrodowy: 1 - katoda; 2 - elektroda kontrolna; 3 - wiązka elektronów; 4 - anoda.
Soczewki elektromagnetyczne stosowane w mikroskopie elektronowym zamiast soczewek optycznych to wielowarstwowe solenoidy zamknięte w osłonkach z miękkiego materiału magnetycznego z niemagnetyczną szczeliną od wewnątrz (rys. 2).
Ryż. 2. Soczewka elektromagnetyczna: 1-biegunowa końcówka; 2 - mosiężny pierścień; 3 - uzwojenie; 4 - powłoka.
Pola elektryczne i magnetyczne generowane w mikroskopie elektronowym są osiowo symetryczne. Dzięki działaniu tych pól naładowane cząstki (elektrony) wyłaniające się z jednego punktu obiektu pod niewielkim kątem są ponownie gromadzone w płaszczyźnie obrazu. Cały układ elektronowo-optyczny zamknięty jest w kolumnie mikroskopu elektronowego (rys. 3).
Ryż. 3. Układ elektronowo-optyczny: 1 - elektroda kontrolna; 2 - membrana pierwszego kondensatora; 3 - membrana drugiego kondensatora; 4 - stygmatator drugiego kondensatora; 5 - obiekt; 6 - soczewka obiektywu; 7 - stygmatator soczewki obiektywu; 8 - stygmatator soczewki pośredniej; 9 - przysłona obiektywu projekcyjnego; 10 - katoda; 11 - anoda; 12 - pierwszy kondensator; 13 - drugi kondensator; 14 - korektor ostrości; 15 - stół do przechowywania przedmiotów; 16 - przysłona obiektywu; 17 - membrana selektora; 18 - soczewka pośrednia; 19 - obiektyw projekcyjny; 20 - ekran.
Wiązka elektronów wytworzona przez działo elektronowe kierowana jest w pole działania soczewek kondensatorowych, które umożliwiają zmianę gęstości, średnicy i apertury wiązki padającej na badany obiekt w szerokim zakresie. W komorze obiektu montowany jest stół, którego konstrukcja zapewnia ruch obiektu we wzajemnie prostopadłych kierunkach. W takim przypadku można konsekwentnie badać obszar równy 4 mm 2 i wybierać najciekawsze obszary.
Za kamerą obiektu znajduje się obiektyw, który pozwala uzyskać ostry obraz obiektu. Daje również pierwszy powiększony obraz obiektu, a za pomocą kolejnych soczewek pośrednich i projekcyjnych całkowity wzrost można zwiększyć do maksimum. Na ekranie pojawia się obraz obiektu, który świeci pod wpływem elektronów. Za ekranem znajdują się klisze fotograficzne. Stabilność działania działa elektronowego, a także klarowność obrazu wraz z innymi czynnikami (stałość wysokiego napięcia itp.) w dużej mierze zależą od głębokości rozrzedzenia w kolumnie mikroskopu elektronowego, a więc o jakości urządzenia w dużej mierze decyduje układ próżniowy (pompy, kanały pompujące, krany, zawory, uszczelnienia) (rys. 4). Wymagane podciśnienie wewnątrz kolumny uzyskuje się dzięki wysokiej wydajności pomp próżniowych.
Wstępna próżnia w całym systemie próżniowym tworzy mechaniczną pompę linii wstępnej, następnie uruchamia się pompa dyfuzyjna oleju; obie pompy są połączone szeregowo i zapewniają wysoką próżnię w kolumnie mikroskopu. Wprowadzenie pompy wspomagającej olej do układu mikroskopu elektronowego umożliwiło wyłączenie pompy przedniej na długi czas.
Ryż. Rys. 4. Schemat próżniowy mikroskopu elektronowego: 1 - pułapka chłodzona ciekłym azotem (zimna rura); 2 - zawór wysokiego podciśnienia; 3 - pompa dyfuzyjna; 4 - zawór obejściowy; 5 - mały cylinder buforowy; 6 - pompa wspomagająca; 7 - mechaniczna pompa próżniowa wstępnego rozrzedzania; 8 - zawór czterodrogowy; 9 - duży cylinder buforowy; 10 - kolumna mikroskopu elektronowego; 11 - zawór wlotu powietrza do kolumny mikroskopu.
Obwód elektryczny mikroskopu składa się ze źródeł wysokiego napięcia, żarzenia katodowego, zasilania soczewek elektromagnetycznych, a także układu dostarczającego zmienne napięcie sieciowe do silnika elektrycznego pompy próżniowej, pieca pompy dyfuzyjnej oraz oświetlenie panelu sterowania. Na zasilacz stawiane są bardzo wysokie wymagania: np. dla mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości stopień niestabilności wysokiego napięcia nie powinien przekraczać 5·10 -6 na 30 sek.
W wyniku emisji termicznej powstaje intensywna wiązka elektronów. Katoda, która jest żarnikiem wolframowym w kształcie litery V, jest ogrzewana przez generator wysokiej częstotliwości. Wygenerowane napięcie o częstotliwości oscylacji 100-200 kHz zapewnia monochromatyczną wiązkę elektronów. Zasilanie soczewek mikroskopu elektronowego zapewnia wysoce stabilizowany prąd stały.
Ryż. 5. Mikroskop elektronowy UEMV-100B do badania żywych mikroorganizmów.
Urządzenia są produkowane (rys. 5) z gwarantowaną rozdzielczością 4,5 Å; Oddzielne unikalne obrazy pokazują rozdzielczość 1,27 Å, zbliżoną do wielkości atomu. Użyteczny wzrost w tym przypadku wynosi 200 tys.
Mikroskop elektronowy to precyzyjny instrument, który wymaga specjalnych metod przygotowania. Obiekty biologiczne mają niski kontrast, dlatego konieczne jest sztuczne wzmocnienie kontrastu leku. Istnieje kilka sposobów na zwiększenie kontrastu preparatów. Gdy preparat jest cieniowany pod kątem platyną, wolframem, węglem itp., możliwe staje się określenie wymiarów we wszystkich trzech osiach przestrzennego układu współrzędnych na obrazach z mikroskopu elektronowego. Z pozytywnym kontrastem lek łączy się z rozpuszczalnymi w wodzie solami metali ciężkich (octan uranylu, tlenek ołowiu, nadmanganian potasu itp.). Przy ujemnym kontraście preparat jest otoczony cienką warstwą nieprzepuszczalnej dla elektronów substancji amorficznej o dużej gęstości (molibdenian amonu, octan uranylu, kwas fosfowolframowy itp.).
Mikroskopia elektronowa wirusów (wiroskopia) doprowadziła do znacznego postępu w badaniach ultracienkiej, submolekularnej struktury wirusów (patrz). Wraz z fizycznymi, biochemicznymi i genetycznymi metodami badawczymi do powstania i rozwoju biologii molekularnej przyczyniło się również zastosowanie mikroskopii elektronowej. Przedmiotem tej nowej gałęzi biologii jest submikroskopowa organizacja i funkcjonowanie komórek ludzkich, zwierzęcych, roślinnych, bakteryjnych i mykoplazmowych, a także organizacja riketsji i wirusów (ryc. 6). Wirusy, duże cząsteczki białka i kwasów nukleinowych (RNA, DNA), poszczególne fragmenty komórek (np. strukturę molekularną otoczki komórek bakteryjnych) można badać pod mikroskopem elektronowym po specjalnej obróbce: cieniowanie metalem, pozytyw lub negatywne barwienie octanem uranylu lub kwasem fosfowolframowym, a także innymi związkami (ryc. 7).
Ryż. Ryc. 6. Hodowla tkanek komórkowych tkanki serca małpy cynomolgus zakażonej wirusem ospy wietrznej (X 12.000): 1 - jądro; 2 - mitochondria; 3 - cytoplazma; 4 - wirus.
Ryż. 7. Wirus grypy (barwienie negatywne (X450 000): 1 - otoczka; 2 - rybonukleoproteina.
Stosując metodę negatywnego barwienia na powierzchni wielu wirusów, znaleziono regularnie ułożone grupy cząsteczek białek – kapsomerów (ryc. 8).
Ryż. 8. Fragment powierzchni kapsydu wirusa opryszczki. Widoczne pojedyncze kapsomery (X500 000): 1 - widok z boku; 2 - widok z góry.
Ryż. Ryc. 9. Ultracienki przekrój bakterii Salmonella typhimurium (X80 000): 1 - rdzeń; 2 - muszla; 3 - cytoplazma.
Wewnętrzną strukturę bakterii i wirusów, a także innych większych obiektów biologicznych, można zbadać dopiero po wycięciu ich ultratomem i przygotowaniu najcieńszych fragmentów o grubości 100-300 Å. (rys. 9). Dzięki ulepszonym metodom utrwalania, zatapiania i polimeryzacji obiektów biologicznych, zastosowaniu noży diamentowych i szklanych do ultratomii oraz zastosowaniu silnie kontrastowych związków do barwienia przekrojów seryjnych, możliwe było uzyskanie ultracienkich przekrojów nie tylko dużych, ale także najmniejsze wirusy ludzi, zwierząt, roślin i bakterii.
Jak działa mikroskop elektronowy? Czym różni się od mikroskopu optycznego, czy jest między nimi jakaś analogia?
Działanie mikroskopu elektronowego opiera się na właściwości niejednorodnych pól elektrycznych i magnetycznych, które mają symetrię obrotową, do wywierania efektu ogniskowania na wiązki elektronów. Tak więc rolę soczewek w mikroskopie elektronowym pełni zestaw odpowiednio obliczonych pól elektrycznych i magnetycznych; odpowiednie urządzenia, które tworzą te pola, nazywane są „soczewkami elektronicznymi”.
W zależności od rodzaju soczewek elektronicznych Mikroskopy elektronowe dzielą się na magnetyczne, elektrostatyczne i kombinowane.
Jakie obiekty można badać pod mikroskopem elektronowym?
Podobnie jak w przypadku mikroskopu optycznego, przedmioty, po pierwsze, mogą być „samoświecące”, czyli służyć jako źródło elektronów. Jest to na przykład katoda żarowa lub oświetlona katoda fotoelektronowa. Po drugie, można użyć obiektów, które są „przezroczyste” dla elektronów z określoną prędkością. Innymi słowy, podczas pracy w transmisji, obiekty muszą być wystarczająco cienkie, a elektrony wystarczająco szybkie, aby przejść przez obiekty i wejść do układu soczewek elektronicznych. Dodatkowo za pomocą odbitych wiązek elektronów można badać powierzchnie masywnych obiektów (głównie metali i próbek metalizowanych). Ta metoda obserwacji jest podobna do metod optycznej mikroskopii odbiciowej.
Ze względu na charakter badania obiektów mikroskopy elektronowe dzielą się na transmisję, odbicie, emisję, raster, cień i lustro.
Najpopularniejszymi obecnie są mikroskopy elektromagnetyczne typu transmisyjnego, w których obraz tworzą elektrony przechodzące przez obiekt obserwacji. Składa się z następujących głównych elementów: systemu oświetlenia, kamery obiektowej, systemu ogniskowania oraz jednostki rejestracji obrazu końcowego składającej się z kamery i ekranu fluorescencyjnego. Wszystkie te węzły są ze sobą połączone, tworząc tak zwaną kolumnę mikroskopową, wewnątrz której utrzymywane jest ciśnienie. System oświetleniowy składa się zwykle z trójelektrodowego działa elektronowego (katoda, elektroda skupiająca, anoda) oraz soczewki kondensora (mowa o soczewkach elektronicznych). Formuje wiązkę szybkich elektronów o pożądanym przekroju i natężeniu i kieruje ją na badany obiekt znajdujący się w komorze obiektu. Wiązka elektronów przechodząca przez obiekt wchodzi do układu ogniskowania (projekcyjnego), który składa się z soczewki obiektywu i jednej lub więcej soczewek projekcyjnych.
urządzenie do obserwacji i fotografowania wielokrotnie (do 10 6 razy) powiększonego obrazu obiektów, w którym zamiast promieni świetlnych zastosowano wiązki przyspieszone do wysokich energii (30-100 keV lub więcej) w głębokiej próżni. Fizyczne podstawy instrumentów optycznych z wiązką korpuskularną położył w 1834 roku (prawie sto lat przed pojawieniem się mikroskopu elektronowego) W.R., który ustalił analogie między promieniami świetlnymi w optycznie niejednorodnych ośrodkach a trajektoriami cząstek w polach sił. Celowość stworzenia mikroskopu elektronowego stała się oczywista po zaawansowaniu około 1924 roku, a warunki techniczne zostały stworzone przez niemieckiego fizyka X. Busha, który badał osiowosymetryczne pola ogniskowania i opracował magnetyczną soczewkę elektronową (1926). W 1928 roku niemieccy naukowcy M. Knoll i E. Ruska przystąpili do stworzenia pierwszego elektronowego mikroskopu z transmisją magnetyczną (TEM), a trzy lata później uzyskali obraz obiektu utworzonego przez wiązki. W kolejnych latach (M. von Ardenne, 1938; V.K., 1942) zbudowano pierwszy skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), działający na zasadzie skanowania (rozmieszczenia), czyli cienkiej wiązki elektronów przemieszczającej się sekwencyjnie z punktu do punktu ( sondy) na obiekcie. W połowie lat sześćdziesiątych. SEM osiągnęły wysoką techniczną doskonałość i od tego czasu ich zastosowanie badania naukowe. TEMs mają najwyższy (PC), przewyższając mikroskopy świetlne w tym parametrze kilka tysięcy razy. T. rz. granica rozdzielczości, która charakteryzuje urządzenie do wyświetlania osobno małych, jak najbliżej szczegółów obiektu, dla TEM wynosi 2-3 . W sprzyjających warunkach można fotografować pojedyncze ciężkie atomy. Fotografując struktury okresowe, takie jak sieci atomowe kryształów, można uzyskać rozdzielczość mniejszą niż 1 . Tak wysokie rozdzielczości są osiągane dzięki wyjątkowo krótkiej długości (patrz ). Optymalna przysłona [patrz. w optyce elektronowej (i jonowej)] można zredukować (wpływając na mikroskop elektronowy PC) z wystarczająco małym błędem dyfrakcji. skuteczne metody korekta w mikroskopie elektronowym (patrz ) nie została znaleziona. Dlatego w TEM, magnetyczne (EL), które mają mniejsze , całkowicie zastąpiły elektrostatyczne EL. Produkowane są PEM do różnych celów. Można je podzielić na 3 grupy: mikroskop elektronowy wysokiej rozdzielczości, uproszczony TEM oraz mikroskop elektronowy o dużym akceleracji.
TEM o wysokiej rozdzielczości(2-3 Å) - podobne, wielofunkcyjne urządzenia. Za pomocą dodatkowych urządzeń i przystawek w nich można pochylić obiekt pod różnymi dużymi kątami do osi optycznej, ogrzać, schłodzić, odkształcić, przeprowadzić badania metodami itp. Przyspieszający elektron osiąga 100-125 kV, jest regulowany krokowo i jest bardzo stabilny: 1-3 minuty zmienia się nie więcej niż o 1-2 milionowe części oryginału. Obraz typowego TEM opisanego typu pokazano na Ryż. jeden. W jego układzie optycznym (kolumnie) wytwarzana jest próżnia za pomocą specjalnego systemu próżniowego (do 10 -6 mm Hg). Schemat układu optycznego TEM pokazano na Ryż. 2. Wiązka, która jest obsługiwana przez rozgrzaną katodę, (jest formowana w, a następnie dwukrotnie skupiana przez pierwszy i drugi kondensator, tworząc na obiekcie elektroniczną „plamkę” o niewielkich rozmiarach (przy regulacji plamki może wynosić od 1 do 20 mikronów).Następnie część jest rozpraszana przez obiekt i opóźniana przez przysłonę.Nierozproszone elektrony przechodzą przez otwór przysłony i są skupiane na soczewce pośredniej obiektu.Tu powstaje pierwszy powiększony obraz.Kolejne soczewki tworzą drugi , trzeci, itd. Ostatnia soczewka projekcyjna tworzy obraz na ekranie fluorescencyjnym, który świeci pod wpływem elektronów.Powiększenie Mikroskop elektronowy jest równy powiększeniom wszystkich soczewek.Stopień i charakter rozpraszania elektronów nie są takie same przy różnych punktach obiektu, ponieważ grubość i skład chemiczny obiektu zmienia się z punktu na punkt. W związku z tym zmienia się liczba elektronów opóźnionych przez przesłonę aperturową po przejściu przez różne punkty obiektu, a co za tym idzie, gęstość prądu ale na obrazie, który jest konwertowany na ekran. Pod ekranem znajduje się sklep z kliszami fotograficznymi. Podczas fotografowania ekran jest usuwany, a elektrony działają na warstwę fotoemulsji. Obraz jest ogniskowany płynną zmianą prądu wzbudzającego obiektyw. Prądy innych soczewek są dostosowane do zmiany powiększenia Mikroskop elektronowy
Ryż. 3. Mikroskop elektronowy superwysokiego napięcia (SVEM): 1 - zbiornik, do którego pompowany jest gaz elektroizolacyjny (SF6) do ciśnienia 3-5 atm; 2 - działo elektronowe; 3 - rura przyspieszająca; 4 - kondensatory źródła wysokiego napięcia; 5 - blok soczewek kondensora; 6 - soczewka; 7, 8, 9 - soczewki projekcyjne; 10 - mikroskop świetlny; 11 - panel sterowania.
Skaningowy Mikroskop Elektronowy (SEM) z katodą żarową są przeznaczone do badania masywnych obiektów o rozdzielczości od 70 do 200 Å. Moc przyspieszenia w SEM można regulować w zakresie od 1 do 30-50 m2.
Urządzenie skaningowego mikroskopu elektronowego pokazano na: Ryż. cztery. Używając 2 lub 3 EL, wąska sonda elektronowa skupia się na próbce. Deflektory magnetyczne rozmieszczają sondę na określonym obszarze obiektu. Kiedy sonda wchodzi w interakcję z obiektem, istnieje kilka typów ( Ryż. 5) - elektrony wtórne i odbite; elektrony, które przeszły przez obiekt (jeśli jest cienki); prześwietlenie i charakterystyka; promieniowanie itp.
Ryż. 5. Schemat rejestracji informacji o przedmiocie uzyskanych w PMŚ. 1 - pierwotna wiązka elektronów; 2 - detektor elektronów wtórnych; 3 - detektor promieni rentgenowskich; 4 - detektor odbitych elektronów; 5 - detektor promieniowania świetlnego; 6 - detektor przepuszczonych elektronów; 7 - urządzenie do pomiaru potencjału elektrycznego indukowanego na obiekcie; 8 - urządzenie do pomiaru prądu elektronów przechodzących przez obiekt; 9 - urządzenie do pomiaru prądu elektronów zaabsorbowanych w obiekcie.
Każde z tych promieniowania może być rejestrowane przez odpowiedni kolektor zawierający czujnik zamieniający na promieniowanie elektryczne, które po wzmocnieniu jest podawane do (CRT) i moduluje jego wiązkę. Wiązka CRT jest skanowana przez skanowanie sondy elektronowej w SEM, a na ekranie CRT obserwuje się powiększony obraz obiektu. Wzrost jest równy stosunkowi wysokości ramki na ekranie CRT do szerokości skanowanego obiektu. Fotografuj obraz bezpośrednio z ekranu CRT. Główną zaletą SEM jest wysoka zawartość informacyjna urządzenia, dzięki możliwości obserwacji obrazu za pomocą różnych sensorów. Korzystając z SEM, możesz zbadać skład chemiczny obiektu, przejścia p-n, produkcję i wiele więcej. Próbka jest zwykle badana bez wcześniejszego przygotowania. SEM znajduje zastosowanie w procesy technologiczne(wady wiórów itp.). Wysoki dla SEM PC jest realizowany podczas obrazowania przy użyciu wtórnego . Jest to określone przez średnicę strefy, z której te elektrony są emitowane. Z kolei wielkość strefy zależy od średnicy sondy, właściwości obiektu, elektronów wiązki pierwotnej itp. Przy dużej głębokości penetracji elektronów pierwotnych procesy wtórne rozwijające się we wszystkich kierunkach zwiększają średnicę strefy i zmniejsza się PC. Detektor elektronów wtórnych składa się z (PMT) i konwertera elektron-foton, którego głównym elementem jest z dwoma - ekstraktorem w postaci siatki, która jest pod dodatnim potencjałem (do kilkuset V), oraz przyspieszający; ten ostatni nadaje przechwyconym elektronom wtórnym energię niezbędną do . Około 10 kV jest przyłożone do elektrody przyspieszającej; zwykle jest to powłoka aluminiowa na scyntylatorze. Liczba błysków scyntylatora jest proporcjonalna do liczby wybitych w danym punkcie obiektu wtórnych. Po wzmocnieniu w PMT i do sygnału wiązka CRT moduluje. Wielkość sygnału zależy od próbki, obecności lokalnych mikropól elektrycznych i magnetycznych o wartości , która z kolei zależy od składu chemicznego próbki w danym punkcie. Odbite elektrony są rejestrowane przez półprzewodnik (krzem). Kontrast obrazu wynika z zależności od kąta padania wiązki pierwotnej i liczby atomowej. Rozdzielczość obrazu uzyskanego „w odbitych elektronach” jest niższa niż uzyskana przy użyciu wtórnych (czasami o rząd wielkości). Ze względu na prostoliniowość lotu elektronów do kolektora tracone są informacje o poszczególnych odcinkach, z których nie ma bezpośredniej drogi do kolektora (pojawiają się cienie). Charakterystykę przydziela albo kryształowy detektor rentgenowski, albo czujnik dyspersyjny energii – detektor półprzewodnikowy (zazwyczaj wykonany z czystego krzemu domieszkowanego litem). W pierwszym przypadku kwanty rentgenowskie po odbiciu przez kryształ spektrometru są rejestrowane przez gaz, a w drugim sygnał pobierany z półprzewodnika jest wzmacniany przez niskoszumowy (który jest chłodzony ciekłym azotem w celu redukcji szumów). ) i późniejszego systemu wzmocnienia. Sygnał z kryształu moduluje wiązkę CRT, a na ekranie pojawia się jeden lub drugi obraz. pierwiastek chemiczny według obiektu. SEM produkuje również lokalne prześwietlenie. Detektor dyspersyjny energii rejestruje wszystkie pierwiastki od Na do U z wysoką czułością. Spektrometr kryształowy wykorzystujący zestaw kryształów o różnych (patrz) pokrywach międzypłaszczyznowych od Be do U. Istotną wadą SEM jest długi czas trwania procesu „usuwania” informacji podczas badania obiektów. Stosunkowo wysoki PC można uzyskać przy użyciu sondy elektronowej o wystarczająco małej średnicy. Ale jednocześnie sonda maleje, w wyniku czego gwałtownie wzrasta wpływ , który zmniejsza stosunek sygnału użytecznego do szumu. Aby stosunek sygnału do szumu nie spadł poniżej danego poziomu, konieczne jest spowolnienie skanowania w celu zgromadzenia wystarczająco dużej liczby pierwotnych (i odpowiadających im wtórnych) w każdym punkcie obiektu. W rezultacie PC jest wdrażany tylko przy niskich prędkościach przemiatania. Czasami jedna ramka powstaje w ciągu 10-15 minut.
Ryż. Rys. 6. Schemat ideowy transmisyjnego skaningowego mikroskopu elektronowego (TSEM): 1 – katoda emisji polowej; 2 - anoda pośrednia; 3 - anoda; 4 - system odchylania do wyrównania belek; 5 - otwór „oświetlacza”; 6, 8 - układy odchylające do skanowania sondy elektronicznej; 7 - magnetyczna soczewka długoogniskowa; 9 - przesłona aperturowa; 10 - soczewka magnetyczna; 11 - obiekt; 12, 14 - systemy odchylające; 13 - kolektor pierścieniowy rozproszonych elektronów; 15 - kolektor nierozproszonych elektronów (usuwany podczas pracy ze spektrometrem); 16 - spektrometr magnetyczny, w którym wiązki elektronów są obracane przez pole magnetyczne o 90°; 17 - układ odchylający do selekcji elektronów o różnych stratach energii; 18 - szczelina spektrometru; 19 - kolektor; VE - strumień elektronów wtórnych hn - promieniowanie rentgenowskie.
SEM z pistoletem do emisji polowej mają wysoki dla SEM PC (do 30 Å ). W dziale z emisją polową (jak w ) stosuje się katodę w postaci końcówki, na szczycie której działa silna siła, która wyciąga elektrony z katody (patrz). Jasność elektroniczna działa z katodą emisji pola jest 10 3 -10 4 razy większa niż w przypadku działa z katodą żarową. Odpowiednio wzrasta prąd sondy elektronowej. Dlatego w SEM z pistoletem do emisji polowej wykonywane są szybkie przemiatania, a sonda jest redukowana w celu zwiększenia PC. Jednak katoda emisji pola działa stabilnie tylko przy ultrawysokiej próżni (10 -9 -10 -11 mmHg), co komplikuje projektowanie takich SEM i ich działanie.
Transmisyjny skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) mieć taki sam wysoki komputer jak TEM. Urządzenia te wykorzystują pistolety do emisji polowej, które zapewniają wystarczającą ilość w sondzie o średnicy do 2-3 Å. Na Ryż. 6 pokazano schematyczne przedstawienie SEM. Dwa zmniejszają średnicę sondy. Poniżej obiektu znajdują się - centralna i obwodnica. Nierozproszone elektrony padają na pierwszy z nich, a po wzmocnieniu odpowiednich sygnałów na ekranie CRT pojawiają się tak zwane „elektrony”. obraz w jasnym polu. Rozproszone elektrony zbierane są na detektorze pierścieniowym, tworząc tzw. obraz w ciemnym polu. W PREM można badać grubsze obiekty niż w TEM, ponieważ wzrost liczby nieelastycznie rozproszonych obiektów wraz z grubością nie wpływa na rozdzielczość (w PREM nie ma optyki za obiektem). Za pomocą energii elektrony, które przeszły przez obiekt, zostają rozdzielone na elastycznie i nieelastycznie rozproszone wiązki. Każda wiązka trafia na własny detektor, a odpowiedni obraz jest obserwowany na CRT, zawierający Dodatkowe informacje o rozpraszającym się obiekcie. Wysoka rozdzielczość w STEM jest osiągana przy powolnych przemiataniach, ponieważ w sondzie o średnicy zaledwie 2–3 Å prąd jest zbyt niski.
Mikroskop elektronowy typu mieszanego. Połączenie w jednym instrumencie zasad obrazowania wiązką stałą (jak w TEM) i skanowaniem cienkiej sondy nad obiektem pozwoliło na wykorzystanie zalet TEM, SEM i STEM w takim mikroskopie elektronowym. Obecnie wszystkie TEM-y zapewniają możliwość obserwacji obiektów w trybie rastrowym (za pomocą soczewek kondensorowych i tworzenia zredukowanego obrazu, który jest skanowany nad obiektem przez układy odchylające). Oprócz obrazu tworzonego przez wiązkę stacjonarną, obrazy rastrowe uzyskuje się na ekranach CRT z wykorzystaniem elektronów transmitowanych i wtórnych, charakterystycznych itp. System optyczny Taki TEM, znajdujący się za obiektem, umożliwia pracę w trybach niemożliwych do zrealizowania w innych urządzeniach. Na przykład można jednocześnie obserwować na ekranie CRT i obraz tego samego obiektu na ekranie urządzenia.
emisja E. m. stworzyć obraz przedmiotu w elektronach, który sam przedmiot emituje po podgrzaniu przez wiązkę pierwotną i po przyłożeniu silnego pola elektrycznego, które wyciąga elektrony z przedmiotu. Urządzenia te mają zwykle wąski cel.
Mikroskop elektronowy SLR służą głównie do wizualizacji elektrostatycznego „odciążenia potencjału” i mikropola magnetycznego na obiekcie. Głównym elementem optycznym urządzenia jest, a jednym z obiektów jest sam obiekt, który ma niewielki ujemny potencjał w stosunku do katody pistoletu. Wiązka elektronów kierowana jest na lustro i odbijana przez pole w bezpośrednim sąsiedztwie obiektu. Lustro tworzy obraz "w odbitych wiązkach" na ekranie. Mikropola w pobliżu powierzchni obiektu redystrybuują elektrony odbitych wiązek, tworząc wizualizację tych mikropól na obrazie.
Perspektywy rozwoju Mikroskop elektronowy Zwiększenie PC w obrazach obiektów nieokresowych do 1 Å i więcej umożliwi rejestrację nie tylko ciężkich, ale również lekkich atomów i wizualizację na poziomie atomowym. Aby stworzyć mikroskop elektronowy o podobnej rozdzielczości, zwiększa się moc przyspieszania. Ser. fizyczne”, t. 34, 1970; Jastrzębie, P., ja, przeł. z angielskiego, M., 1974; Derkach V.P., Kiyashko G.F., Kukharchuk M.S., Electron probe devices, K., 1974; Stoyanova I.G., Anaskin I.F., Fizyczne podstawy metod transmisyjnej mikroskopii elektronowej, M., 1972; Oatley C.W., Skaningowy mikroskop elektronowy, Camb., 1972; Grivet P., Optyka elektronowa, wyd. 2, Oxf., 1972.
