Microscopul electronic nu este numit astfel, deoarece folosește orice componente care conțin electronice - deși sunt mai multe decât suficiente. Dar principalul lucru este că, în loc de un flux de raze de lumină care transportă informații despre un obiect și pe care le putem vedea pur și simplu apropiindu-ne ochii de oculare, un microscop electronic folosește un flux de electroni - exact la fel ca într-un ocular convențional. TELEVIZOR. Vom putea observa o imagine asemănătoare cu cea de televiziune pe un ecran acoperit cu un compus special care strălucește atunci când un flux de electroni îl lovește. Dar cum se mărește un microscop electronic?
Faptul este că, așa cum sticla unei lentile obișnuite schimbă cursul razelor de lumină, câmpurile magnetice și electrice modifică mișcarea fluxului de electroni, ceea ce face posibilă focalizarea „fasciurilor” de electroni cu aceleași efecte ca în cazul obișnuit „ sistem optic de lumină din sticlă. Cu toate acestea, datorită dimensiunii extrem de mici a electronilor și a „refracției” semnificative a fasciculelor de electroni, mărirea imaginii este de aproximativ o mie de ori mai mare decât cea a unui microscop optic. În locul ocularelor cunoscute nouă într-un microscop electronic, imaginea este fie proiectată pe un ecran luminiscent foarte mic, de pe care observatorul o examinează într-un microscop optic familiar cu o ușoară creștere, fie folosind un convertor optic-electronic, este afișat pe un ecran de televiziune convențional sau - care este cel mai des folosit la practică - fixat pe o placă fotografică. Pentru un microscop electronic, nu există un parametru precum acuratețea culorii, deoarece culoarea este o proprietate a razelor de lumină, nu a electronilor. Nu există culoare în microcosmos, prin urmare imaginile „color” obținute cu un microscop electronic nu sunt altceva decât o convenție. 
Acesta a fost aproximativ principiul de funcționare al primului microscop electronic din istorie, potrivit clasificarea existenta a aparținut microscoapelor OPEM - „un microscop electronic cu transmisie convențional”, în exterior semăna mai mult cu o mașină mare de prelucrare a metalelor decât cu un microscop, așa cum îl vedeau oamenii în secolul și jumătate precedent. În acest dispozitiv, care oferă o creștere de până la un milion de ori, proba a fost „arată prin” printr-un flux de electroni care se mișcă într-o direcție constantă. Puțin mai târziu, au apărut microscoapele electronice cu scanare, în care un fascicul de electroni focalizat la dimensiuni subatomice „scanează” suprafața probei, iar imaginea este observată pe ecranul monitorului. De fapt, „mărirea” unui microscop de scanare este, de asemenea, o convenție, este raportul dintre dimensiunea ecranului și dimensiunea obiectului scanat original. Pe un astfel de dispozitiv o persoană a putut vedea pentru prima dată atomi individuali. Până acum, aceasta este limita posibilităților tehnologice. Și, de fapt, lumea particulelor elementare este atât de diferită de a noastră, încât este puțin probabil să reușim să o înțelegem până la sfârșit, chiar dacă o vedem cu ochii noștri.
MICROSCOP ELECTRONIC
un dispozitiv care vă permite să obțineți o imagine mult mărită a obiectelor, folosind electroni pentru a le ilumina. Un microscop electronic (EM) face posibilă vizualizarea detaliilor care sunt prea mici pentru a fi rezolvate cu un microscop ușor (optic). EM este unul dintre cele mai importante instrumente pentru cercetarea științifică fundamentală a structurii materiei, în special în domenii ale științei precum biologia și fizica stării solide. Există trei tipuri principale de EM. În anii 1930, microscopul electronic cu transmisie convențional (CTEM) a fost inventat, în anii 1950, microscopul electronic cu scanare (scanare) (SEM), iar în anii 1980, microscopul cu scanare tunel (RTM). Aceste trei tipuri de microscoape se completează reciproc în studiul structurilor și materialelor de diferite tipuri.
MICROSCOP ELECTRONAL CON TRANSMIȚIE CONVENȚIONAL
OPEM este în multe privințe similar cu un microscop cu lumină, vezi MICROSCOP, doar pentru iluminarea probelor folosește nu lumină, ci un fascicul de electroni. Conține un proiector electronic (vezi mai jos), o serie de lentile condensatoare, o lentilă obiectiv și un sistem de proiecție care se potrivește cu ocularul, dar proiectează imaginea reală pe un ecran fluorescent sau pe o placă fotografică. Sursa de electroni este de obicei un catod încălzit din tungsten sau hexaborură de lantan. Catodul este izolat electric de restul dispozitivului, iar electronii sunt accelerați de un câmp electric puternic. Pentru a crea un astfel de câmp, catodul este menținut la un potențial de ordinul -100.000 V față de alți electrozi, care concentrează electronii într-un fascicul îngust. Această parte a dispozitivului se numește reflector de electroni (vezi PIST ELECTRONIC). Deoarece electronii sunt puternic împrăștiați de materie, trebuie să existe un vid în coloana microscopului unde se mișcă electronii. Menține o presiune care nu depășește o miliardime din presiunea atmosferică.
Optica electronica. O imagine electronică este formată de câmpuri electrice și magnetice în același mod în care o imagine luminoasă este formată de lentile optice. Principiul de funcționare al unei lentile magnetice este ilustrat printr-o diagramă (Fig. 1). Câmpul magnetic creat de spirele bobinei prin care trece curentul acționează ca o lentilă convergentă, distanta focala care poate fi schimbat prin schimbarea curentului. Deoarece puterea optică a unei astfel de lentile, i.e. capacitatea de a focaliza electronii depinde de puterea câmpului magnetic din apropierea axei; pentru a-l crește, este de dorit să se concentreze câmpul magnetic în cel mai mic volum posibil. În practică, acest lucru se realizează prin faptul că bobina este aproape complet acoperită cu o „blimă” magnetică dintr-un aliaj special de nichel-cobalt, lăsând doar un spațiu îngust în partea sa interioară. Câmpul magnetic creat în acest fel poate fi de 10-100 de mii de ori mai puternic decât câmpul magnetic al Pământului de pe suprafața pământului.
Schema OPEM este prezentată în fig. 2. Un rând de lentile de condensare (doar ultima prezentată) concentrează fasciculul de electroni asupra eșantionului. De obicei, prima creează o imagine nemărită a sursei de electroni, în timp ce cea din urmă controlează dimensiunea zonei iluminate de pe eșantion. Diafragma ultimei lentile condensatoare determină lățimea fasciculului în planul obiectului. Proba este plasată în câmpul magnetic al unei lentile obiectiv de mare putere, cea mai importantă lentilă OPEM, care determină rezoluția maximă posibilă a instrumentului. Aberațiile unui obiectiv sunt limitate de deschiderea acestuia, așa cum sunt într-o cameră sau un microscop cu lumină. O lentilă obiectiv oferă o imagine mărită a obiectului (de obicei cu o mărire de ordinul a 100); mărirea suplimentară introdusă de lentilele intermediare și de proiecție variază de la puțin mai puțin de 10 până la puțin mai mult de 1000. Astfel, mărirea care poate fi obținută în OPEM-urile moderne este de la mai puțin de 1000 la 1.000.000 MICROSCOPUL ELECTRONIC.(La o mărire de de un milion de ori grapefruitul crește până la dimensiunea Pământului.) Obiectul de examinat este de obicei așezat pe o plasă foarte fină plasată într-un suport special. Suportul poate fi deplasat mecanic sau electric ușor în sus și în jos și la stânga și la dreapta.
Imagine. Contrastul în OPEM se datorează împrăștierii electronilor în timpul trecerii unui fascicul de electroni prin probă. Dacă proba este suficient de subțire, atunci fracția de electroni împrăștiați este mică. Când electronii trec printr-o probă, unii dintre ei se împrăștie din cauza ciocnirilor cu nucleele atomilor probei, alții din cauza ciocnirilor cu electronii atomilor, iar alții trec fără a suferi împrăștiere. Gradul de împrăștiere în orice regiune a probei depinde de grosimea probei din acea regiune, densitatea acesteia și de masa atomică medie (numărul de protoni) în acel punct. Electronii care părăsesc diafragma cu o abatere unghiulară care depășește o anumită limită nu se mai pot întoarce la fasciculul purtător de imagini și, prin urmare, zonele puternic împrăștiate cu densitate crescută, grosime crescută și locațiile atomilor grei arată ca zone întunecate pe un fundal deschis în interior. imagine. O astfel de imagine se numește câmp luminos deoarece câmpul înconjurător este mai luminos decât obiectul. Dar este posibil să se facă astfel încât sistemul electric de deviere să treacă doar unul sau altul dintre electronii împrăștiați în diafragma lentilei. Apoi eșantionul arată strălucitor în câmpul întunecat. Un obiect cu împrăștiere slabă este adesea mai convenabil de vizualizat în modul câmp întunecat. Imaginea electronică finală mărită este făcută vizibilă prin intermediul unui ecran fluorescent care strălucește sub influența bombardamentului electronic. Această imagine, de obicei cu contrast scăzut, este de obicei vizualizată printr-un microscop cu lumină binoculară. Cu aceeași luminozitate, un astfel de microscop cu o mărire de 10 poate crea o imagine pe retină care este de 10 ori mai mare decât atunci când este observată cu ochiul liber. Uneori, un ecran cu fosfor cu un tub intensificator de imagine este folosit pentru a crește luminozitatea unei imagini slabe. În acest caz, imaginea finală poate fi afișată pe un ecran de televizor convențional, permițându-i să fie înregistrată pe casetă video. Înregistrarea video este folosită pentru a înregistra imagini care se modifică în timp, de exemplu, din cauza unei reacții chimice. Cel mai adesea, imaginea finală este înregistrată pe folie fotografică sau pe placă fotografică. O placă fotografică face de obicei posibilă obținerea unei imagini mai clare decât cea observată cu ochiul liber sau înregistrată pe casetă video, deoarece materialele fotografice, în general, înregistrează electronii mai eficient. În plus, de 100 de ori mai multe semnale pot fi înregistrate pe unitatea de suprafață a filmului fotografic decât pe unitatea de suprafață a casetei video. Datorită acestui fapt, imaginea înregistrată pe film poate fi mărită și mai mult de aproximativ 10 ori fără pierderea clarității.
Permisiune. Fasciculele de electroni au proprietăți similare cu cele ale fasciculelor de lumină. În special, fiecare electron este caracterizat de o anumită lungime de undă. Rezoluția EM este determinată de lungimea de undă efectivă a electronilor. Lungimea de undă depinde de viteza electronilor și, în consecință, de tensiunea de accelerare; cu cât tensiunea de accelerare este mai mare, cu atât viteza electronilor este mai mare și lungimea de undă este mai mică și, prin urmare, rezoluția este mai mare. Un astfel de avantaj semnificativ al EM în puterea de rezoluție se explică prin faptul că lungimea de undă a electronilor este mult mai mică decât lungimea de undă a luminii. Dar din moment ce lentilele electronice nu focalizează la fel de bine ca cele optice (apertura numerică a unui obiectiv electronic bun este de doar 0,09, în timp ce pentru o lentilă optică bună această valoare ajunge la 0,95), rezoluția EM este de 50-100 lungimi de undă de electroni. Chiar și cu lentile atât de slabe într-un microscop electronic, o limită de rezoluție de aprox. 0,17 nm, ceea ce face posibilă distingerea atomilor individuali în cristale. Pentru a obține rezoluția acestei ordine, este necesară o reglare foarte atentă a instrumentului; în special, sunt necesare surse de alimentare foarte stabile, iar instrumentul în sine (care poate avea aproximativ 2,5 m înălțime și are o masă de câteva tone) și echipament optional necesită montaj fără vibrații.
MICROSCOP ELECTRON RASTER
SEM, care a devenit cel mai important instrument pentru cercetarea științifică, servește bun plus OPEM. SEM-urile folosesc lentile de electroni pentru a focaliza un fascicul de electroni într-un punct foarte mic. Este posibil să reglați SEM astfel încât diametrul spotului în el să nu depășească 0,2 nm, dar, de regulă, este de câțiva sau zeci de nanometri. Acest punct rulează continuu în jurul unei părți a eșantionului, similar cu un fascicul care rulează în jurul ecranului unui tub de televiziune. Un semnal electric care apare atunci când un obiect este bombardat de fascicul de electroni este utilizat pentru a forma o imagine pe ecranul unui cinescop de televiziune sau al unui tub cu raze catodice (CRT), a cărui măturare este sincronizată cu sistemul de deviere a fasciculului de electroni (Fig. 3). ). Mărirea în acest caz este înțeleasă ca raportul dintre dimensiunea imaginii de pe ecran și dimensiunea zonei pe care fasciculul se întinde pe eșantion. Această creștere este de la 10 la 10 milioane.
Interacțiunea fasciculului de electroni focalizat cu atomii eșantionului poate duce nu numai la împrăștierea lor, care este folosită pentru a obține o imagine în OPEM, ci și la excitația cu raze X, emisia de lumină vizibilă și emisia de electroni secundari. În plus, deoarece SEM are doar lentile de focalizare în fața eșantionului, face posibilă studierea mostrelor „groase”.
SEM reflectorizant. SEM reflectorizant este destinat studierii mostrelor masive. Deoarece contrastul care apare la înregistrarea reflectat, i.e. de electroni retroîmprăștiați și secundari, este legat în principal de unghiul de incidență al electronilor pe probă, structura suprafeței este dezvăluită în imagine. (Intensitatea retroîmprăștierii și adâncimea la care are loc depind de energia electronilor fasciculului incident. Emisia de electroni secundari este determinată în principal de compoziția suprafeței și de conductivitatea electrică a probei.) Ambele semnalele transportă informaţii despre caracteristici generale probă. Datorită convergenței mici a fasciculului de electroni, este posibil să se efectueze observații cu o adâncime de câmp mult mai mare decât atunci când se lucrează cu un microscop luminos și să se obțină excelente micrografii tridimensionale ale suprafețelor cu un relief foarte dezvoltat. Prin înregistrarea radiațiilor de raze X emise de o probă, este posibilă, pe lângă datele despre relief, să se obțină informații despre compoziția chimică a probei în stratul de suprafață cu adâncimea de 0,001 mm. Compoziția materialului de pe suprafață poate fi judecată și din energia măsurată cu care sunt emiși anumiți electroni. Toate dificultățile de lucru cu SEM se datorează în principal sistemelor sale de înregistrare și vizualizare electronică. Dispozitivul cu o gamă completă de detectoare, împreună cu toate funcțiile SEM, asigură modul de funcționare al microanalizatorului cu sondă de electroni.
Microscop electronic cu transmisie cu scanare. Un microscop electronic cu transmisie cu scanare (STEM) este un tip special de SEM. Este conceput pentru probe subțiri, la fel ca cele studiate în OPEM. Schema RPEM diferă de schema din Fig. 3 doar pentru că nu are detectoare amplasate deasupra probei. Deoarece imaginea este formată dintr-un fascicul care se deplasează (mai degrabă decât un fascicul care iluminează întreaga zonă a probei studiate), este necesară o sursă de electroni de mare intensitate pentru ca imaginea să poată fi înregistrată într-un timp rezonabil. RTEM de înaltă rezoluție folosește emițători de câmp de înaltă luminozitate. Într-o astfel de sursă de electroni, se creează un câmp electric foarte puternic (aprox. V/cm) lângă suprafața unui fir de tungsten cu diametru foarte mic ascuțit prin gravare. Acest câmp trage literalmente miliarde de electroni din fir fără nicio încălzire. Luminozitatea unei astfel de surse este de aproape 10.000 de ori mai mare decât cea a unei surse cu un fir de wolfram încălzit (vezi mai sus), iar electronii emiși pot fi focalizați într-un fascicul cu un diametru mai mic de 1 nm. S-au obținut chiar și fascicule, al căror diametru este aproape de 0,2 nm. Sursele autoelectronice pot funcționa doar în condiții de vid ultra-înalt (la presiuni sub Pa), în care nu există contaminanți precum hidrocarburile și vaporii de apă și devine posibilă obținerea de imagini de înaltă rezoluție. Datorită acestor condiții ultrapure, este posibil să se studieze procese și fenomene care sunt inaccesibile EM-urilor cu sisteme de vid convenționale. Cercetările în RPEM se desfășoară pe probe ultrasubțiri. Electronii trec prin astfel de mostre aproape fără împrăștiere. Se înregistrează electronii împrăștiați la unghiuri mai mari de câteva grade fără decelerare, căzând pe un electrod inel situat sub probă (Fig. 3). Semnalul preluat de la acest electrod este foarte dependent de numărul atomic al atomilor din regiunea prin care trec electronii - atomii mai grei împrăștie mai mulți electroni în direcția detectorului decât cei ușori. Dacă fasciculul de electroni este focalizat într-un punct cu un diametru mai mic de 0,5 nm, atunci atomii individuali pot fi fotografiați. În realitate, este posibil să se distingă atomi individuali cu o masă atomică de fier (adică 26 sau mai mult) în imaginea obținută în RTEM. Electronii care nu au suferit împrăștiere în probă, precum și electronii încetiniți ca urmare a interacțiunii cu proba, trec în orificiul detectorului inel. Un analizor de energie situat sub acest detector vă permite să separați primul de cel din urmă. Măsurând energia pierdută de electroni în împrăștiere, se pot obține informații importante despre probă. Pierderile de energie asociate cu excitarea razelor X sau eliminarea electronilor secundari din probă fac posibilă evaluarea proprietăți chimice substanță în regiunea prin care trece fasciculul de electroni.
MICROSCOP DE TUNEL RASTER
În EM discutate mai sus, lentilele magnetice sunt folosite pentru a focaliza electronii. Această secțiune este despre EM fără lentile. Dar înainte de a trece la Microscopul de scanare tunel (RTM), va fi util să ne uităm pe scurt la două tipuri mai vechi de microscoape fără lentile care produc o imagine de umbră proiectată.
Proiectoare autoelectronice și autoionice. Sursa de electroni de câmp folosită în RTEM a fost folosită în proiectoarele de umbre încă de la începutul anilor 1950. Într-un proiector de electroni de câmp, electronii emiși prin emisia de câmp dintr-un vârf de diametru foarte mic sunt accelerați către un ecran luminiscent situat la o distanță de câțiva centimetri de vârf. Ca urmare, o imagine proiectată a suprafeței vârfului și a particulelor situate pe această suprafață apare pe ecran cu o creștere egală cu raportul dintre raza ecranului și raza vârfului (ordine). O rezoluție mai mare este obținută într-un proiector autoion, în care imaginea este proiectată de ioni de heliu (sau de alte elemente), a căror lungime de undă efectivă este mai mică decât cea a electronilor. Acest lucru face posibilă obținerea de imagini care arată aranjarea adevărată a atomilor în rețeaua cristalină a materialului punctului. Prin urmare, proiectoarele cu ioni de câmp sunt folosite, în special, pentru a studia structura cristalină și defectele acesteia în materialele din care pot fi realizate astfel de vârfuri.
Microscop cu scanare tunel (RTM). Acest microscop folosește și un vârf de metal de diametru mic, care este sursa de electroni. Se creează un câmp electric în spațiul dintre vârf și suprafața probei. Numărul de electroni extrași de câmpul din vârf pe unitatea de timp (curent de tunel) depinde de distanța dintre vârf și suprafața probei (în practică, această distanță este mai mică de 1 nm). Pe măsură ce vârful se mișcă de-a lungul suprafeței, curentul este modulat. Acest lucru vă permite să obțineți o imagine asociată cu relieful suprafeței probei. Dacă vârful se termină cu un singur atom, atunci este posibil să se formeze o imagine a suprafeței prin trecerea atom cu atom. RTM poate funcționa numai dacă distanța de la vârf la suprafață este constantă, iar vârful poate fi mutat cu o precizie a dimensiunilor atomice. Vibrațiile sunt suprimate datorită structurii rigide și dimensiunilor mici ale microscopului (nu mai mult de un pumn), precum și utilizării amortizoarelor din cauciuc multistrat. Precizia ridicată este asigurată de materialele piezoelectrice, care se alungesc și se contractă sub influența unui câmp electric extern. Prin aplicarea unei tensiuni de ordinul a 10-5 V, este posibilă modificarea dimensiunilor unor astfel de materiale cu 0,1 nm sau mai puțin. Acest lucru face posibilă, prin fixarea vârfului pe un element din material piezoelectric, deplasarea acestuia în trei direcții reciproc perpendiculare cu o precizie de ordinul dimensiunilor atomice.
TEHNICA MICROSCOPIEI ELECTRONICE
Nu există aproape niciun sector de cercetare în domeniul biologiei și științei materialelor în care microscopia electronică cu transmisie (TEM) nu a fost aplicată; acest lucru se datorează progreselor în tehnicile de preparare a probelor. Toate tehnicile utilizate în microscopia electronică au ca scop obținerea unei probe extrem de subțiri și asigurarea unui contrast maxim între aceasta și substratul de care are nevoie ca suport. Tehnica de bază este concepută pentru probe cu grosimea de 2-200 nm, susținute de folii subțiri de plastic sau carbon, care sunt așezate pe o grilă cu dimensiunea celulei de cca. 0,05 mm. (O probă adecvată, oricum ar fi obținută, este procesată în așa fel încât să crească intensitatea împrăștierii electronilor pe obiectul studiat.) Dacă contrastul este suficient de mare, atunci ochiul observatorului poate distinge detaliile care se află la o distanță de 0,1. -0,2 mm fără efort unul de celălalt. Prin urmare, pentru ca detaliile separate pe eșantion la o distanță de 1 nm să poată fi distinse în imaginea creată de microscopul electronic, este necesar zoom complet de ordinul 100-200 mii. Cel mai bun dintre microscoape poate crea o imagine a unui eșantion pe o placă fotografică cu o astfel de mărire, dar în același timp este fotografiată o zonă prea mică. De obicei, o micrografie este realizată cu o mărire mai mică și apoi mărită fotografic. Placa fotografica permite o lungime de cca 10 cm. 10.000 de linii. Dacă fiecare linie de pe eșantion corespunde unei anumite structuri cu o lungime de 0,5 nm, atunci pentru a înregistra o astfel de structură este necesară o creștere de cel puțin 20.000, în timp ce se utilizează SEM și RTEM, în care imaginea este înregistrată. sistem electronicși desfășurat pe un ecran de televizor, poate fi permis doar cca. 1000 de linii. Astfel, atunci când utilizați un monitor de televiziune, mărirea minimă necesară este de aproximativ 10 ori mai mare decât atunci când fotografiați.
preparate biologice. Microscopia electronică este utilizată pe scară largă în cercetarea biologică și medicală. Au fost dezvoltate tehnici de fixare, înglobare și obținere de secțiuni de țesut subțire pentru examinare în OPEM și RPEM și metode de fixare pentru studierea probelor în vrac în SEM. Aceste tehnici fac posibilă studierea organizării celulelor la nivel macromolecular. Microscopia electronică a dezvăluit componentele celulei și detaliile structurii membranelor, mitocondriilor, reticulului endoplasmatic, ribozomilor și multe alte organite care alcătuiesc celula. Proba este mai întâi fixată cu glutaraldehidă sau alți fixativi, apoi deshidratată și înglobată în plastic. Metodele de criofixare (fixare la temperaturi foarte scăzute - criogenice -) permit păstrarea structurii și compoziției fără utilizarea de fixatori chimici. În plus, metodele criogenice permit imagistica probelor biologice congelate fără deshidratare. Folosind ultramicrotoame cu diamante lustruite sau lame de sticlă ciobite, se pot realiza secțiuni de țesut cu o grosime de 30-40 nm. Preparatele histologice montate pot fi colorate cu compuși de metale grele (plumb, osmiu, aur, wolfram, uraniu) pentru a spori contrastul componentelor sau structurilor individuale.
Studiile biologice au fost extinse la microorganisme, în special la viruși, care nu sunt rezolvate cu microscoapele ușoare. TEM a făcut posibilă dezvăluirea, de exemplu, a structurilor bacteriofagelor și a locației subunităților în straturile proteice ale virușilor. În plus, metodele de colorare pozitive și negative au reușit să dezvăluie structura cu subunități într-o serie de alte microstructuri biologice importante. Tehnicile de îmbunătățire a contrastului acidului nucleic au făcut posibilă observarea ADN-ului monocatenar și dublu. Aceste molecule lungi și liniare sunt răspândite într-un strat de proteine de bază și aplicate pe o peliculă subțire. Apoi, pe eșantion se aplică un strat foarte subțire de metal greu prin depunere în vid. Acest strat de metal greu „umbră” eșantionul, datorită căruia acesta din urmă, atunci când este observat în OPEM sau RTEM, arată ca fiind iluminat din partea din care a fost depus metalul. Dacă, totuși, proba este rotită în timpul depunerii, atunci metalul se acumulează uniform în jurul particulelor din toate părțile (ca un bulgăre de zăpadă).
materiale nebiologice. TEM este utilizat în cercetarea materialelor pentru a studia cristalele subțiri și interfețele dintre diferite materiale. Pentru a obține o imagine de înaltă rezoluție a interfeței, eșantionul este umplut cu plastic, eșantionul este tăiat perpendicular pe interfață și apoi este subțiat astfel încât interfața să fie vizibilă pe marginea ascuțită. Rețeaua cristalină împrăștie puternic electronii în anumite direcții, dând un model de difracție. Imaginea unei probe cristaline este determinată în mare măsură de acest model; contrastul este foarte dependent de orientarea, grosimea și perfecțiunea rețelei cristaline. Modificările contrastului din imagine fac posibilă studierea rețelei cristaline și a imperfecțiunilor sale la scara dimensiunilor atomice. Informațiile obținute în acest fel o completează pe cele furnizate de analiza cu raze X a probelor în vrac, deoarece EM face posibilă vizualizarea directă a dislocațiilor, a defecțiunilor de stivuire și a granițelor în toate detaliile. În plus, modelele de difracție a electronilor pot fi luate în EM și pot fi observate modele de difracție din zonele selectate ale probei. Dacă diafragma lentilei este reglată astfel încât doar un fascicul central difractat și neîmprăștiat să treacă prin ea, atunci este posibil să se obțină o imagine a unui anumit sistem de planuri de cristal care dă acest fascicul difractat. Instrumentele moderne fac posibilă rezolvarea perioadelor de rețea de 0,1 nm. Cristalele pot fi studiate și prin imagistica în câmp întunecat, în care fasciculul central este blocat astfel încât imaginea să fie formată din unul sau mai multe fascicule difractate. Toate aceste metode au oferit informații importante despre structura foarte multor materiale și au clarificat semnificativ fizica cristalelor și proprietățile lor. De exemplu, analiza imaginilor TEM ale rețelei cristaline a cvasicristalelor subțiri de dimensiuni mici în combinație cu analiza modelelor lor de difracție a electronilor a făcut posibilă în 1985 descoperirea materialelor cu simetrie de ordinul cinci.
Microscopie de înaltă tensiune.În prezent, industria produce versiuni de înaltă tensiune ale OPEM și RPEM cu o tensiune de accelerare de 300 până la 400 kV. Astfel de microscoape au o putere de penetrare mai mare decât instrumentele de joasă tensiune și sunt aproape la fel de bune ca microscoapele de 1 milion de volți care au fost construite în trecut. Microscoapele moderne de înaltă tensiune sunt destul de compacte și pot fi instalate într-o cameră obișnuită de laborator. Puterea lor de pătrundere sporită se dovedește a fi o proprietate foarte valoroasă în studiul defectelor cristalelor mai groase, în special a celor din care este imposibil să se realizeze specimene subțiri. În biologie, puterea lor mare de penetrare face posibilă examinarea celulelor întregi fără a le tăia. În plus, aceste microscoape pot fi folosite pentru a obține imagini tridimensionale ale obiectelor groase.
microscopie de joasă tensiune. Există și SEM-uri cu o tensiune de accelerare de doar câteva sute de volți. Chiar și la astfel de tensiuni scăzute, lungimea de undă a electronului este mai mică de 0,1 nm, astfel încât rezoluția spațială este din nou limitată de aberațiile lentilelor magnetice. Cu toate acestea, deoarece electronii cu o astfel de energie scăzută pătrund puțin sub suprafața probei, aproape toți electronii implicați în imagistica provin dintr-o regiune foarte aproape de suprafață, crescând astfel rezoluția reliefului de suprafață. Folosind SEM de joasă tensiune, imaginile au fost obținute pe suprafețe solide ale obiectelor cu dimensiuni mai mici de 1 nm.
deteriorarea radiațiilor. Deoarece electronii sunt radiații ionizante, proba dintr-un EM este expusă în mod constant la aceasta. (Ca urmare a acestei acțiuni, se produc electroni secundari, care sunt utilizați în SEM.) Prin urmare, eșantioanele sunt întotdeauna expuse la deteriorarea radiațiilor. Doza tipică de radiație absorbită de o probă subțire în timpul înregistrării unei microfotografii în OPEM corespunde aproximativ cu energia care ar fi suficientă pentru a evapora complet apa rece dintr-un iaz de 4 m adâncime cu o suprafață de 1 ha. Pentru a reduce daunele provocate de radiații ale probei, este necesar să se utilizeze diferite metode de preparare a acesteia: colorare, turnare, înghețare. În plus, este posibil să se înregistreze o imagine la doze de electroni care sunt de 100-1000 de ori mai mici decât prin metoda standard și apoi să o îmbunătățească prin metode de procesare a imaginii computerizate.
REFERINȚĂ DE ISTORIE
Istoria creării microscopului electronic este un exemplu minunat al modului în care domeniile științei și tehnologiei în dezvoltare independentă pot, prin schimbul de informații primite și unirea eforturilor, să creeze un nou instrument puternic pentru cercetarea științifică. Punctul culminant al fizicii clasice a fost teoria câmpului electromagnetic, care a explicat propagarea luminii, apariția câmpurilor electrice și magnetice, mișcarea particulelor încărcate în aceste câmpuri ca propagarea undelor electromagnetice. Optica undelor a evidențiat fenomenul de difracție, mecanismul de formare a imaginii și jocul factorilor care determină rezoluția într-un microscop cu lumină. Succese în domeniul teoretic și fizica experimentala datorăm descoperirea electronului cu proprietățile sale specifice. Aceste dezvoltări separate și aparent independente au dus la crearea fundamentelor opticii electronice, una dintre cele mai importante aplicații ale căreia a fost inventarea EM în anii 1930. Un indiciu direct al acestei posibilități poate fi considerată ipoteza naturii ondulatorii a electronului, prezentată în 1924 de Louis de Broglie și confirmată experimental în 1927 de K. Davisson și L. Germer în SUA și J. Thomson în Anglia. Astfel, a fost sugerată o analogie, care a făcut posibilă construirea unui EM în conformitate cu legile opticii undelor. H. Bush a descoperit că imaginile electronice pot fi formate folosind câmpuri electrice și magnetice. În primele două decenii ale secolului XX au fost create şi premisele tehnice necesare. Laboratoarele industriale care lucrează la osciloscopul cu fascicul catodic au furnizat tehnologie de vid, surse stabile de înaltă tensiune și curent și emițători de electroni buni. În 1931, R. Rudenberg a depus o cerere de brevet pentru un microscop electronic cu transmisie, iar în 1932 M. Knoll și E. Ruska au construit primul astfel de microscop, folosind lentile magnetice pentru a focaliza electronii. Acest instrument a fost precursorul OPEM modern. (Ruska a fost recompensat pentru munca sa prin câștigarea Premiului Nobel pentru fizică în 1986.) În 1938, Ruska și B. von Borris au construit un prototip industrial OPEM pentru Siemens-Halske în Germania; acest instrument a făcut în cele din urmă posibilă atingerea unei rezoluții de 100 nm. Câțiva ani mai târziu, A. Prebus și J. Hiller au construit primul OPEM de înaltă rezoluție la Universitatea din Toronto (Canada). Posibilitățile largi ale OPEM au devenit evidente aproape imediat. A lui productie industriala A fost lansat simultan de Siemens-Halske în Germania și RCA Corporation în SUA. La sfârșitul anilor 1940, alte companii au început să producă astfel de dispozitive. SEM în forma sa actuală a fost inventat în 1952 de Charles Otley. Este adevărat, versiunile preliminare ale unui astfel de dispozitiv au fost construite de Knoll în Germania în anii 1930 și de Zworykin cu angajați ai corporației RCA în anii 1940, dar numai dispozitivul Otley a putut servi ca bază pentru o serie de îmbunătățiri tehnice care au culminat cu introducerea în producție a unei versiuni industriale a SEM la mijlocul anilor 1960. Cercul consumatorilor unui astfel de dispozitiv destul de ușor de utilizat, cu o imagine tridimensională și un semnal electronic de ieșire, s-a extins cu viteza unei explozii. În prezent, există o duzină de producători industriali SEM pe trei continente și zeci de mii de astfel de dispozitive utilizate în laboratoare din întreaga lume.În anii 1960, au fost dezvoltate microscoape de ultraînaltă tensiune pentru a studia probe mai groase., unde un dispozitiv cu o tensiune de accelerare de 3,5 milioane de volți a fost pus în funcțiune în 1970. RTM a fost inventat de G. Binnig și G. Rohrer la Zurich în 1979. Acest dispozitiv foarte simplu asigură rezoluția atomică a suprafețelor.Pentru crearea RTM, Binnig și Rohrer (simultan cu Ruska ) a primit Premiul Nobel pentru Fizică.
Vezi si
CRISTALELE ȘI CRISTALGRAFIA ;
STRUCTURA MOLECULEI;
ACIZI NUCLEICI ;
FIZICA STĂRII SOLIDE;
VIRUSURI.
LITERATURĂ
Polyankevich A.N. Microscoape electronice. Kiev, 1976 Spence J. Microscopie ionică experimentală de înaltă rezoluție. M., 1986
Enciclopedia Collier. - Societate deschisă. 2000 .
Microscopia electronică este o metodă de studiere a structurilor care sunt dincolo de vizibilitatea unui microscop luminos și au dimensiuni mai mici de un micron (de la 1 micron la 1-5 Å).
Acțiunea unui microscop electronic (Fig.) se bazează pe utilizarea unui flux direcționat, care acționează ca un fascicul de lumină într-un microscop cu lumină, iar magneții (lentile magnetice) joacă rolul de lentile.
Datorită faptului că diferite părți ale obiectului studiat rețin electroni în moduri diferite, pe ecranul microscopului electronic se obține o imagine alb-negru a obiectului studiat, mărită de zeci și sute de mii de ori. În biologie și medicină, microscoapele electronice de tip transmisie sunt utilizate în principal.
Microscopia electronică a apărut în anii 1930 când au fost obținute primele imagini ale unor virusuri (virusul mozaicului tutunului și bacteriofagi). În prezent, microscopia electronică a găsit cea mai largă aplicație în virologie, provocând crearea de noi ramuri ale științei. În microscopia electronică a obiectelor biologice se folosesc metode speciale de preparare. Acest lucru este necesar pentru a identifica componentele individuale ale obiectelor studiate (celule, bacterii, viruși etc.), precum și pentru a păstra structura lor în condiții de vid înalt sub un fascicul de electroni. Cu ajutorul microscopiei electronice se studiază forma exterioară a obiectului, organizarea moleculară a suprafeței acestuia, cu ajutorul metodei secțiunilor ultrasubțiri se studiază structura internă a obiectului.
Microscopia electronică în combinație cu metode de cercetare biochimică, citochimică, imunofluorescența și analiza de difracție cu raze X fac posibilă evaluarea compoziției și a funcției elemente structurale celule si virusuri.
Microscopul electronic al anilor 70 ai secolului trecut
Microscopie electronică - studiul obiectelor microscopice folosind un microscop electronic.
Microscopul electronic este un instrument electro-optic cu o rezoluție de mai mulți angstromi și vă permite să studiați vizual structura fină a structurilor microscopice și chiar a unor molecule.
Un pistol cu trei electrozi constând dintr-un catod, un electrod de control și un anod servește ca sursă de electroni pentru crearea unui fascicul de electroni care înlocuiește fasciculul de lumină (Fig. 1).
Orez. 1. Pistol cu trei electrozi: 1 - catod; 2 - electrod de control; 3 - fascicul de electroni; 4 - anod.
Lentilele electromagnetice utilizate într-un microscop electronic în locul lentilelor optice sunt solenoizi multistrat închiși în carcase din material magnetic moale cu un spațiu nemagnetic în interior (Fig. 2).
Orez. 2. Lentila electromagnetica: 1 - varf pol; 2 - inel de alama; 3 - înfăşurare; 4 - coajă.
Câmpurile electrice și magnetice generate în microscopul electronic sunt simetrice axial. Datorită acțiunii acestor câmpuri, particulele încărcate (electroni) care ies dintr-un punct al obiectului într-un unghi mic sunt din nou colectate în planul imaginii. Întregul sistem electron-optic este închis în coloana microscopului electronic (Fig. 3).
Orez. 3. Sistem electron-optic: 1 - electrod de control; 2 - diafragma primului condensator; 3 - diafragma celui de-al doilea condensator; 4 - stigmatatorul celui de-al doilea condensator; 5 - obiect; 6 - obiectiv obiectiv; 7 - stigmatator al lentilei obiectiv; 8 - stigmatator al cristalinului intermediar; 9 - deschiderea lentilei de proiectie; 10 - catod; 11 - anod; 12 - primul condensator; 13 - al doilea condensator; 14 - corector de focalizare; 15 - masa suport obiecte; 16 - diafragma obiectivului; 17 - diafragma selectoare; 18 - lentila intermediara; 19 - lentila de proiectie; 20 - ecran.
Fasciculul de electroni creat de tunul de electroni este direcționat în câmpul de acțiune al lentilelor condensatoare, care permit modificarea densității, diametrului și deschiderii fasciculului incident asupra obiectului studiat într-o gamă largă. În camera obiectului este instalată o masă, al cărei design asigură mișcarea obiectului în direcții reciproc perpendiculare. În acest caz, puteți examina în mod constant o zonă egală cu 4 mm 2 și puteți selecta zonele cele mai interesante.
În spatele camerei obiectului se află o lentilă obiectiv, care vă permite să obțineți o imagine clară a obiectului. Oferă și prima imagine mărită a obiectului, iar cu ajutorul lentilelor ulterioare, intermediare și de proiecție, creșterea totală poate fi mărită la maxim. O imagine a unui obiect apare pe un ecran care luminesce sub acțiunea electronilor. În spatele ecranului sunt plăci fotografice. Stabilitatea funcționării pistolului cu electroni, precum și claritatea imaginii, împreună cu alți factori (constanța tensiunii înalte etc.), depind în mare măsură de adâncimea rarefierii în coloana microscopului electronic, deci calitatea dispozitivului este determinată în mare măsură de sistemul de vid (pompe, canale de pompare, robinete, supape, etanșări) (Fig. 4). Presiunea negativă necesară în interiorul coloanei este atinsă datorită eficienței ridicate a pompelor de vid.
Vidul preliminar în întregul sistem de vid creează o pompă mecanică foreline, apoi intră în acțiune pompa de difuzie a uleiului; ambele pompe sunt conectate în serie și asigură un vid înalt în coloana microscopului. Introducerea unei pompe de rapel de ulei în sistemul de microscop electronic a făcut posibilă oprirea pompei frontale pentru o lungă perioadă de timp.
Orez. Fig. 4. Schema de vid a microscopului electronic: 1 - capcană răcită cu azot lichid (teava rece); 2 - supapă de vid înalt; 3 - pompa de difuzie; 4 - supapă de bypass; 5 - cilindru tampon mic; 6 - pompa de rapel; 7 - pompa mecanica de vacuum anterior de rarefactie preliminara; 8 - supapă cu patru căi; 9 - cilindru tampon mare; 10 - coloana unui microscop electronic; 11 - supapă de admisie a aerului în coloana microscopului.
Circuitul electric al microscopului este format din surse de înaltă tensiune, incandescență catodică, alimentare cu energie a lentilelor electromagnetice, precum și dintr-un sistem care asigură tensiune alternativă de rețea motorului electric al pompei de vid anterior, cuptorului pompei de difuzie și iluminarea panoului de control. Sursei de alimentare sunt impuse cerințe foarte mari: de exemplu, pentru un microscop electronic de înaltă rezoluție, gradul de instabilitate de înaltă tensiune nu trebuie să depășească 5·10 -6 la 30 de secunde.
Un fascicul de electroni intens se formează ca rezultat al emisiei termice. Catodul, care este un filament de tungsten în formă de V, este încălzit de un generator de înaltă frecvență. Tensiunea generată cu o frecvență de oscilație de 100-200 kHz oferă un fascicul de electroni monocromatic. Alimentarea lentilelor microscopului electronic este asigurată de un curent continuu foarte stabilizat.
Orez. 5. Microscop electronic UEMV-100B pentru studiul microorganismelor vii.
Sunt produse dispozitive (Fig. 5) cu o rezoluție garantată de 4,5 Å; Imagini unice separate arată o rezoluție de 1,27 Å, care se apropie de dimensiunea unui atom. Creșterea utilă în acest caz este de 200.000.
Un microscop electronic este un instrument de precizie care necesită metode speciale de pregătire. Obiectele biologice au un contrast scăzut, deci este necesară îmbunătățirea artificială a contrastului medicamentului. Există mai multe moduri de a crește contrastul preparatelor. Când preparatul este umbrit într-un unghi cu platină, wolfram, carbon etc., devine posibilă determinarea dimensiunilor pe toate cele trei axe ale sistemului de coordonate spațiale pe imaginile microscopului electronic. Cu contrast pozitiv, medicamentul se combină cu săruri solubile în apă ale metalelor grele (acetat de uranil, monoxid de plumb, permanganat de potasiu etc.). Cu contrast negativ, preparatul este înconjurat de un strat subțire de substanță amorfă de înaltă densitate, impermeabilă la electroni (molibdat de amoniu, acetat de uranil, acid fosfotungstic etc.).
Microscopia electronică a virusurilor (viroscopia) a condus la progrese semnificative în studiul structurii ultrasubțiri, submoleculare a virusurilor (vezi). Alături de metodele de cercetare fizică, biochimică și genetică, utilizarea microscopiei electronice a contribuit și la apariția și dezvoltarea biologiei moleculare. Subiectul acestei noi ramuri a biologiei este organizarea submicroscopică și funcționarea celulelor umane, animale, vegetale, bacteriene și micoplasme, precum și organizarea rickettsiae și a virusurilor (Fig. 6). Virușii, molecule mari de proteine și acizi nucleici (ARN, ADN), fragmente individuale de celule (de exemplu, structura moleculară a învelișului celulelor bacteriene) pot fi examinate folosind un microscop electronic după o prelucrare specială: umbrire cu un metal, pozitiv sau colorare negativă cu acetat de uranil sau acid fosfotungstic, precum și cu alți compuși (Fig. 7).
Orez. Fig. 6. Cultură de țesut celular a țesutului cardiac al maimuței cynomolgus infectată cu virusul variolei (X 12.000): 1 - nucleu; 2 - mitocondrii; 3 - citoplasmă; 4 - virus.
Orez. 7. Virusul gripal (colorare negativă (X450.000): 1 - coajă; 2 - ribonucleoproteină.
Folosind metoda colorării negative pe suprafața multor virusuri, au fost găsite grupuri de molecule proteice aranjate în mod regulat - capsomere (Fig. 8).
Orez. 8. Un fragment din suprafața capsidei virusului herpes. Sunt vizibile capsomere individuale (X500 000): 1 - vedere laterală; 2 - vedere de sus.
Orez. Fig. 9. Secţiune ultrasubţire a bacteriei Salmonella typhimurium (X80 000): 1 - miez; 2 - coajă; 3 - citoplasmă.
Structura internă a bacteriilor și virușilor, precum și a altor obiecte biologice mai mari, poate fi studiată numai după disecția lor cu un ultratom și pregătirea celor mai subțiri secțiuni groase de 100-300 Å. (Fig. 9). Datorită metodelor îmbunătățite de fixare, încorporare și polimerizare a obiectelor biologice, utilizarea cuțitelor de diamant și sticlă pentru ultratomie și utilizarea compușilor foarte contrastanți pentru colorarea secțiunilor în serie, a fost posibil să se obțină secțiuni ultrasubțiri nu numai mari, ci și de asemenea, cei mai mici virusuri de oameni, animale, plante și bacterii.
Cum funcționează un microscop electronic? Care este diferența sa față de un microscop optic, există vreo analogie între ele?
Funcționarea unui microscop electronic se bazează pe proprietatea câmpurilor electrice și magnetice neomogene, care au simetrie de rotație, de a exercita un efect de focalizare asupra fasciculelor de electroni. Astfel, rolul lentilelor într-un microscop electronic este jucat de un set de câmpuri electrice și magnetice calculate corespunzător; dispozitivele corespunzătoare care creează aceste câmpuri se numesc „lentile electronice”.
În funcție de tipul de lentile electronice microscoapele electronice sunt împărțite în magnetice, electrostatice și combinate.
Ce tip de obiecte pot fi examinate cu un microscop electronic?
La fel ca și în cazul unui microscop optic, obiectele, în primul rând, pot fi „autoluminoase”, adică pot servi ca sursă de electroni. Acesta este, de exemplu, un catod incandescent sau un catod fotoelectron iluminat. În al doilea rând, pot fi folosite obiecte care sunt „transparente” pentru electronii cu o anumită viteză. Cu alte cuvinte, atunci când funcționează în transmisie, obiectele trebuie să fie suficient de subțiri, iar electronii suficient de rapizi pentru a trece prin obiecte și a intra în sistemul de lentile electronice. În plus, prin utilizarea fasciculelor de electroni reflectate, pot fi studiate suprafețele obiectelor masive (în principal metale și probe metalizate). Această metodă de observare este similară cu metodele microscopiei optice reflexive.
Prin natura studiului obiectelor, microscoapele electronice sunt împărțite în transmisie, reflexie, emisie, raster, umbră și oglindă.
Cele mai comune în prezent sunt microscoapele electromagnetice de tip transmisie, în care imaginea este creată de electroni care trec prin obiectul de observație. Este alcătuit din următoarele componente principale: un sistem de iluminare, o cameră de obiect, un sistem de focalizare și o unitate finală de înregistrare a imaginii constând dintr-o cameră și un ecran fluorescent. Toate aceste noduri sunt conectate între ele, formând așa-numita coloană de microscop, în interiorul căreia se menține presiunea. Sistemul de iluminat constă de obicei dintr-un pistol de electroni cu trei electrozi (catod, electrod de focalizare, anod) și o lentilă de condensare (vorbim despre lentile electronice). Formează un fascicul de electroni rapizi cu secțiunea transversală și intensitatea dorite și îl direcționează către obiectul studiat situat în camera obiectului. Fasciculul de electroni care trece prin obiect intră în sistemul de focalizare (proiecție), care constă dintr-o lentilă obiectiv și una sau mai multe lentile de proiecție.
un dispozitiv pentru observarea și fotografiarea unei imagini mărite (de până la 10 6 ori) a obiectelor, în care, în loc de raze de lumină, se folosesc fascicule accelerate la energii mari (30-100 keV sau mai mult) în vid profund. Bazele fizice ale instrumentelor optice cu fascicul corpuscular au fost puse în 1834 (aproape o sută de ani înainte de apariția microscopului electronic) de W. R., care a stabilit analogii între razele de lumină din medii neomogene optic și traiectoriile particulelor în câmpurile de forță. Oportunitatea creării unui microscop electronic a devenit evidentă după progresul din 1924, iar premisele tehnice au fost create de fizicianul german X. Bush, care a studiat câmpurile de focalizare axisimetrice și a dezvoltat o lentilă de electroni magnetici (1926). În 1928, oamenii de știință germani M. Knoll și E. Ruska au început să creeze primul microscop electronic cu transmisie magnetică (TEM), iar trei ani mai târziu au obținut o imagine a unui obiect format din fascicule. În anii următori (M. von Ardenne, 1938; V.K., 1942), a fost construit primul microscop electronic de baleiaj (SEM), care funcționează pe principiul scanării (desfășurării), adică un fascicul de electroni subțire care se mișcă secvenţial dintr-un punct în punct ( sonda) asupra obiectului. Pe la mijlocul anilor 1960. SEM-urile au atins o perfecțiune tehnică ridicată și, de atunci, utilizarea lor în cercetare științifică. TEM-urile au cel mai înalt (PC), depășind microscoapele ușoare în acest parametru de câteva mii de ori. T. n. limita de rezoluție, care caracterizează dispozitivul pentru a afișa separat detalii mici, cât mai aproape posibil, ale obiectului, pentru TEM este 2-3 . În condiții favorabile, atomii grei individuali pot fi fotografiați. Când fotografiați structuri periodice, cum ar fi rețele atomice de cristale, este posibil să obțineți o rezoluție mai mică de 1. Astfel de rezoluții ridicate sunt obținute datorită lungimii extrem de scurte (vezi ). Diafragma optimă [vezi. în optica electronică (și ionică)] poate fi redusă (afectând microscopul electronic PC) cu o eroare de difracție suficient de mică. metode eficiente corecția la microscopul electronic (vezi ) nu a fost găsită. Prin urmare, în TEM, magnetice (EL), care au mai mici, complet înlocuite EL electrostatic. Sunt produse PEM-uri pentru diverse scopuri. Ele pot fi împărțite în 3 grupe: microscop electronic de înaltă rezoluție, TEM simplificat și microscop electronic cu accelerație mare.
TEM de înaltă rezoluție(2-3 Å) - ca dispozitive multifuncționale. Cu ajutorul dispozitivelor și atașamentelor suplimentare din ele, puteți înclina obiectul în diferite unghiuri mari față de axa optică, îl puteți încălzi, răci, deforma, efectua cercetări prin metode etc. Electronul de accelerare atinge 100-125 kV, este reglat în trepte și este foarte stabil: 1-3 minute se schimbă cu cel mult 1-2 milionimi față de original. O imagine a unui TEM tipic de tipul descris este afișată în orez. unu. Un vid este creat în sistemul său optic (coloană) folosind un sistem special de vid (până la 10 -6 mm Hg). Schema sistemului optic TEM este prezentată în orez. 2. Fasciculul, care este deservit de un catod încălzit, (este format și apoi focalizat de două ori de către primul și al doilea condensator, creând un „spot” electronic de dimensiuni mici pe obiect (la reglarea punctului, acesta poate varia de la 1 la 20 microni). După aceea, piesa este împrăștiată prin obiect și întârziată de diafragmă.Electronii neîmprăștiați trec prin deschiderea diafragmei și sunt focalizați în lentila intermediară a obiectului.Aici se formează prima imagine mărită.Lentilele ulterioare creează a doua. , a treia, etc. imagini. Ultima lentilă de proiecție formează o imagine pe un ecran fluorescent care strălucește sub influența electronilor. Mărire Microscopul electronic este egal cu mărirea tuturor lentilelor. Gradul și natura împrăștierii electronilor nu sunt aceleași la diferite puncte ale obiectului, deoarece grosimea și compoziția chimică a obiectului se modifică de la un punct la altul. În consecință, numărul de electroni întârziați de diafragma de deschidere după trecerea prin diferite puncte ale obiectului se modifică și, în consecință, densitatea curentului. ci pe imagine, care este convertită în pe ecran. Sub ecran este un magazin cu plăci fotografice. La fotografiere, ecranul este îndepărtat și electronii acționează asupra stratului de fotoemulsie. Imaginea este focalizată printr-o schimbare lină a curentului care excită obiectivul. Curenții altor lentile sunt ajustați pentru a schimba mărirea Microscopului electronic
Orez. 3. Microscop electronic de supraînaltă tensiune (SVEM): 1 - un rezervor în care gazul electroizolant (SF6) este pompat până la o presiune de 3-5 atm; 2 - tun cu electroni; 3 - tub de accelerare; 4 - condensatoare sursă de înaltă tensiune; 5 - bloc de lentile condensatoare; 6 - lentila; 7, 8, 9 - lentile de proiectie; 10 - microscop luminos; 11 - panou de control.
Microscop electronic cu scanare (SEM) cu catod incandescent sunt concepute pentru a studia obiecte masive cu o rezoluție de 70 până la 200 Å. Puterea de accelerare în SEM poate fi ajustată de la 1 la 30-50 mp.
Dispozitivul unui microscop electronic cu scanare este prezentat în orez. patru. Folosind 2 sau 3 EL, o sondă de electroni îngustă este focalizată pe probă. Deflectoarele magnetice desfășoară sonda pe o zonă dată a obiectului. Când sonda interacționează cu un obiect, există mai multe tipuri ( orez. 5) - electroni secundari si reflectati; electroni care au trecut prin obiect (dacă este subțire); radiografie și caracteristică; radiații etc.
Orez. 5. Schema de înregistrare a informațiilor despre obiectul obținut în SEM. 1 - fascicul de electroni primar; 2 - detector de electroni secundari; 3 - detector de raze X; 4 - detector de electroni reflectați; 5 - detector de radiații luminoase; 6 - detector de electroni trecuți; 7 - un dispozitiv pentru măsurarea potenţialului electric indus asupra obiectului; 8 - dispozitiv pentru măsurarea curentului electronilor care trec prin obiect; 9 - dispozitiv pentru măsurarea curentului de electroni absorbiți în obiect.
Oricare dintre aceste radiații poate fi înregistrată de un colector corespunzător care conține un senzor care se transformă în radiații electrice, care, după amplificare, sunt alimentate la (CRT) și își modulează fasciculul. Fasciculul CRT este scanat cu scanarea sondei de electroni în SEM, iar pe ecranul CRT este observată o imagine mărită a obiectului. Creșterea este egală cu raportul dintre înălțimea cadrului de pe ecranul CRT și lățimea obiectului scanat. Fotografiați imaginea direct de pe ecranul CRT. Principalul avantaj al SEM este conținutul ridicat de informații al dispozitivului, datorită capacității de a observa imaginea folosind diverși senzori. Folosind SEM, puteți explora compoziția chimică a obiectului, tranzițiile p-n, producția și multe altele. Proba este de obicei examinată fără pregătire prealabilă. SEM își găsește aplicație în procese tehnologice(defecte de cip etc.). Ridicat pentru PC-ul SEM este realizat atunci când se realizează imagini folosind secundar. Este determinat de diametrul zonei din care sunt emiși acești electroni. Mărimea zonei, la rândul său, depinde de diametrul sondei, proprietățile obiectului, fasciculul de electroni primari etc. La o adâncime mare de penetrare a electronilor primari, procesele secundare care se desfășoară în toate direcțiile cresc diametrul zonei și PC scade. Detectorul de electroni secundar este format dintr-un (PMT) și un convertor electron-foton, al cărui element principal este cu doi - un extractor sub formă de rețea, care se află sub un potențial pozitiv (până la câteva sute de V) și una accelerată; acesta din urma imparte electronilor secundari captati energia necesara pentru . Aproximativ 10 kV este aplicat electrodului de accelerare; de obicei este o acoperire de aluminiu pe scintilator. Numărul de flash-uri de scintilator este proporțional cu numărul de secunde eliminate într-un anumit punct al obiectului. După amplificare în PMT și în semnal, fasciculul CRT modulează. Mărimea semnalului depinde de probă, de prezența microcâmpurilor electrice și magnetice locale, de valoarea lui , care, la rândul său, depinde de compoziția chimică a probei la un punct dat. Electronii reflectați sunt înregistrați de un semiconductor (siliciu). Contrastul imaginii se datorează dependenței de unghiul de incidență al fasciculului primar și de numărul atomic. Rezoluția imaginii obținute „în electroni reflectați” este mai mică decât cea obținută folosind cei secundari (uneori cu un ordin de mărime). Datorită dreptății zborului electronilor către colector, informațiile despre secțiuni individuale din care nu există o cale directă către colector se pierd (apar umbre). Caracteristica este alocată fie de un cristal cu raze X, fie de un senzor de dispersie a energiei - un detector cu semiconductor (de obicei realizat din siliciu pur dopat cu litiu). În primul caz, cuantele de raze X, după reflectarea de către cristalul spectrometrului, sunt înregistrate de gaz, iar în al doilea, semnalul preluat de la semiconductor este amplificat de un zgomot redus (care este răcit cu azot lichid pentru a reduce zgomotul). ) și sistemul de amplificare ulterior. Semnalul de la cristal modulează fasciculul CRT, iar pe ecran apare o imagine cu unul sau altul. element chimic după obiect. SEM produce, de asemenea, o radiografie locală. Detectorul cu dispersie de energie înregistrează toate elementele de la Na la U cu sensibilitate ridicată. Un spectrometru cu cristale care folosește un set de cristale cu diferite acoperiri interplanare (vezi) de la Be la U. Un dezavantaj semnificativ al SEM este durata lungă a procesului de „înlăturare” a informațiilor la studierea obiectelor. Un PC relativ mare poate fi obținut folosind o sondă de electroni cu un diametru suficient de mic. Dar, în același timp, sonda scade, drept urmare influența lui , care reduce raportul dintre semnalul util și zgomot, crește brusc. Pentru ca raportul semnal-zgomot să nu scadă sub un anumit nivel, este necesar să încetiniți scanările pentru a acumula un număr suficient de mare de primare (și secundare corespunzătoare) în fiecare punct al obiectului. Ca rezultat, PC-ul este implementat doar la rate scăzute de baleiaj. Uneori, un cadru se formează în 10-15 minute.
Orez. Fig. 6. Schema schematică a unui microscop electronic cu baleiaj cu transmisie (TSEM): 1 - catod cu emisie de câmp; 2 - anod intermediar; 3 - anod; 4 - sistem de deflectare pentru alinierea fasciculului; 5 - deschiderea „iluminatorului”; 6, 8 - sisteme de deflectare pentru scanarea sondei electronice; 7 - lentilă magnetică cu focalizare lungă; 9 - diafragma de deschidere; 10 - lentila magnetica; 11 - obiect; 12, 14 - sisteme de deviere; 13 - colector inel de electroni împrăștiați; 15 - colector de electroni neîmprăștiați (înlăturat când se lucrează cu spectrometrul); 16 - spectrometru magnetic, în care fasciculele de electroni sunt rotite de un câmp magnetic cu 90°; 17 - sistem deflector pentru selectarea electronilor cu diverse pierderi de energie; 18 - fantă spectrometru; 19 - colector; VE - fluxul de electroni secundari hn - radiația cu raze X.
SEM cu pistol cu emisie de câmp au un mare pentru SEM PC (până la 30 Å). Într-un pistol cu emisie de câmp (ca în ) se folosește un catod sub forma unui vârf, în vârful căruia există o forță puternică care trage electronii din catod (vezi). Luminozitatea electronică a unui pistol cu catod cu emisie de câmp este de 10 3 -10 4 ori mai mare decât cea a unui pistol cu catod incandescent. În mod corespunzător, curentul sondei de electroni crește. Prin urmare, într-un SEM cu un pistol cu emisie de câmp, se efectuează măturari rapide, iar sonda este redusă pentru a crește PC. Cu toate acestea, catodul de emisie de câmp funcționează stabil doar la vid ultraînalt (10 -9 -10 -11 mmHg), iar acest lucru complică proiectarea unor astfel de SEM și operarea pe ele.
Microscop electronic cu scanare cu transmisie (SEM) au același PC înalt ca TEM. Aceste dispozitive folosesc pistoale cu emisie de câmp, care furnizează suficient într-o sondă cu un diametru de până la 2-3 Å. Pe orez. 6 este prezentată o reprezentare schematică a SEM. Două reduc diametrul sondei. Sub obiect sunt situate - central și inel. Electronii neîmprăștiați cad pe primul, iar după amplificarea semnalelor corespunzătoare, așa-numiții „electroni” apar pe ecranul CRT. imagine câmp luminos. Electronii împrăștiați sunt colectați pe detectorul inel, creând așa-numitul. imagine câmp întunecat. În PREM, se pot studia obiecte mai groase decât în TEM, deoarece o creștere a numărului de obiecte împrăștiate inelastic cu grosime nu afectează rezoluția (nu există optică în PREM după obiect). Cu ajutorul energiei, electronii care au trecut prin obiect sunt separați în fascicule împrăștiate elastic și inelastic. Fiecare fascicul lovește propriul detector, iar imaginea corespunzătoare este observată pe CRT, care conține Informații suplimentare despre un obiect care se împrăștie. Rezoluția înaltă în STEM este obținută cu baleiaj lente, deoarece într-o sondă cu un diametru de numai 2–3 Å, curentul este prea scăzut.
Microscop electronic de tip mixt. Combinația într-un singur instrument a principiilor imagistică cu un fascicul fix (ca în TEM) și scanarea unei sonde subțiri peste un obiect a făcut posibilă realizarea avantajelor TEM, SEM și STEM într-un astfel de microscop electronic. În prezent, toate TEM-urile oferă posibilitatea observării obiectelor într-un mod raster (cu ajutorul lentilelor condensatoare și crearea unei imagini reduse, care este scanată peste obiect prin sisteme de deflectare). Pe lângă imaginea formată dintr-un fascicul staționar, pe ecranele CRT se obțin imagini raster folosind electroni transmisi și secundari, caracteristici etc. Sistem optic Un astfel de TEM, situat după obiect, face posibilă funcționarea în moduri care nu sunt fezabile în alte dispozitive. De exemplu, puteți observa simultan pe ecranul CRT și imaginea aceluiași obiect pe ecranul dispozitivului.
emisie E. m. creați o imagine a unui obiect în electroni, pe care obiectul însuși o emite atunci când este încălzit, printr-un fascicul primar și când este aplicat un câmp electric puternic care trage electronii din obiect. Aceste dispozitive au de obicei un scop restrâns.
Microscop electronic SLR servesc în principal pentru a vizualiza „relieful potențial” electrostatic și microcâmpurile magnetice de pe obiect. Elementul optic principal al dispozitivului este, iar unul dintre obiecte este obiectul în sine, care se află sub un potențial negativ mic în raport cu catodul pistolului. Fasciculul de electroni este îndreptat către oglindă și reflectat de câmpul din imediata vecinătate a obiectului. Oglinda formează o imagine „în fascicule reflectate” pe ecran. Microcâmpurile de lângă suprafața obiectului redistribuie electronii fasciculelor reflectate, creând o vizualizare a acestor microcâmpuri pe imagine.
Perspective de dezvoltare Microscopul electronic Creșterea PC-ului în imaginile obiectelor neperiodice la 1 Å și mai mult va permite înregistrarea nu numai a atomilor grei, ci și ușoare și vizualizarea la nivel atomic. Pentru a crea un microscop electronic cu o rezoluție similară, puterea de accelerare este crescută. Ser. fizică”, vol. 34, 1970; Hawks, P., i, trad. din engleză, M., 1974; Derkach V. P., Kiyashko G. F., Kukharchuk M. S., Electron probe devices, K., 1974; Stoyanova I. G., Anaskin I. F., Fundamentele fizice ale metodelor de microscopie electronică de transmisie, M., 1972; Oatley C. W., Microscopul electronic cu scanare, Camb., 1972; Grivet P., Electron optics, 2 ed., Oxf., 1972.
