Печать
Опубликовано: 04 августа 2017 04 августа 2017
Просмотров: 4587 4587

Электронный микроскоп расширил предел разрешения от длины световой волны до атомных размеров, а точнее до межплоскостных расстоянии величиной порядка 0,15 нм. Первые попытки сфокусировать пучок электронов при помощи электростатических и электромагнитных линз были сделаны в 20-х годах XX века. Первый электронный микроскоп был сделан И.Руска в Берлине в 30-х годах. Ею микроскоп был просвечивающим и предназначался для изучения порошков, тонких пленок и срезов.

Отражающие электронные микроскопы появились после Второй мировой войны. Почти сразу же они были вытеснены растровыми (сканирующими) электронными микроскопами, объединенными со средствами микроанализа.

Субмикронное разрешение имели уже самые первые просвечивающие электронные микроскопы. Достижения электронной микроскопии стали результатом совместных усилий ученых и техников многих стран.

Просвечивающий электронный микроскоп во многом аналогичен оптическому микроскопу проходящего света, но его конструкция обратна конструкции оптического микроскопа. Источник электронов (энергией 100-400 кэВ) заменяет источник света и находится сверху колонны микроскопа, в то время как система регистрации внизу (рис. 1) (в оптическом микроскопе наоборот). Источником электронов является нагретая вольфрамовая нить, создающая пучок электронов с плотностью тока до 5X104 А/м2. Заметим, что кристаллы гексаборида лантана (LaB6) позволяют повысить плотность тока до 106 А/м2, а при полевой эмиссии электронов плотность тока может достигать 1010 А/м2. Пучок высокоэнергетичных электронов фокусируется системой электромагнитных конденсорных линз за счет регулировки тока линз (а не регулировкой их положения, как в оптическом микроскопе). Предметный столик представляет собой сложную конструкцию, позволяющую наклонять образец в двух плоскостях и перемещать его вдоль оси z. Обратим внимание, что фокусировка пучка в электронном просвечивающем микроскопе производится не изменением положения образца по оси z (чтобы изменить расстояние до линзы объектива), а регулировкой тока электромагнитной линзы. Система построения изображения также использует электромагнитные линзы. Изображение обычно строится на флуоресцентном экране. Типичные значения удельного тока экрана равны 10 -11 - 10 -10 А/м2, а при максимальных увеличении они еще ниже. Дли регистрации изображения иногда используют фотопленку, но, как и в оптической микроскопии, она все более и более вытесняется цифровыми ПЗС-камерами.

 

 

Рисунок 1. Конструкция просвечивающего электронного микроскопа.

 

Электроны имеют малую длину свободного пробега в воздухе, и поэтому колонна микроскопа находится в условиях вакуума. Загрязнение образца под действием пучка (появление углеродного слоя на его поверхности) является серьезной проблемой, которая ограничивает как время работы, так и предельно достигаемое разрешение. Обычно вакуум должен иметь порядок 10 -6 торр (мм ртутного столба), однако для самых высоких степеней увеличения желателен вакуум 10 -7 , причем необходимо удалить все источники загрязнения образца, что делается криогенным охлаждением.

Растровый электронный микроскоп (рис. 2) также имеет источник высокоэнергетичных электронов и систему конденсора, но включает дополнительную электромагнитную управляющую линзу, позволяющую сканироватъ электронный пучок по поверхности образца. Управляющая линза в растровом электронном микроскопе выполняет функцию, аналогичную объективу в просвечивающем электронном микроскопе, и поэтому она определяет окончательное разрешение микроскопа. Однако в растровом микроскопе управляющая линза помещена над образцом и не имеет отношения к сбору сигнала. Сигнал упругорассеянных электронов играет незначительную роль в построении изображения в растровом электронном микроскопе, которое создается вторичными электронами, появляющимися при взаимодействии первичных электронов с образцом. Энергия первичных электронов в растровом микроскопе значительно ниже, чем в просвечивающем. Обычно она равна 5-30 кэВ, хотя иногда ее снижают и до 200 эВ.

 

 

Рисунок 2. Конструкция растрового электронного микроскопа.

 

Изображение в растровом электронном микроскопе получают, сканируя пучком электронов по поверхности образца. Сигнал собирают, усиливают и обрабатывают, после чего демонстрируют на экране монитора (рис.2). Это похоже на работу видеокамеры, в которой сфокусированное изображение сканируют пучком электронов, и модулированный сигнал передают, записывают и, наконец, демонстрируют на телеэкране.

Мощь сканирующего электронного микроскопа обусловлена наличием широкого диапазона сигналов, которые появляются при взаимодействии пучка электронов с поверхностью образца Они включают характеристическое рентгеновское изучение, возникающее вследствие выбивания электронов из внутренних оболочек атомов; катодолюменисценцию в диапазоне видимого света, связанную с возбуждением валентных электронов; инициированный электрический ток образца и упруго-отраженные электроны. Наиболее часто для получения изображения используют сигнал низкоэнергетичных вторичных электронов, выбиваемых из образца первичным пучком. Вторичные электроны в большом количестве выбиваются из предельно локализованной области, в которую ударяет первичный электронный пучок. Их легко собрать и усилить, а затем построить изображение, разрешение которого ограничено лишь диаметром первичного пучка.

Основное различие принципов работы просвечивающего и растрового электронных микроскопов связано со способом сбора данных и формированием изображения. Как и в оптическом микроскопе, в просвечивающем электронном микроскопе информацию собирают непрерывно со всей изучаемой области, а увеличенное изображение фокусируют при помощи линз. Т.е. информация со всех точек изображения собирается одновременно. В растровом электронном микроскопе информация собирается последовательно для каждой точки по мере движения первичного пучка. На это требуется время, необходимое для получения статистически значимого сигнала от каждой точки. Скорость сканирования должна быть не слишком большой, чтобы гарантировать статистическую значимость сигнала для каждой точки, и время формирования изображения ограничено скоростью сканирования и числом точек. Таким образом, различие состоит в различии оптического изображения, формируемого одновременно всей областью, и растрового изображения, создаваемого последовательно точка за точкой.

Прочтите также статью "Просвечивающий электронный микроскоп. Подготовка образцов"


Source: https://worldofmaterials.ru/spravochnik/tests/444-opticheskij-mikroskop-podgotovka-obraztsov

Литература:

Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.