Microscopes optique et électronique. Types de microscopes : description, caractéristiques principales, fonction. En quoi un microscope électronique diffère d'un microscope léger

Microscope électronique à transmission - un dispositif permettant d'obtenir une image agrandie d'objets microscopiques, qui utilise des faisceaux d'électrons. Les microscopes électroniques ont une résolution plus élevée que les microscopes optiques, en outre, ils peuvent également être utilisés pour obtenir Information additionnelle concernant le matériau et la structure de l'objet.
Le premier microscope électronique a été construit en 1931 par les ingénieurs allemands Ernst Ruska et Max Stem. Ernst Ruska a reçu le prix Nobel de physique pour cette découverte en 1986. Il l'a partagé avec les inventeurs du microscope à effet tunnel parce que le comité Nobel a estimé que les inventeurs du microscope électronique ont été injustement oubliés.
Dans un microscope électronique, des faisceaux d'électrons focalisés sont utilisés pour obtenir une image, qui bombarde la surface de l'objet à étudier. L'image peut être observée différentes façons- dans les rayons qui ont traversé un objet, dans les rayons réfléchis, enregistrant des électrons secondaires, ou radiographie... Focaliser le faisceau d'électrons à l'aide de lentilles électroniques spéciales.
Les microscopes électroniques peuvent agrandir une image jusqu'à 2 millions de fois. La haute résolution des microscopes électroniques est obtenue grâce à la courte longueur d'onde des électrons. Alors que la longueur d'onde de la lumière visible est comprise entre 400 et 800 nm, la longueur d'onde d'un électron accéléré à un potentiel de 150 V est de 0,1 nm. Ainsi, les microscopes électroniques peuvent pratiquement considérer des objets de la taille d'un atome, bien qu'en pratique cela soit difficile.
Structure schématique d'un microscope électronique La structure d'un microscope électronique peut être considérée sur l'exemple d'un dispositif fonctionnant en transmission. Un faisceau d'électrons monochromatiques est généré dans un canon à électrons. Ses performances sont renforcées par un système de condenseur composé d'un diaphragme de condenseur et de lentilles électroniques. Selon le type de lentille, magnétique ou électrostatique, une distinction est faite entre les microscopes magnétiques et électrostatiques. À l'avenir, le faisceau heurte l'objet et se diffuse dessus. Le faisceau diffusé traverse l'ouverture et pénètre dans l'objectif, qui est conçu pour étirer l'image. Le faisceau d'électrons étiré fait briller le phosphore sur l'écran. Dans les microscopes modernes, plusieurs degrés de grossissement sont utilisés.
Le diaphragme d'ouverture de l'objectif du microscope électronique est très petit, s'élevant à des centièmes de millimètre.
Si un faisceau d'électrons d'un objet est envoyé directement à l'écran, l'objet apparaîtra sombre dessus et un fond clair se formera autour de lui. Cette image s'appelle svitlopolnym. Si, au lieu de la base, le faisceau tombe dans l'ouverture de l'objectif, mais dispersée, alors terrain sombre Images. L'image en fond noir est plus contrastée que celle en champ svit, mais sa résolution est plus faible.
Il y a beaucoup de différents types et conceptions de microscopes électroniques. Les principaux sont :

Un microscope électronique translucide est un appareil dans lequel un faisceau d'électrons traverse un objet.

Le microscope électronique à balayage vous permet d'étudier des zones individuelles de l'objet.

Un microscope électronique à balayage utilise des électrons secondaires éliminés par un faisceau d'électrons pour examiner la surface d'un objet.

Un microscope électronique à réflexion utilise des électrons dispersés élastiquement.

Le microscope électronique peut également être équipé d'un système de détection radiographies, qui émettent fortement excités, lors de la collision avec des électrons de haute énergie, des atomes de matière. Lorsqu'un électron est éjecté des enveloppes électroniques internes, un rayonnement X caractéristique se forme, qui peut être étudié pour établir composition chimique Matériel.
L'étude du spectre des électrons diffusés inélastiquement permet d'obtenir des informations sur les excitations électroniques caractéristiques dans le matériau de l'objet étudié.
Les microscopes électroniques sont largement utilisés en physique, science des matériaux, biologie.

Hier, j'ai photographié une Audi blanche. Il s'est avéré une superbe photo de l'Audi de côté. Dommage que le réglage ne soit pas visible sur la photo.

Pour obtenir une image au microscope électronique, des lentilles magnétiques spéciales sont utilisées qui contrôlent le mouvement des électrons dans la colonne de l'appareil à l'aide d'un champ magnétique.

YouTube collégial

1 / 4

Le microscope électronique le plus puissant au monde.

Des mondes sous le microscope

Nanomir. Microscope à tunnel à balayage.

✪ 89. De l'histoire du grand découvertes scientifiques: Ernst Ruska et un microscope électronique

Les sous-titres

L'histoire du développement du microscope électronique

En 1931, R. Rudenberg a reçu un brevet pour un microscope électronique à transmission et en 1932, M. Knoll et E. Ruska ont construit le premier prototype d'un appareil moderne. Ce travail de E. Ruski en 1986 a été noté prix Nobel en physique, qui lui a été décerné ainsi qu'aux inventeurs du microscope à sonde à balayage Gerd Karl Binnig et Heinrich Rohrer. L'utilisation d'un microscope électronique à transmission pour la recherche scientifique a commencé à la fin des années 1930, et en même temps le premier instrument commercial, construit par Siemens, est apparu.

À la fin des années 1930 et au début des années 1940, les premiers microscopes électroniques à balayage sont apparus et formaient une image d'un objet lorsqu'une sonde électronique de petite section était déplacée séquentiellement sur l'objet. L'utilisation massive de ces appareils dans recherche scientifique a commencé dans les années 1960 lorsqu'ils ont atteint une excellence technique significative.

Un saut significatif (dans les années 1970) dans le développement a été l'utilisation de cathodes Schottky et de cathodes à émission de champ froid au lieu de cathodes thermoioniques ; cependant, leur application nécessite un vide beaucoup plus important.

À la fin des années 1990 et au début des années 2000, l'informatisation et l'utilisation de détecteurs CCD ont grandement simplifié l'acquisition d'images numériques.

Au cours de la dernière décennie, les microscopes électroniques à transmission avancés modernes ont utilisé des correcteurs pour aberration chromatique, introduisant des distorsions de base dans l'image résultante. Cependant, leur utilisation peut compliquer considérablement l'utilisation de l'appareil.

Types d'appareils

La microscopie électronique à transmission

Un microscope électronique à transmission utilise un faisceau d'électrons à haute énergie pour former une image. Le faisceau d'électrons est créé au moyen d'une cathode (tungstène, LaB 6, Schottky ou émission de champ froid). Le faisceau d'électrons résultant est généralement accéléré jusqu'à 80-200 keV (différentes tensions de 20 kV à 1 MV sont utilisées), focalisé par un système de lentilles magnétiques (parfois des lentilles électrostatiques) et passé à travers l'échantillon de sorte que certains des électrons soient dispersés sur l'échantillon, et certains ne le sont pas. Ainsi, le faisceau d'électrons traversant l'échantillon transporte des informations sur la structure de l'échantillon. Le faisceau traverse ensuite un système de lentilles grossissantes et forme une image sur un écran luminescent (généralement du sulfure de zinc), une plaque photographique ou une caméra CCD.

La résolution TEM est limitée principalement par l'aberration sphérique. Certains TEM modernes ont des correcteurs d'aberration sphérique.

Les principaux inconvénients du MET sont la nécessité d'un échantillon très fin (de l'ordre de 100 nm) et l'instabilité (décomposition) des échantillons sous le faisceau.

Microscopie électronique à trame de transmission (à balayage) (STEM)

L'un des types de translucides microscopie électronique(TEM), cependant, il existe des appareils fonctionnant exclusivement en mode STEM. Un faisceau d'électrons traverse un échantillon relativement mince, mais, contrairement à la microscopie électronique à transmission conventionnelle, le faisceau d'électrons est focalisé sur un point qui se déplace à travers l'échantillon le long d'une trame.

Microscopie électronique à balayage (scanning)

Il est basé sur le principe de la télévision consistant à balayer un mince faisceau d'électrons sur la surface de l'échantillon.

Teinture

Dans leurs configurations les plus courantes, les microscopes électroniques produisent des images à une valeur de luminance distincte pour chaque pixel, les résultats étant généralement affichés en niveaux de gris. Cependant, souvent ces images sont ensuite colorées à l'aide de Logiciel, ou simplement une édition manuelle à l'aide d'un éditeur graphique. Ceci est généralement fait pour un effet esthétique ou pour clarifier la structure et n'ajoute généralement pas d'informations sur l'échantillon.

Dans certaines configurations, plus d'informations par pixel peuvent être collectées sur les propriétés de l'échantillon en utilisant plusieurs détecteurs. En SEM, les attributs de la topographie et du relief du matériau peuvent être obtenus à l'aide d'une paire de détecteurs de réflexion électroniques et ces attributs peuvent être superposés en un seul image en couleur, en attribuant une couleur primaire différente à chaque attribut. Par analogie, des combinaisons de signaux électroniques réfléchis et secondaires peuvent se voir attribuer différentes couleurs et superposées sur une micrographie couleur, montrant simultanément les propriétés de l'échantillon.

Certains types de détecteurs utilisés dans l'EMS ont des capacités analytiques et peuvent fournir plusieurs éléments de données par pixel. Des exemples sont les détecteurs de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie, utilisés dans l'analyse élémentaire, et les systèmes de microscope à cathodoluminescence, qui analysent l'intensité et le spectre de la luminescence stimulée par les électrons dans (par exemple) des échantillons géologiques. Dans les systèmes SEM, l'utilisation de ces détecteurs est commune aux signaux codés par couleur et sont superposés en une seule image couleur afin que les différences dans la distribution des divers composants de l'échantillon puissent être clairement vues et comparées. De plus, le standard d'imagerie électronique secondaire peut être combiné avec un ou plusieurs canaux composites afin que la structure et la composition de l'échantillon puissent être comparées. De telles images peuvent être prises avec une intégrité totale du signal original, qui ne change en aucune façon.

désavantages

Les microscopes électroniques sont coûteux à fabriquer et à entretenir, mais le coût total et opérationnel d'un microscope optique confocal est comparable à celui des microscopes électroniques de base. Des microscopes destinés à atteindre hautes résolutions doivent être situés dans des bâtiments stables (parfois souterrains) et exempts de champs électromagnétiques externes. Les échantillons doivent généralement être examinés dans le vide, car les molécules qui composent l'air disperseront les électrons. Une exception est l'environnement de microscope électronique à balayage, qui permet de visualiser des échantillons hydratés dans des environnements à basse pression (jusqu'à 2,7 kPa) et/ou humides. Les microscopes électroniques à balayage fonctionnant en mode classique à vide poussé affichent généralement un échantillon conducteur ; Par conséquent, les matériaux non conducteurs nécessitent un revêtement conducteur (or/palladium, alliage de carbone, osmium, etc.). Le mode basse tension des microscopes modernes permet d'observer des échantillons non-conducteurs non revêtus. Les matériaux non conducteurs peuvent également être représentés par alternance de pression (ou environnement) un microscope électronique à balayage.

Applications

L'histoire de la création d'un microscope électronique

En 1931, R. Rudenberg a reçu un brevet pour un microscope électronique à transmission et en 1932, M. Knoll et E. Ruska ont construit le premier prototype d'un appareil moderne. Ce travail d'E. Ruski en 1986 a reçu le prix Nobel de physique, qui lui a été décerné ainsi qu'aux inventeurs du microscope à sonde à balayage Gerd Karl Binnig et Heinrich Rohrer. L'utilisation d'un microscope électronique à transmission pour la recherche scientifique a commencé à la fin des années 1930, et en même temps le premier instrument commercial, construit par Siemens, est apparu.

À la fin des années 1930 et au début des années 1940, les premiers microscopes électroniques à balayage sont apparus et formaient une image d'un objet lorsqu'une sonde électronique de petite section était déplacée séquentiellement sur l'objet. L'utilisation massive de ces instruments dans la recherche scientifique a commencé dans les années 1960, lorsqu'ils ont atteint une excellence technique significative.

Un bond en avant significatif (dans les années 70) dans le développement a été l'utilisation de cathodes Schottky et de cathodes à émission de champ froid au lieu de cathodes thermoioniques, mais leur utilisation nécessite un vide beaucoup plus important.

À la fin des années 90 et au début des années 2000, l'informatisation et l'utilisation de détecteurs CCD ont considérablement augmenté la stabilité et (relativement) la facilité d'utilisation.

Au cours de la dernière décennie, des correcteurs d'aberrations sphériques et chromatiques (qui introduisent la distorsion principale dans l'image résultante) ont été utilisés dans les microscopes électroniques à transmission avancés modernes, mais leur utilisation complique parfois considérablement l'utilisation de l'appareil.

Types de microscopes électroniques

La microscopie électronique à transmission

Modèle : Section vide

Vue initiale d'un microscope électronique. Un microscope électronique à transmission utilise un faisceau d'électrons à haute énergie pour former une image. Le faisceau d'électrons est créé au moyen d'une cathode (tungstène, LaB 6, Schottky ou émission de champ froid). Le faisceau d'électrons résultant est généralement accéléré jusqu'à +200 keV (différentes tensions sont utilisées de 20 keV à 1 meV), focalisé par un système de lentilles électrostatiques, et traverse l'échantillon de sorte qu'une partie soit dispersée sur l'échantillon, et la partie ne l'est pas. Ainsi, le faisceau d'électrons traversant l'échantillon transporte des informations sur la structure de l'échantillon. Le faisceau traverse ensuite un système de lentilles grossissantes et forme une image sur un écran fluorescent (généralement du sulfure de zinc), une plaque photographique ou une caméra CCD.

La résolution TEM est limitée principalement par l'aberration sphérique. Certains TEM modernes ont des correcteurs d'aberration sphérique.

Les principaux inconvénients du MET sont la nécessité d'un échantillon très fin (de l'ordre de 100nm) et l'instabilité (décomposition) des échantillons sous le faisceau.

Microscopie électronique à trame de transmission (à balayage) (STEM)

Article principal : Microscope électronique à balayage par transmission

L'un des types de microscopie électronique à transmission (MET), cependant, il existe des dispositifs fonctionnant exclusivement en mode STEM. Un faisceau d'électrons traverse un échantillon relativement mince, mais, contrairement à la microscopie électronique à transmission conventionnelle, le faisceau d'électrons est focalisé sur un point qui se déplace à travers l'échantillon le long d'une trame.

Microscopie électronique à balayage (scanning)

Il est basé sur le principe de la télévision consistant à balayer un mince faisceau d'électrons sur la surface de l'échantillon.

Microscopie électronique basse tension

Applications des microscopes électroniques

Les principaux fabricants mondiaux de microscopes électroniques

voir également

Remarques (modifier)

Liens

• Top 15 des images de microscopes électroniques de 2011 Les images sur le site recommandé sont colorées au hasard et ont une valeur artistique plutôt que scientifique (les microscopes électroniques produisent des images en noir et blanc plutôt qu'en couleur).

Fondation Wikimédia. 2010.

Pour comprendre comment ça marche microscope optique, il faut considérer sa structure.

Le principal instrument de la biologie est Système optique, qui se compose d'un trépied, d'un éclairage et de pièces optiques. Le trépied comprend une chaussure; une scène avec un support de lame de verre et deux vis qui déplacent la scène dans deux directions perpendiculaires ; tube, porte-tube; des macro et microvis qui déplacent le tube dans le sens vertical.

Pour éclairer l'objet, utilisez un éclairage naturel diffus ou lumière artificielle, qui est réalisée au moyen d'un microscope monté à demeure dans la chaussure ou d'un illuminateur relié par une barre.

Le système d'éclairage comprend également un miroir à surfaces planes et concaves et un condenseur situé sous la scène et composé de 2 lentilles, d'un diaphragme à iris et d'un cadre articulé pour les filtres de lumière. La partie optique comprend un ensemble d'objectifs et d'oculaires qui vous permettent d'étudier les cellules à différents grossissements.

Le principe de fonctionnement d'un microscope optique est qu'un faisceau de lumière provenant d'une source lumineuse est collecté dans un condenseur et dirigé vers un objet. Après l'avoir traversé, les rayons lumineux pénètrent dans le système de lentilles de l'objectif. Ils construisent une image primaire qui est agrandie à l'aide des lentilles oculaires. En général, l'objectif et l'oculaire fournissent une image fantôme inversée et agrandie de l'objet.

Les principales caractéristiques de tout microscope sont la résolution et le contraste.

La résolution est la distance minimale à laquelle deux points sont démontrés séparément par le microscope.

La résolution du microscope est calculée par la formule

où l est la longueur d'onde de la lumière de l'illuminateur,

b - l'angle entre l'axe optique de la lentille et le rayon le plus déviant tombant dedans,

n est l'indice de réfraction du milieu.

Plus la longueur d'onde du faisceau est courte, plus les détails que nous pouvons observer au microscope sont fins. Et plus l'ouverture numérique de l'objectif est élevée (n, plus la résolution de l'objectif est élevée.

Un microscope optique peut augmenter la résolution de l'œil humain d'environ 1000 fois. C'est le grossissement "utile" du microscope. Lors de l'utilisation de la partie visible du spectre lumineux, la limite finale de résolution du microscope optique est de 0,2-0,3 microns.

Cependant, il convient de noter que la microscopie optique nous permet de voir des particules en dessous de la limite de résolution. Cela peut être fait en utilisant la méthode "Darkfield" ou "Ultramicroscopy".

Riz. 1 Microscope optique : 1 - trépied ; 2 - tableau des matières ; 3 - buse; 4 - oculaire; 5 - tubes; 6 - changeur de lentilles; 7 - microlentille; 8 - condensateur; 9 - mécanisme de mouvement du condenseur; 10 - collecteur; 11 - système d'éclairage; 12 - mécanisme de mise au point du microscope.

Structure du microscope électronique

La partie principale du microscope électronique est un cylindre à vide creux (l'air est évacué pour exclure l'interaction des électrons avec ses composants et l'oxydation du filament cathodique). Une haute tension est appliquée entre la cathode et l'anode pour accélérer davantage les électrons. Dans une lentille de condenseur (qui est un électro-aimant, comme toutes les lentilles d'un microscope électronique), un faisceau d'électrons est focalisé et frappe l'objet à l'étude. Les électrons transmis forment une image primaire agrandie sur la lentille de l'objectif, qui est agrandie par la lentille de projection, et est projetée sur l'écran, qui est recouvert d'une couche luminescente pour briller lorsque les électrons le frappent.

Riz. 2. Microscope électronique : 1 - canon à électrons; 2 - anode; 3 - bobine pour l'alignement du pistolet ; 4 - vanne pistolet; 5 - 1ère lentille de condenseur ; 6 - 2ème lentille de condenseur ; 7 - bobine pour incliner le faisceau 8 - condensateur à diaphragme 2; 9 - lentille d'objectif; 10 - bloc d'échantillons; 11 - diaphragme de diffraction; 12 - lentille diffractive; 13 - lentille intermédiaire; 14 - 1er objectif de projection ; 15 - 2ème objectif de projection ; 16 - binoculaire (grossissement 12); 17 - bloc à vide de la colonne; 18 - caméra pour film en rouleau 35 mm; 19 - écran de visée; 20 - chambre des archives; 21 - écran principal; 22 - pompe à sorption ionique.

Archéologie technologique)
Certains microscopes électroniques restaurent, d'autres firmware vaisseau spatial, le troisième - sont engagés dans l'ingénierie inverse de circuits de microcircuits au microscope. Je soupçonne que l'activité est terriblement excitante.
Et, soit dit en passant, je me suis souvenu d'un merveilleux article sur l'archéologie industrielle.

Divulgacher

Il existe deux types de mémoire d'entreprise : les personnes et la documentation. Les gens se souviennent comment les choses fonctionnent et ils savent pourquoi. Parfois, ils écrivent ces informations quelque part et conservent leurs dossiers quelque part. C'est ce qu'on appelle la "documentation". L'amnésie des entreprises fonctionne de la même manière : les gens partent et les dossiers disparaissent, pourrissent ou sont tout simplement oubliés.

J'ai passé plusieurs décennies à travailler pour une grande entreprise pétrochimique. Au début des années 1980, nous avons conçu et construit une usine qui convertit certains hydrocarbures en d'autres hydrocarbures. Au cours des 30 années suivantes, la mémoire corporative de cette usine s'est estompée. Oui, l'usine fonctionne toujours et rapporte de l'argent à l'entreprise ; la maintenance est effectuée et des spécialistes hautement intelligents savent quoi tirer et où donner un coup de pied pour que l'usine continue de fonctionner.

Mais l'entreprise a complètement oublié le fonctionnement de cette usine.

Cela était dû à plusieurs facteurs :

Le ralentissement de l'industrie pétrochimique dans les années 1980 et 1990 nous a obligés à cesser d'embaucher de nouvelles personnes. À la fin des années 90, il y avait des gars de moins de 35 ans ou de plus de 55 ans qui travaillaient dans notre groupe - à quelques exceptions près.
Nous sommes lentement passés à la conception assistée par ordinateur.
En raison de réorganisations d'entreprise, nous avons dû déplacer physiquement l'ensemble du bureau d'un endroit à l'autre.
Une fusion d'entreprise quelques années plus tard a complètement dissous notre entreprise dans une plus grande, provoquant une restructuration globale des départements et un remaniement du personnel.
Archéologie industrielle

Au début des années 2000, plusieurs de mes collègues et moi avons pris notre retraite.

À la fin des années 2000, l'entreprise s'est souvenue de l'usine et a pensé que ce serait bien d'en faire quelque chose. Disons augmenter la production. Par exemple, vous pouvez trouver un goulot d'étranglement dans le processus de production et l'améliorer - la technologie ne s'est pas arrêtée depuis 30 ans - et, peut-être, ajouter un autre atelier.

Et puis l'entreprise de partout est imprimée dans mur de briques... Comment cette usine a-t-elle été construite ? Pourquoi a-t-il été construit de cette façon et pas autrement ? Comment ça marche exactement? Pourquoi avons-nous besoin de la cuve A, pourquoi les ateliers B et C sont-ils reliés par une canalisation, pourquoi la canalisation a-t-elle un diamètre de D, et non D ?

L'amnésie des entreprises en action. Des machines gigantesques construites par des extraterrestres à l'aide de leur technologie extraterrestre rongent comme si elles couraient, donnant des tas de polymères à la montagne. L'entreprise a une idée approximative de la façon d'entretenir ces machines, mais n'a aucune idée de la magie incroyable qui se passe à l'intérieur, et personne n'a la moindre idée de la façon dont elles ont été créées. En général, les gens ne savent même pas quoi chercher exactement et ne savent pas de quel côté cet enchevêtrement doit être démêlé.

Nous recherchons des gars qui, lors de la construction de cette usine, ont déjà travaillé dans l'entreprise. Maintenant, ils empruntent postes élevés et asseyez-vous dans des pièces séparées et climatisées. Ils sont chargés de rechercher la documentation de l'usine susmentionnée. Ce n'est plus de la mémoire d'entreprise, c'est plutôt de l'archéologie industrielle. Personne ne sait quelle documentation existe pour cette plante, si elle existe, et si oui, sous quelle forme elle est stockée, sous quels formats, ce qu'elle comprend et où elle se trouve physiquement. L'usine a été conçue l'équipe du projet qui n'existe plus, dans une entreprise rachetée depuis, dans un bureau fermé, avec des méthodes de l'ère pré-informatique qui ne s'appliquent plus.

Les gars se souviennent de leur enfance avec l'essaimage obligatoire dans la boue, retroussent les manches de vestes chères et se mettent au travail.