Pojem "mikroskop" má grécke korene. Skladá sa z dvoch slov, ktoré v preklade znamenajú „malý“ a „pohľad“. Hlavnou úlohou mikroskopu je jeho využitie pri skúmaní veľmi malých predmetov. Toto zariadenie zároveň umožňuje určiť veľkosť a tvar, štruktúru a ďalšie vlastnosti tiel neviditeľných voľným okom.

História stvorenia

Neexistujú presné informácie o tom, kto bol v histórii vynálezcom mikroskopu. Podľa niektorých správ ho v roku 1590 navrhli otec a syn Janssena, výrobcu okuliarov. Ďalším uchádzačom o titul vynálezca mikroskopu je Galileo Galilei. V roku 1609 tento vedec predstavil verejnosti v Accademia dei Lincei zariadenie s konkávnymi a konvexnými šošovkami.

V priebehu rokov sa systém na prezeranie mikroskopických objektov vyvíjal a zlepšoval. Obrovským krokom v jeho histórii bol vynález jednoduchého achromaticky nastaviteľného dvojšošovkového zariadenia. Tento systém zaviedol Holanďan Christian Huygens koncom 17. storočia. Okuláre tohto vynálezcu sa dodnes vyrábajú. Ich jedinou nevýhodou je nedostatočná šírka zorného poľa. Navyše v porovnaní s dizajnom moderných nástrojov majú okuláre Huygens nevhodnú polohu pre oči.

Výrobca takýchto zariadení Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723) sa osobitne zapísal do histórie mikroskopu. Práve on na toto zariadenie upozornil biológov. Leeuwenhoek vyrábal malé produkty vybavené jednou, ale veľmi silnou šošovkou. Bolo nepohodlné používať takéto zariadenia, ale neduplikovali chyby obrazu, ktoré boli prítomné v zložených mikroskopoch. Tento nedostatok sa vynálezcom podarilo napraviť až po 150 rokoch. Spolu s vývojom optiky sa zlepšila aj kvalita obrazu v kompozitných zariadeniach.

Zdokonaľovanie mikroskopov pokračuje aj dnes. V roku 2006 teda nemeckí vedci pracujúci v Ústave biofyzikálnej chémie Mariano Bossi a Stefan Helle vyvinuli špičkový optický mikroskop. Pre svoju schopnosť pozorovať objekty už od 10 nm a vysokokvalitné 3D obrazy v troch rozmeroch sa zariadenie nazývalo nanoskop.

Klasifikácia mikroskopov

V súčasnosti existuje široká škála nástrojov určených na sledovanie malých predmetov. Sú zoskupené na základe rôznych parametrov. Môže to byť účel mikroskopu alebo akceptovaný spôsob osvetlenia, štruktúra použitá na optický dizajn atď.

Ale spravidla sú hlavné typy mikroskopov klasifikované podľa veľkosti rozlíšenia mikročastíc, ktoré možno vidieť pomocou tohto systému. Podľa tohto rozdelenia sú mikroskopy:
- optické (svetlo);
- elektronický;
- röntgen;
- skenovacia sonda.

Najrozšírenejšie sú svetelné mikroskopy. V obchodoch s optikou je ich široký výber. Pomocou takýchto zariadení sa riešia hlavné úlohy na štúdium konkrétneho objektu. Všetky ostatné typy mikroskopov sú klasifikované ako špecializované. Ich použitie sa spravidla uskutočňuje v laboratórnych podmienkach.

Každý z vyššie uvedených typov zariadení má svoj vlastný poddruh, ktorý sa používa v určitej oblasti. Okrem toho je dnes možné zakúpiť si školský mikroskop (alebo vzdelávací), čo je entry-level systém. Spotrebiteľom sú ponúkané aj profesionálne zariadenia.

Aplikácia

Na čo slúži mikroskop? Ľudské oko, ktoré je špeciálnym optickým systémom biologického typu, má určitú úroveň povolenia. Inými slovami, medzi pozorovanými objektmi je najmenšia vzdialenosť, keď sa dajú ešte rozlíšiť. Pre normálne oko je toto rozlíšenie v rozmedzí 0,176 mm. Ale veľkosť väčšiny živočíšnych a rastlinných buniek, mikroorganizmov, kryštálov, mikroštruktúra zliatin, kovov atď. je oveľa menšia ako táto hodnota. Ako možno študovať a pozorovať takéto objekty? Tu prichádzajú na pomoc ľuďom rôzne druhy mikroskopov. Napríklad spotrebiče optický typ umožňujú rozlíšiť štruktúry, v ktorých je vzdialenosť medzi prvkami aspoň 0,20 µm.

Ako funguje mikroskop?

Prístroj, pomocou ktorého sa ľudskému oku sprístupňuje skúmanie mikroskopických predmetov, má dva hlavné prvky. Ide o šošovku a okulár. Tieto časti mikroskopu sú upevnené v pohyblivej trubici umiestnenej na kovovej základni. Je na nej aj predmetová tabuľka.

Moderné typy mikroskopov sú zvyčajne vybavené osvetľovacím systémom. Ide najmä o kondenzátor s irisovou clonou. Povinnou kompletnou sadou zväčšovacích zariadení sú mikro a makro skrutky, ktoré slúžia na nastavenie ostrosti. Konštrukcia mikroskopov tiež počíta s prítomnosťou systému, ktorý riadi polohu kondenzátora.

V špecializovaných, zložitejších mikroskopoch sa často používajú ďalšie prídavné systémy a zariadenia.

Objektívy

Opis mikroskopu by som rád začal príbehom o jednej z jeho hlavných častí, teda od objektívu. Ide o komplexný optický systém, ktorý zväčšuje veľkosť predmetného objektu v rovine obrazu. Dizajn šošoviek zahŕňa celý systém nielen jednotlivých šošoviek, ale aj dvoch alebo troch šošoviek zlepených dohromady.

Zložitosť takéhoto opticko-mechanického dizajnu závisí od rozsahu tých úloh, ktoré musí toto alebo toto zariadenie vyriešiť. Napríklad najsofistikovanejší mikroskop poskytuje až štrnásť šošoviek.

Objektív obsahuje prednú časť a na ňu nadväzujúce systémy. Čo je základom pre vytvorenie obrazu požadovanej kvality, ako aj určenie prevádzkového stavu? Toto je predná šošovka alebo ich systém. Na dosiahnutie požadovaného zväčšenia, ohniskovej vzdialenosti a kvality obrazu sú potrebné následné diely objektívu. Tieto funkcie sú však možné len v kombinácii s prednou šošovkou. Treba tiež povedať, že dizajn následnej časti ovplyvňuje dĺžku tubusu a výšku šošovky zariadenia.

Okuláre

Tieto časti mikroskopu predstavujú optický systém, určený na vytvorenie potrebného mikroskopického obrazu na povrchu sietnice očí pozorovateľa. Okuláre obsahujú dve skupiny šošoviek. To, ktoré je najbližšie k oku výskumníka, sa nazýva oko a vzdialené sa nazýva pole (šošovka s jeho pomocou vytvára obraz skúmaného objektu).

Systém osvetlenia

Mikroskop má zložitú štruktúru membrán, zrkadiel a šošoviek. S jeho pomocou je zabezpečené rovnomerné osvetlenie skúmaného objektu. V úplne prvých mikroskopoch sa táto funkcia vykonávala, keď sa optické prístroje zdokonaľovali, používali sa v nich najskôr ploché a potom konkávne zrkadlá.

Pomocou takýchto jednoduchých detailov smerovali lúče zo slnka alebo lámp na predmet štúdia. Moderné mikroskopy sú dokonalejšie. Skladá sa z kondenzátora a kolektora.

Predmetová tabuľka

Mikroskopické vzorky, ktoré sa majú skúmať, sa umiestnia na rovný povrch. Toto je tabuľka predmetov. Rôzne druhy mikroskopy môžu mať daný povrch, navrhnutý tak, že predmet skúmania sa bude v pozorovateľovi otáčať horizontálne, vertikálne alebo pod určitým uhlom.

Princíp fungovania

V prvom optickom zariadení systém šošoviek vytváral reverzný obraz mikroobjektov. To umožnilo rozlíšiť štruktúru hmoty a najmenšie detaily, ktoré boli predmetom štúdia. Princíp činnosti svetelného mikroskopu je dnes podobný ako pri žiaruvzdornom ďalekohľade. V tomto zariadení sa svetlo pri prechode cez sklenenú časť láme.

Ako zväčšujú moderné svetelné mikroskopy? Po vstupe lúča svetelných lúčov do zariadenia sa tieto premenia na paralelný prúd. Až potom dochádza k lomu svetla v okulári, vďaka ktorému sa zväčšuje obraz mikroskopických predmetov. Ďalej tieto informácie prichádzajú vo forme potrebnej pre pozorovateľa v jeho

Podtypy svetelných mikroskopov

Moderné klasifikuje:

1. Podľa triedy zložitosti pre výskumný, pracovný a školský mikroskop.
2. Podľa oblasti použitia pre chirurgické, biologické a technické.
3. Podľa druhov mikroskopie pre zariadenia odrazeného a prechádzajúceho svetla, fázový kontakt, luminiscenciu a polarizáciu.
4. V smere svetelného toku k obráteným a rovným čiaram.

Elektrónové mikroskopy

Postupom času bol prístroj určený na skúmanie mikroskopických predmetov čoraz dokonalejší. Objavili sa také typy mikroskopov, v ktorých sa používal úplne iný princíp fungovania, ktorý nezávisel od lomu svetla. V procese používania najnovších typov zariadení sú zapojené elektróny. Takéto systémy vám umožňujú vidieť tak malé jednotlivé časti hmoty, že svetelné lúče okolo nich jednoducho prúdia.

Na čo slúži mikroskop? elektronický typ? Používa sa na štúdium štruktúry buniek na molekulárnej a subcelulárnej úrovni. Takéto zariadenia sa tiež používajú na štúdium vírusov.

Zariadenie elektrónového mikroskopu

Čo je základom práce najnovších prístrojov na pozorovanie mikroskopických objektov? Čím sa líši elektrónový mikroskop od svetelného? Sú medzi nimi nejaké podobnosti?

Princíp činnosti elektrónového mikroskopu je založený na vlastnostiach, ktoré majú elektrické a magnetické polia. Ich rotačná symetria je schopná poskytnúť zaostrovací efekt na elektrónové lúče. Na základe toho možno dať odpoveď na otázku: "Ako sa líši elektrónový mikroskop od svetelného?" Na rozdiel od optického zariadenia v ňom nie sú žiadne šošovky. Ich úlohu zohrávajú vhodne vypočítané magnetické a elektrické polia. Sú tvorené závitmi cievok, ktorými prechádza prúd. V tomto prípade takéto polia pôsobia podobne.So zvýšením alebo znížením intenzity prúdu sa ohnisková vzdialenosť zariadenia mení.

Pokiaľ ide o schematický diagram, v elektrónovom mikroskope je to podobné ako u svetelného zariadenia. Jediný rozdiel je v tom, že optické prvky sú nahradené podobnými elektrickými.

K zväčšeniu objektu v elektrónových mikroskopoch dochádza v dôsledku procesu lomu lúča svetla prechádzajúceho cez skúmaný objekt. V rôznych uhloch dopadajú lúče do roviny šošovky objektívu, kde dochádza k prvému zväčšeniu vzorky. Elektróny potom putujú k medzišošovke. V ňom dochádza k plynulej zmene nárastu veľkosti objektu. Konečný obraz testovaného materiálu poskytuje projekčná šošovka. Z nej obraz padá na fluorescenčnú obrazovku.

Typy elektrónových mikroskopov

Medzi moderné typy patria:

1... TEM alebo transmisný elektrónový mikroskop. V tomto nastavení sa interakciou elektrónového lúča so skúmanou látkou a jeho následným zväčšením pomocou magnetických šošoviek umiestnených v objektíve vytvorí obraz veľmi tenkého objektu s hrúbkou do 0,1 µm.
2... SEM alebo rastrovací elektrónový mikroskop. Takéto zariadenie umožňuje získať obraz povrchu objektu s vysokým rozlíšením rádovo niekoľkých nanometrov. Pri použití dodatočných metód takýto mikroskop poskytuje informácie, ktoré pomáhajú určiť chemické zloženie blízkych povrchových vrstiev.
3. Tunelový skenovací elektrónový mikroskop alebo STM. Pomocou tohto prístroja sa meria reliéf vodivých plôch s vysokým priestorovým rozlíšením. V procese práce s STM sa k skúmanému objektu privádza ostrá kovová ihla. V tomto prípade je dodržaná vzdialenosť iba niekoľkých angstromov. Ďalej sa na ihlu aplikuje malý potenciál, v dôsledku čoho vzniká tunelový prúd. V tomto prípade pozorovateľ dostane trojrozmerný obraz skúmaného objektu.

Mikroskopy "Levenguk"

V roku 2002 sa v Amerike objavila nová spoločnosť, ktorá sa zaoberala výrobou optických prístrojov. V zozname sortimentu jej produktov sú mikroskopy, teleskopy a ďalekohľady. Všetky tieto zariadenia sa vyznačujú vysokou kvalitou obrazu.

Hlavné sídlo a vývojové oddelenie spoločnosti sa nachádza v USA, v meste Fremond (Kalifornia). Ale čo sa týka výrobných zariadení, tie sa nachádzajú v Číne. Vďaka tomu všetkému spoločnosť dodáva na trh pokrokové a kvalitné produkty za dostupnú cenu.

Potrebujete mikroskop? Levenhuk navrhne požadovanú možnosť. Sortiment optických zariadení spoločnosti zahŕňa digitálne a biologické prístroje na zväčšovanie skúmaného objektu. Okrem toho sa kupujúcemu ponúkajú dizajnérske modely vyrobené v rôznych farbách.

Mikroskop Levenhuk má rozsiahle funkcie. Napríklad základné vzdelávacie zariadenie môže byť pripojené k počítaču a je tiež schopné nahrávať videozáznam prebiehajúceho výskumu. Model Levenhuk D2L je vybavený touto funkcionalitou.

Spoločnosť ponúka biologické mikroskopy rôznych úrovní. Ide o jednoduchšie modely aj novinky, ktoré sú vhodné pre profesionálov.

ELEKTRONICKÝ MIKROSKOP- prístroj na pozorovanie a fotografovanie opakovane (až 10 6-krát) zväčšeného obrazu objektu, v ktorom sú namiesto svetelných lúčov použité lúče zrýchlené na vysoké energie (30-1000 keV a viac) v hlbokých podmienkach. Phys. základy optických prístrojov s korpuskulárnym lúčom. prístroje položil v rokoch 1827, 1834-35 (takmer sto rokov pred príchodom EM) W. P. Hamilton, ktorý dokázal existenciu analógie medzi prechodom svetelných lúčov v opticky nehomogénnom prostredí a dráhami častíc v silových poliach. .. Uskutočniteľnosť vytvorenia EM sa stala zrejmou po vyslovení hypotézy de Broglieho vĺn v roku 1924 a tech. predpoklady vytvoril H. Busch (H. Busch), to-ry v roku 1926 skúmal fokusačné vlastnosti osovo symetrických polí a vyvinul magn. elektronická šošovka. V roku 1928 M. Knoll a E. Ruska začali vytvárať prvý magn. prenos EM (TEM) a o tri roky neskôr získal obraz objektu, tvorený elektrónovými lúčmi. V nasledujúcich rokoch boli postavené prvé rastrové EM (SEM), fungujúce na princípe skenovania, teda sekvenčného pohybu tenkého elektrónového lúča (sondy) po objekte z bodu do bodu. K ser. 60. roky 20. storočia SEM dosiahli špičkovú technológiu. dokonalosť a od tej doby sa začalo ich rozsiahle používanie vo vede. výskumu. MKP majú najvyššie rozhodnutie, prevyšujúce svetlo mikroskopy vo viacerých. tisíckrát. Riešenie, ktoré charakterizuje schopnosť zariadenia zobraziť oddelene dva maximálne blízko seba vzdialené detaily objektu, pre TEM je 0,15-0,3 HM, t.j. dosahuje úroveň, ktorá umožňuje pozorovať atómovú a molekulárnu štruktúru skúmaného objektu. predmety. Tieto vysoké rozlíšenia sú dosiahnuté vďaka extrémne krátkej vlnovej dĺžke elektrónov. Šošovky E. m. Majú aberácie, účinné metódy korekcie na rykh neboli nájdené, na rozdiel od svetelného mikroskopu (pozri. Elektronická a iónová optika Preto v TEM magn. elektronické šošovky(EL), v ktorých sú aberácie rádovo menšie, úplne nahradili elektrostatické. Optimálna clona (viď. Membrána v elektronickom a iónovom optike e) je možné zmenšiť sférický. ovplyvňujúce aberáciu šošovky

TEM v prevádzke možno rozdeliť do troch skupín: EM s vysokým rozlíšením, zjednodušené TEM a jedinečné EM s ultra vysokým rozlíšením.

Vysoké rozlíšenie TEM(0,15 - 0,3 nm) - univerzálne zariadenia na viacúčelové účely. Používajú sa na pozorovanie obrazu predmetov vo svetlom a tmavom poli, na elektronografické štúdium ich štruktúry. metóda (pozri. Elektronografia), ktorá drží miestne množstvá. pomocou spektrometra energ. strata elektrónov a kryštalické rtg. a polovodičové a prijímacie spektroskopické. obrázky objektov pomocou filtra, ktorý odfiltruje elektróny s energiami mimo danej energie. okno. Strata energie elektrónov prechádzajúcich filtrom a vytvárajúcich obraz je spôsobená prítomnosťou jednej chemikálie v objekte. element. Preto sa zvyšuje kontrast oblastí, v ktorých je tento prvok prítomný. Posúvanie okna pozdĺž energie spektrum príjem distribúcia rozklad. prvky obsiahnuté v objekte. Filter sa tiež používa ako monochromátor na zvýšenie rozlišovacej schopnosti elektrónov pri štúdiu objektov veľkej hrúbky, ktoré zvyšujú šírenie energie elektrónov a (v dôsledku toho) chromatickú aberáciu.

S pomocou add. zariadenia a prídavné zariadenia študované v objekte TEM môžu byť naklonené v rôznych rovinách vo veľkých uhloch k optike. osi, zahrievať, chladiť, deformovať. Napätie urýchľujúce elektróny v elektrónoch s vysokým rozlíšením je 100-400 kV, je regulované stupňovito a je vysoko stabilné: po dobu 1 - 3 minút sa jeho hodnota nemôže zmeniť o viac ako (1-2) · 10 -6 od počiatočnej hodnoty . Hrúbka predmetu závisí od urýchľovacieho napätia, ktoré môže byť „osvetlené“ elektrónovým lúčom. V 100-kilovoltových emulziách sa študujú predmety od 1 do niekoľkých hrúbok. desiatky nm.

Schematický TEM opísaného typu je znázornený na obr. 1. Vo svojej elektronickej optike. systém (stĺpec) pomocou vákuového systému vytvára hlboké vákuum (tlak až ~ 10 -5 Pa). Elektrónovo-optický obvod MKP systém je znázornený na obr. 2. Vznikne zväzok elektrónov, ktorého zdrojom je horúca katóda elektrónová pištoľ a vysokonapäťovým urýchľovačom a potom je dvakrát zaostrený prvým a druhým kondenzorom, ktoré vytvoria na objekte malú elektronickú "bodku" (priemer bodu sa môže po nastavení meniť od 1 do 20 µm). Po prechode objektom sú niektoré elektróny rozptýlené a zadržané apertúrnou clonou. Nerozptýlené elektróny prechádzajú cez apertúru clony a sú zaostrené objektívom v rovine objektu strednej elektrónovej šošovky. Tu sa vytvorí prvý zväčšený obrázok. Nasledujúce šošovky vytvárajú druhý, tretí atď. obraz. Tá druhá, projekčná šošovka, vytvára obraz na katodoluminiscenčnej obrazovke, ktorá žiari vplyvom elektrónov. Stupeň a povaha rozptylu elektrónov nie sú rovnaké v rôznych bodoch objektu, pretože hrúbka, štruktúra a chemikálie. zloženie objektu sa mení bod od bodu. V súlade s tým sa mení počet elektrónov prechádzajúcich cez apertúrnu clonu a tým aj hustota prúdu v obraze. Vzniká amplitúdový kontrast, ktorý sa premieňa na svetelný kontrast na obrazovke. V prípade tenkých predmetov, fázový kontrast spôsobené zmenou fáz rozptýlených v objekte a zasahujúcich do roviny obrazu. Pod sitom emulzie je umiestnený sklad s fotografickými platňami, pri fotografovaní sa sito sníma a elektróny pôsobia na vrstvu fotoemulzie. Obraz je zaostrovaný šošovkou objektívu pomocou plynulého nastavenia prúdu, ktorý mení jeho magn. lúka. Prúdy iných elektronických šošoviek regulujú zväčšenie EM, rez rovný súčinu zväčšení všetkých šošoviek. Pri veľkých zväčšeniach sa jas obrazovky stáva nedostatočným a obraz sa pozoruje pomocou zosilňovača jasu. Na analýzu obrazu sa vykoná analógovo-digitálna konverzia informácií v ňom obsiahnutých a spracovanie v počítači. Zosilnený a spracovaný obraz podľa daného programu sa zobrazí na obrazovke počítača a v prípade potreby sa vloží do pamäťového zariadenia.

Ryža. 1. Transmisný elektrónový mikroskop (TEM): 1 -elektrónová pištoľ s urýchľovačom; 2-kondenzátburinové šošovky; 3 - šošovka objektívu; 4 - projekcia šošovky; 5 -svetelný mikroskop, dodatočne oddialenýčítanie obrazu na obrazovke; b-tokorálky s okienkami, cez ktoré môžete pozorovaťdať obrázok; 7 - vysokonapäťový kábel; 8 - vákuový systém; 9 - Diaľkové ovládanie; 10 -stáť; 11 - vysokonapäťové napájacie zariadenie; 12 - napájanie objektívu.

Ryža. 2. Elektrónovo-optická schéma TEM: 1 -katóda; 2 - zaostrovací valec; 3 -urýchľovač; 4 -zavytváranie vysokého (krátkeho dosahu) kondenzátora zmenšený obraz zdroja elektrónov; 5 - druhý (dlhý ohniskový) kondenzor, ktorý prenesie miniatúrny obrázok zdroja elektróny na objekt; 6 -objekt; 7 -priemer clonyfragment šošovky; 8 - šošovka; 9 , 10, 11 -systém projekčné šošovky; 12 -katodoluminiscenčné obrazovke.

Zjednodušené TEM určené na vedecké. štúdie, v ktorých sa nevyžaduje vysoké rozlíšenie. Používajú sa aj na presilovky. prezeranie predmetov, rutinnú prácu a na vzdelávacie účely. Tieto zariadenia sú konštrukčne jednoduché (jeden kondenzor, 2-3 elektronické šošovky na zväčšenie obrazu objektu), majú nižšie (60-100 kV) urýchľovacie napätie a nižšiu stabilitu vysokého napätia a prúdov šošoviek. Ich rozlíšenie je 0,5-0,7 nm.

Ultravysoké napätie E. m ... (SVEM) - zariadenia s urýchľovacím napätím od 1 do 3,5 MB - sú veľkorozmerné konštrukcie s výškou 5 až 15 m. Sú pre ne vybavené špeciálnym zariadením. priestory alebo postaviť samostatné budovy, ktoré sú neoddeliteľnou súčasťou komplexu SVEM. Prvé SVEM boli určené na štúdium objektov s veľkou hrúbkou (1 -10 µm), s rezom zachovávajúcim vlastnosti masívneho telesa. Kvôli silnému vplyvu chromatiky. aberácií, rozlišovacia schopnosť takýchto emisií je znížená. V porovnaní so 100-kilovoltovými EM je však rozlíšenie obrázkov hrubých predmetov v SHEM 10-20-krát vyššie. Keďže energia elektrónov v SHEM je vyššia, ich vlnová dĺžka je kratšia ako v TEM s vysokým rozlíšením. Preto po vyriešení zložitých tech. problémy (trvalo to viac ako jedno desaťročie) a implementácia vysokej odolnosti voči vibráciám, spoľahlivej izolácie vibrácií a dostatočnej mechanickej a elektrické. Najvyššie (0,13-0,17 nm) rozlíšenie pre priesvitné EM bolo dosiahnuté na SHEM, čo umožnilo fotografovať snímky atómových štruktúr. Avšak, sférický. aberácia objektívu a rozostrenie skresľujú snímky zachytené v maximálnom rozlíšení a bránia získaniu spoľahlivých informácií. Táto informačná bariéra je prekonaná pomocou ohniskových sérií obrázkov, ktoré sa získajú pri dec. rozostrenie šošovky. Paralelne sa pre rovnaké rozostrenia simuluje študovaná atómová štruktúra na počítači. Porovnanie ohniskovej série so sériou modelových snímok pomáha dešifrovať mikrofotografie atómových štruktúr nasnímané pomocou SHEM s konečným rozlíšením. Na obr. 3 je znázornená schéma SVEM umiestneného v špeciáli. budova. Hlavná jednotky zariadenia sú spojené do jedného komplexu pomocou plošiny, okraje sú zavesené na strope na štyroch reťaziach a pružinách tlmiacich nárazy. Na vrchu plošiny sú dve nádrže naplnené izolačným plynom pod tlakom 3-5 atm. V jednom z nich je umiestnený vysokonapäťový generátor, v druhom elektrostatický. urýchľovač elektrónov s elektrónovou pištoľou. Obe nádrže sú spojené odbočným potrubím, cez ktoré sa prenáša vysoké napätie z generátora do urýchľovača. Zo spodu k nádrži s akcelerátorom prilieha elektronicko-optika. stĺp umiestnený v spodnej časti budovy, chránený stropom pred röntgenovým žiarením. žiarenie generované v urýchľovači. Všetky uvedené uzly tvoria tuhú štruktúru s fyzikálnymi vlastnosťami. kyvadlo s veľkou (až 7 s) periódou vlastného. , to-raže sa hasia kvapalinovými tlmičmi. Systém kyvadlového zavesenia poskytuje účinnú izoláciu SVEM od vonkajšej strany. vibrácie. Zariadenie je ovládané z diaľkového ovládača umiestneného v blízkosti stĺpa. Usporiadanie šošoviek, stĺpikov a iných jednotiek zariadenia je podobné ako u zodpovedajúcich FEM zariadení a líši sa od nich veľkými rozmermi a hmotnosťou.


Ryža. 3. Ultravysokonapäťový elektrónový mikroskop (SVEM): 1-vibračná izolačná platforma; 2-reťazce, na ktorej plošina visí; 3 - tlmenie nárazov pružiny; 4-nádrže obsahujúce generátor vásvysokonapäťový a elektrónový urýchľovač s elektrónomnoahové delo; 5-elektrónový optický stĺpec; 6- presah rozdeľujúci budovu SVEM na hornú a dolné chodby a pracujúci ochranný personál dolná hala z röntgenových lúčov; 7 - diaľkové ovládanie ovládanie mikroskopu.

Raster E. m... (SEM) s tepelnou emisnou pištoľou je najbežnejším typom zariadení v elektrónová mikroskopia... Používajú volfrámové a hexaborid-lantánové horúce katódy. Rozlíšenie SEM závisí od elektronického jasu pištole a v zariadeniach tejto triedy je 5-10 nm. Urýchľovacie napätie je nastaviteľné od 1 do 30-50 kV. Zariadenie SEM je znázornené na obr. 4. Pomocou dvoch alebo troch elektronických šošoviek sa úzka elektrónová sonda zaostrí na povrch vzorky. Magn. vychyľovacie cievky rozmiestnia sondu cez vopred určenú oblasť na objekte. Pri interakcii elektrónov sondy s objektom vzniká niekoľko typov žiarenia (obr. 5): sekundárne a odrazené elektróny; Augerove elektróny; röntgen brzdné svetlo a charakteristické žiarenie(cm. charakteristické spektrum); svetelné žiarenie a pod. Akékoľvek žiarenie, prúdy elektrónov prechádzajúce objektom (ak je tenký) a absorbované v objekte, ako aj napätie indukované na objekte, je možné zaznamenať vhodnými detektormi, ktoré tieto emisie premieňajú. prúdov a napätí na elektrinu. signály, ktoré sa po zosilnení privádzajú do katódovej trubice (CRT) a modulujú jej lúč. Skenovanie lúča CRT sa vykonáva synchrónne so skenovaním elektrónovej sondy v SEM a na obrazovke CRT sa pozoruje zväčšený obraz objektu. Zväčšenie sa rovná pomeru veľkosti rámu na obrazovke CRT k zodpovedajúcej veľkosti na skenovanom povrchu objektu. Obraz je fotografovaný priamo z CRT obrazovky. Hlavná výhodou SEM je vysoký informačný obsah zariadenia, vzhľadom na schopnosť pozorovať obrazy pomocou signálov z dekomp. detektory. Pomocou SEM môžete skúmať mikroreliéf, distribúciu chemikálií. kompozícia pre objekt, p-n-prechody na vytváranie röntgenových lúčov. spektrálna analýza a iné SEM sú široko používané v technol. procesov (riadenie v elektronických litografických technológiách, overovanie a zisťovanie porúch v mikroobvodoch, metrológia mikroproduktov a pod.).


Ryža. 4. Schéma rastrovacieho elektrónového mikroskopu (SEM): 1 - izolátor elektrónovej pištole; 2 -V-obrazny horúca katóda; 3 - zaostrovacia elektróda; 4 - anóda; 5 - kondenzorové šošovky; 6 -bránica; 7 - dvojvrstvový vychyľovací systém; 8 - šošovka; 9 -apertúrna clona šošovky; 10 -objekt; 11 -detektor sekundárnych elektrónov; 12 -kryštáltvárový spektrometer; 13 - proporcionálne počítadlo; 14 - predzosilňovač; 15 - zosilňovacia jednotka; 16, 17 - vybavenie na registráciu röntgenové žiarenie; 18 - zosilňovacia jednotka; 19 - jednotka na nastavenie zväčšenia; 20, 21 - bloky horiazónové a vertikálne zametanie; 22, 23 -elektrónne trubice.


Ryža. 5. Schéma registrácie informácií o objekte, prijaté v SEM; 1-primárny elektrónový lúč; 2-sekundárny elektrónový detektor; Prenájom 3 detektorovgénové žiarenie; 4-detektor odrazených elektrons; 5-detektor Augerových elektrónov; 6-detektorové svetložiarenie produktu; 7 - detektor minulej elektroNový; 8 - obvod na zaznamenávanie prechádzajúceho prúdu objekt elektrónov; 9-obvodový pre záznam prúdu elektróny absorbované v objekte; 10-kruhový pre reregistrácia elektriky potenciál.

SEM s vysokým rozlíšením sa realizuje pri vytváraní obrazu pomocou sekundárnych elektrónov. Je nepriamo úmerný priemeru zóny, z ktorej sú tieto elektróny emitované. Veľkosť zóny závisí od priemeru sondy, vlastností objektu, rýchlosti elektrónov primárneho lúča a pod.. S veľkou hĺbkou prieniku primárnych elektrónov sa zväčšujú sekundárne procesy rozvíjajúce sa všetkými smermi. priemer zóny a rozlíšenie sa zmenšujú. Detektor sekundárnych elektrónov pozostáva z elektrónka fotonásobiča(fotomultiplikátor) a elektrón-fotónový konvertor, hlavný. ktorého prvkom je scintilátor. Počet zábleskov scintilátora je úmerný počtu sekundárnych elektrónov vyradených v danom bode objektu. Po zosilnení vo fotonásobiči a vo video zosilňovači signál moduluje lúč CRT. Veľkosť signálu závisí od topografie vzorky, prítomnosti miestnej elektriky. a magn. mikropolia, hodnoty koef. emisia sekundárnych elektrónov, to-ry, zasa závisí od chemikálie. zloženie vzorky v danom bode.

Odrazené elektróny sú zachytené polovodičovým detektorom s p - n-prechod. Kontrast obrazu je spôsobený závislosťou koeficientu. odrazy od uhla dopadu primárneho lúča v danom bode objektu a od at. čísla látok. Rozlíšenie obrazu získaného v „odrazených elektrónoch“ je nižšie ako rozlíšenie získané pomocou sekundárnych elektrónov (niekedy aj rádovo). Vzhľadom na priamosť letu elektrónov sú informácie o oddelení. sa strácajú oblasti objektu, z ktorých nevedie priama cesta k detektoru (objavujú sa tiene). Aby sa eliminovala strata informácie, ako aj vytvorenie obrazu reliéfu vzorky, rez nie je ovplyvnený jej elementárnym zložením a naopak, aby sa vytvoril distribučný vzor chemikálie. prvkov v objekte, ktorý nie je ovplyvnený jeho reliéfom, sa v SEM používa detektorový systém pozostávajúci z viacerých. detektory umiestnené okolo objektu, ktorých signály sú od seba odčítané alebo sčítané a výsledný signál je po zosilnení privádzaný do CRT modulátora.

röntgen. charakteristika žiarenia je zaznamenaný kryštál. (vlnodisperzné) alebo polovodičové (energie dispergované) spektrometre, ktoré sa navzájom dopĺňajú. V prvom prípade röntgen. žiarenie po odraze kryštálom spektrometra vstupuje do plynu proporcionálne počítadlo, a v druhom - röntgen. Kvantové excitované signály v polovodičovom chladenom (na redukciu šumu) detektore vyrobenom z kremíka dopovaného lítiom alebo germániom. Po zosilnení môžu byť signály spektrometrov privedené do CRT modulátora a na jeho obrazovke sa objaví obraz distribúcie tej či onej chemikálie. prvku pozdĺž povrchu objektu.

Na SEM vybavenom röntgenom. spektrometre produkujú lokálne množstvá. analýza: zaznamenajte počet impulzov excitovaných röntgenovým lúčom. kvantá z miesta, kde je elektronická sonda zastavená. Crystallich. spektrometer s použitím súpravy kryštálových analyzátorov s dec. medzirovinné vzdialenosti (viď. Stav Bragg-Wolfe) rozlišuje s vysokým spektrom. rozlišovacia charakteristika spektrum z hľadiska vlnových dĺžok, pokrývajúce rozsah prvkov od Be po U. Polovodičový spektrometer rozlišuje röntgenové žiarenie. kvantá svojimi energiami a súčasne registruje všetky prvky od B (alebo C) po U. Jeho spektrálne rozlíšenie je nižšie ako u kryštalického. spektrometer, ale vyššia citlivosť. Existujú aj ďalšie výhody: rýchle dodávanie informácií, jednoduchý dizajn, vysoké výkonové charakteristiky.

Raster Auger-E. m... (ROEM) -zariadenia, v ktorých sa pri skenovaní elektronickej sondy detegujú Augerove elektróny z hĺbky objektu nie viac ako 0,1-2 nm. V takejto hĺbke sa výstupná zóna Augerových elektrónov nezväčšuje (na rozdiel od sekundárnych emisných elektrónov) a rozlišovacia schopnosť zariadenia závisí len od priemeru sondy. Zariadenie pracuje pri ultravysokom vákuu (10 -7 -10 -8 Pa). Jeho urýchľovacie napätie je cca. 10 kV. Na obr. 6 je znázornené zariadenie ROEM. Elektrónové delo pozostáva z hexaborid-lantánovej alebo volfrámovej horúcej katódy pracujúcej v Schottkyho režime a trojelektródovej elektrostatiky. šošovky. Elektrónová sonda je zaostrená touto šošovkou a magn. šošovka, v ktorej ohniskovej rovine sa predmet nachádza. Zber Augerových elektrónov sa vykonáva pomocou valcového. zrkadlový analyzátor energie, ktorého vnútorná elektróda pokrýva telo šošovky a vonkajšia je priľahlá k objektu. Pomocou analyzátora, ktorý rozlišuje energiu od Augerových elektrónov, sa skúma distribúcia chemikálie. prvkov v povrchovej vrstve objektu so submikrónovým rozlíšením. Na štúdium hlbokých vrstiev je prístroj vybavený iónovou pištoľou, pomocou rezu sa odstraňujú horné vrstvy objektu metódou iónového leptania.

Ryža. b. Schéma rastrovacieho Augerovho elektrónového mikroskopu(ROEM): 1 - iónová pumpa; 2- katóda; 3 - trojelektródová elektrostatická šošovka; 4-kanálový detektor; 5-apertúrna clona objektívu; 6-poschodová vychyľovací systém na zametanie elektronickej sondy; 7-šošovka; 8- vonkajšia elektróda valcová zrkadlový analyzátor; 9-objekt.

SEM s poľnou emisnou pištoľou majú vysoké rozlíšenie (až 2-3 nm). V poľnej emisnej pištoli sa používa katóda vo forme hrotu, v hornej časti ktorej dochádza k silnému elektrickému šoku. pole, ktoré vytiahne elektróny z katódy ( autoelektronické emisie)... Elektronická svietivosť pištole s poľnou emisnou katódou je 10 3 -10 4 krát vyššia ako svietivosť pištole s horúcou katódou. Prúd elektrónovej sondy sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje. Preto v SEM s pištoľou na emisiu poľa, spolu s pomalým rýchlym pohybom, sa priemer sondy zmenšuje, aby sa zvýšilo rozlíšenie. Katóda s emisiou poľa však pracuje stabilne iba pri ultravysokom vákuu (10-7-10-9 Pa), čo komplikuje návrh a prevádzku takýchto SEM.

Priesvitný raster E. m... (STEM) majú rovnaké vysoké rozlíšenie ako TEM. Tieto zariadenia používajú pištole na emisie v teréne pracujúce v ultravysokom vákuu (až 10 -8 Pa), ktoré poskytujú dostatočný prúd v sonde s malým priemerom (0,2 - 0,3 nm). Priemer sondy je zmenšený o dva magn. šošovky (obr. 7). Pod objektom sú umiestnené detektory – centrálny a kruhový. Prvý dostane nerozptýlené elektróny a po konverzii a zosilnení zodpovedajúcich signálov sa na obrazovke CRT objaví obraz v jasnom poli. Prstencový detektor zbiera rozptýlené elektróny, aby vytvoril obraz v tmavom poli. V STEM je možné študovať hrubšie objekty ako v TEM, pretože zvýšenie počtu neelasticky rozptýlených elektrónov s hrúbkou neovplyvňuje rozlíšenie (po objekte nie je elektronická optika na vytváranie obrazu). Pomocou energetického analyzátora sú elektróny prechádzajúce objektom rozdelené do elasticky a neelasticky rozptýlených lúčov. Každý lúč zasiahne svoj vlastný detektor a na CRT sa pozorujú zodpovedajúce obrázky, ktoré obsahujú ďalšie. informácie o elementárnom zložení objektu. Vysoké rozlíšenie v STEM sa dosahuje pri pomalých pohyboch, pretože prúd v sonde s priemerom iba 0,2-0,3 nm je nízky. PREM sú vybavené všetkými použitými v elektrónová mikroskopia analytické prístroje. výskumné objekty a najmä energetické spektrometre. strata elektrónov, röntgen. spektrometre, sofistikované systémy na detekciu prenesených, spätne rozptýlených a sekundárnych elektrónov, emitujúcich skupinu elektrónov rozptýlených na dekomp. rohy s dif. energie a pod. Zariadenia sú doplnené o počítače na integrované spracovanie prichádzajúcich informácií.

Ryža. 7. Schematický diagram priesvitného rastraelektrónový mikroskop (PREM): 1-autoemisiónová katóda; 2-stredná anóda; 3- anóda; 4- membránový "iluminátor"; 5-magnetická šošovka; 6-dvastupňovitý vychyľovací systém pre elektrónové rozmietaniesonda na nohy; 7-magnetická šošovka; 8 - clona clona objektívu; 9 - objekt; 10 - vychyľovací systém; 11 - kruhový detektor rozptýlených elektrónov; 12 - detektor nerozptýlených elektrónov (odstránený pri prevádzka magnetického spektrometra); 13 - magnetické spektrometer; 14-vychyľovací systém odberu vzoriek elektróny s rôznymi stratami energie; 15 - štrbina spektrometer; 16-detektorový spektrometer; VE-sekundárneelektróny; hv-Röntgenové žiarenie.

Emisie E. m... vytvoriť obraz predmetu s elektrónmi, to-raž vyžaruje samotný predmet pri zahrievaní, bombardovaní primárnym lúčom elektrónov, pod vplyvom elektromagnetu. vyžarovanie a uloženie silného el. pole, ktoré vytrháva elektróny z objektu. Tieto zariadenia majú zvyčajne úzky špeciálny účel(cm. Elektronický projektor).

Zrkadlový E. m... slúžiť Ch. arr. na vizualizáciu elektrostatického náboja. „potenciálnych úľav“ a magn. mikropolia na povrchu objektu. Hlavná elektronický optický prvkom zariadenia je elektronické zrkadlo, a jednou z elektród je samotný objekt, ktorý je pod malým negatívom. potenciál vzhľadom na katódu pištole. Elektrónový lúč je nasmerovaný do elektrónového zrkadla a odrážaný poľom v bezprostrednej blízkosti povrchu objektu. Zrkadlo vytvára obraz na obrazovke „v odrazených lúčoch“: mikropolia v blízkosti povrchu objektu prerozdeľujú elektróny odrazených lúčov, čím vytvárajú kontrast v obraze a vizualizujú tieto mikropolia.

Perspektívy rozvoja E. m... Zdokonaľovanie elektronických meraní s cieľom zvyšovania objemu prijímaných informácií, ktoré sa vykonáva už mnoho rokov, bude pokračovať aj v budúcnosti a zlepšovanie parametrov prístrojov a predovšetkým zvýšenie rozlíšenia. moc, zostane hlavnou úlohou. Práca na vytvorení elektronickej optiky. systémy s malými aberáciami zatiaľ neviedli k skutočnému zvýšeniu rozlíšenia EM.To platí pre neosové systémy na korekciu aberácií, kryogénnu optiku a šošovky s korekčnými priestormi. v axiálnej oblasti a pod. Prebiehajú pátrania a výskumy v naznačených smeroch. Pokračujú prieskumné práce na vytvorení elektronickej holografie. systémy, vrátane systémov s korekciou frekvenčno-kontrastných charakteristík šošoviek. Miniaturizácia elektrostatická šošovky a systémy využívajúce pokroky v mikro- a nanotechnológii tiež prispejú k riešeniu problému vytvárania elektronickej optiky s nízkymi aberáciami.

Svieti .: Praktická rastrovacia elektrónová mikroskopia, vyd. D. Gouldstein, H. Jacobits, prel. z angličtiny, M., 1978; Spence, D., Experimentálna elektrónová mikroskopia s vysokým rozlíšením, trans. z angličtiny, M., 1986; Stoyanov PA, Elektronický mikroskop SVEM-1, "Izvestija AN SSSR, ser. Fiz.", 1988, zväzok 52, č. 7, s. 1429; Hawks P., Kasper E., Základy elektronickej optiky, prekl. z angličtiny, t. 1-2, M., 1993; Oechsner H., Scanning Auger microscopy, Le Vide, les Couches Minces, 1994, t. 50, číslo 271, s. 141; McMul-lan D., Scanning Electron microscopy 1928-1965, "Scanning", 1995, t. 17, č.3, s. 175. P. A. Stojanov.

prístroj na pozorovanie a fotografovanie opakovane (až 10 6-krát) zväčšených obrazov predmetov, v ktorom sa namiesto svetelných lúčov používajú lúče zrýchlené na vysoké energie (30-100 keV a viac) v hlbokom vákuu. Fyzikálne základy optických zariadení s časticovým zväzkom položil v roku 1834 (takmer sto rokov pred objavením sa elektrónového mikroskopu) W. R., ktorý vytvoril analógie medzi svetelnými lúčmi v opticky nehomogénnom prostredí a trajektóriami častíc v silových poliach. Uskutočniteľnosť vytvorenia elektrónového mikroskopu sa prejavila po jeho zdokonalení v roku 1924 a technické predpoklady vytvoril nemecký fyzik H. Busch, ktorý skúmal zaostrovacie osovo symetrické polia a vyvinul magnetickú elektrónovú šošovku (1926). V roku 1928 sa nemeckí vedci M. Knoll a E. Ruska pustili do vytvorenia prvého transmisného magnetického elektrónového mikroskopu (TEM) ao tri roky neskôr získali obraz objektu tvoreného lúčmi. V nasledujúcich rokoch (M. von Ardenne, 1938; VK, 1942) bol zostrojený prvý rastrovací elektrónový mikroskop (SEM), fungujúci na princípe skenovania (rozvíjania), teda sekvenčného od bodu k bodu pohybu tenkého elektrónový lúč (sonda) na objekt. Do polovice 60. rokov 20. storočia. SEM dosiahli vysokú technickú dokonalosť a od tej doby sa začala ich aplikácia v r vedecký výskum... TEM majú najvyššiu (PC), v tomto parametri niekoľkotisíckrát prevyšujú svetelné mikroskopy. T. n. limit rozlíšenia charakterizujúci zariadenie na samostatné zobrazenie najmenších čo najbližších detailov objektu je 2-3 pre TEM. Za priaznivých podmienok je možné fotografovať jednotlivé ťažké atómy. Pri fotografovaní periodických štruktúr, ako sú atómové mriežky kryštálov, je možné realizovať rozlíšenie menšie ako 1. Takéto vysoké rozlíšenia sa dosahujú vďaka extrémne krátkej dĺžke (pozri). Optimálna clona [viď. v elektronickej (a iónovej) optike] možno redukovať (ovplyvňujúc PC elektrónový mikroskop) s dostatočne malou difrakčnou chybou. Efektívne metódy korekcia v elektrónovom mikroskope (pozri) nenašla. Preto v TEM magnetické (EL), ktoré majú menšie, úplne nahradili elektrostatické EL. MKP sa vyrábajú na rôzne účely. Možno ich rozdeliť do 3 skupín: elektrónový mikroskop s vysokým rozlíšením, zjednodušený TEM a elektrónový mikroskop so zvýšeným urýchľovaním.

Vysoké rozlíšenie TEM(2-3 Å) - ako viacúčelové zariadenia. Pomocou prídavných zariadení a nástavcov v nich môžete nakláňať predmet v rôznych uhloch k optickej osi, zahrievať, chladiť, deformovať, vykonávať výskum metódami atď. Za 1-3 minúty sa o nič viac nezmení ako 1-2 ppm oproti originálu. Obrázok typického TEM opísaného typu je zobrazený v ryža. 1... V jeho optickom systéme (stĺpci) sa pomocou špeciálneho vákuového systému vytvára vákuum (do 10 -6 mm Hg). Schematický diagram optického systému TEM je znázornený v ryža. 2... Lúč, ktorý slúži ako žhaviaca katóda (sformuje sa a potom dvakrát zaostrí prvým a druhým kondenzorom, čím sa na objekte vytvorí elektronický „bod“ malých rozmerov (pri nastavovaní bodu sa môže meniť od 1 do 20 mikrónov) Potom sa časť rozptýli cez objekt a je oneskorená membránou. Nerozptýlené elektróny prechádzajú cez otvor membrány a sú zaostrené v medzišošovke objektu. Tu vzniká prvý zväčšený obraz. Nasledujúce šošovky vytvárajú druhý, tretí , atď obrázky.Posledná projekčná šošovka vytvára na fluorescenčnom plátne obraz, ktorý žiari pod vplyvom elektrónov.rovnaké zväčšenie všetkých šošoviek.Stupeň a charakter rozptylu elektrónov nie sú na rôznych miestach objektu rovnaké, keďže hrúbka a chemické zloženie predmetu sa mení z bodu na bod.prúdová hustota a v obraze, ktorý sa skonvertuje na na obrazovke. Pod obrazovkou je obchod s fotografickými platňami. Pri fotografovaní sa clona odstráni a elektróny pôsobia na emulznú vrstvu. Obraz je zaostrený plynulou zmenou prúdu poháňajúceho objektív. Prúdy ostatných šošoviek sú upravené tak, aby sa zmenilo zväčšenie elektrónového mikroskopu

Ryža. 3. Ultravysokonapäťový elektrónový mikroskop (UHVM): 1 - nádrž, do ktorej sa čerpá izolačný plyn (SF6) do tlaku 3-5 atm; 2 - elektrónová pištoľ; 3 - urýchľovacia trubica; 4 - kondenzátory vysokonapäťového zdroja; 5 - blok kondenzorových šošoviek; 6 - šošovka; 7, 8, 9 - projekčné šošovky; 10 - svetelný mikroskop; 11 - ovládací panel.

Rastrovací elektrónový mikroskop (SEM) s vyhrievanou katódou sú určené na štúdium masívnych objektov s rozlíšením 70 až 200 Å. Zrýchlenie v SEM je možné nastaviť v rozsahu od 1 do 30-50 m2.

Zariadenie rastrovacieho elektrónového mikroskopu zobrazené na ryža. 4... Pomocou 2 alebo 3 EL sa úzka elektrónová sonda zaostrí na vzorku. Magnetické deflektory rozmiestnia sondu na vopred určenú oblasť na objekte. Keď sonda interaguje s objektom, objaví sa niekoľko typov ( ryža. 5) - sekundárne a odrazené elektróny; elektróny prešli objektom (ak je tenký); Röntgenové a charakteristické; žiarenie atď.

Ryža. 5. Schéma registrácie informácií o objekte prijatých v SEM. 1 - primárny elektrónový lúč; 2 - detektor sekundárnych elektrónov; 3 - detektor röntgenového žiarenia; 4 - detektor odrazených elektrónov; 5 - detektor svetelného žiarenia; 6 - detektor prenesených elektrónov; 7 - zariadenie na meranie elektrického potenciálu indukovaného na predmete; 8 - zariadenie na meranie prúdu elektrónov prechádzajúcich objektom; 9 - zariadenie na meranie prúdu elektrónov absorbovaných v objekte.

Ktorékoľvek z týchto žiarení môže byť zaregistrované vhodným kolektorom obsahujúcim senzor, ktorý sa premieňa na elektrické, ktoré sa po zosilnení privádza do (CRT) a moduluje jeho lúč. Skenovanie lúča CRT sa vykonáva skenovaním elektrónovej sondy v SEM a na obrazovke CRT sa pozoruje zväčšený obraz objektu. Zväčšenie sa rovná pomeru výšky rámu na obrazovke CRT k šírke snímaného objektu. Obraz je fotografovaný priamo z CRT obrazovky. Hlavnou výhodou SEM je vysoký informačný obsah zariadenia, vďaka možnosti pozorovať obraz pomocou rôznych senzorov. Pomocou SEM môžete skúmať chemické zloženie objektu, p-n-prechody, produkciu a mnoho ďalšieho. Vzorka sa zvyčajne testuje bez predbežná príprava... SEM nájde uplatnenie v technologických procesov(poruchy mikroobvodu a pod.). Vysoká pre SEM PC sa realizuje pri vytváraní obrázkov pomocou sekundárnych. Je určený priemerom zóny, z ktorej sú tieto elektróny emitované. Veľkosť zóny zase závisí od priemeru sondy, vlastností objektu, elektrónov primárneho lúča atď. Pri veľkej hĺbke prieniku primárnych elektrónov sekundárne procesy rozvíjajúce sa všetkými smermi zväčšujú priemer zóna a PC sa zníži. Sekundárny elektrónový detektor pozostáva z fotonásobiča a elektrón-fotónového konvertora, ktorého hlavný prvok je s dvoma - ťahaním vo forme mriežky, pod kladným potenciálom (až niekoľko stoviek V) a urýchľovaním; ten dáva zachyteným sekundárnym elektrónom potrebnú energiu. Aplikované na urýchľovaciu elektródu je asi 10 kV; zvyčajne je to hliníkový povlak na scintilátore. Počet zábleskov scintilátora je úmerný počtu sekundárnych zábleskov vyžarovaných v danom bode objektu. Po zosilnení vo fotonásobiči a v signáli je CRT lúč modulovaný. Veľkosť signálu závisí od vzorky, prítomnosti lokálnych elektrických a magnetických mikropolí, veľkosti, ktorá zase závisí od chemického zloženia vzorky v danom bode. Odrazené elektróny sú zaznamenávané polovodičom (kremíkom). Kontrast obrazu je spôsobený závislosťou od uhla dopadu primárneho lúča a atómového čísla. Rozlíšenie obrazu získaného „v odrazených elektrónoch“ je nižšie ako rozlíšenie získané so sekundárnymi (niekedy rádovo). Vďaka priamosti letu elektrónov ku kolektoru sa strácajú informácie o jednotlivých úsekoch, z ktorých nevedie priama cesta ku kolektoru (objavujú sa tiene). Charakteristiku uvoľňuje buď röntgenový kryštál alebo energeticky disperzný senzor - polovodičový detektor (spravidla z čistého kremíka dopovaného lítiom). V prvom prípade sú röntgenové kvantá po odraze kryštálom spektrometra zaznamenané plynovým a v druhom je signál odoberaný z polovodiča zosilnený nízkošumovým (ktorý je chladený kvapalinou dusík na zníženie hluku) a následný systém zosilnenia. Signál z kryštálu moduluje lúč CRT a obraz toho či onoho chemický prvok podľa objektu. Lokálny röntgen sa vykonáva aj na SEM. Energeticky disperzný detektor zaznamenáva všetky prvky od Na po U s vysokou citlivosťou. Kryštálový spektrometer s pomocou sady kryštálov s rôznymi medzirovinnými (pozri) krytmi od Be po U. Významnou nevýhodou SEM je dlhé trvanie procesu „odstraňovania“ informácie pri štúdiu objektov. Relatívne vysoký PC je možné získať použitím elektrónovej sondy s dostatočne malým priemerom. Zároveň sa však sonda znižuje, v dôsledku čoho sa vplyv prudko zvyšuje, čo znižuje pomer užitočného signálu k šumu. Aby pomer signálu k šumu neklesol pod vopred stanovenú úroveň, je potrebné spomaliť snímanie, aby sa v každom bode objektu nahromadil dostatočne veľký počet primárnych (a zodpovedajúcich sekundárnych). Výsledkom je, že PC sa realizuje len pri nízkych rýchlostiach zametania. Niekedy sa jeden rám vytvorí v priebehu 10-15 minút.

Ryža. 6. Schematický diagram transmisného rastrovacieho elektrónového mikroskopu (STEM): 1 - katóda s emisiou poľa; 2 - medziľahlá anóda; 3 - anóda; 4 - vychyľovací systém na zarovnanie lúča; 5 - membrána "iluminátora"; 6, 8 - vychyľovacie systémy na snímanie elektronickej sondy; 7 - magnetická šošovka s dlhým ohniskom; 9 - apertúrna clona; 10 - magnetická šošovka; 11 - objekt; 12, 14 - vychyľovacie systémy; 13 - prstencový kolektor rozptýlených elektrónov; 15 - kolektor nerozptýlených elektrónov (odstránený pri práci so spektrometrom); 16 - magnetický spektrometer, v ktorom sa elektrónové lúče otáčajú magnetickým poľom o 90 °; 17 - vychyľovací systém na výber elektrónov s rôznymi energetickými stratami; 18 - štrbina spektrometra; 19 - zberač; SE - sekundárny tok elektrónov, hn - röntgenové žiarenie.

SEM s poľnou emisnou pištoľou majú vysoké PC SEM (až 30 Å). V poľnej emisnej pištoli (ako v) sa používa katóda vo forme hrotu, na vrchole ktorej vzniká silná katóda, ktorá odtrháva elektróny z katódy (pozri). Elektronický jas pištole s katódou s emisiou poľa je 10 3 - 10 4 krát vyšší ako jas pištole s horúcou katódou. Prúd elektrónovej sondy sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje. Preto sa v SEM s pištoľou na vyžarovanie z poľa vykonávajú rýchle pohyby a sonda sa zmenšuje, aby sa zvýšila PC. Katóda s emisiou poľa však pracuje stabilne iba pri ultravysokom vákuu (10 -9 -10 -11 mm Hg), čo komplikuje návrh takýchto SEM a prevádzku na nich.

Transmisný skenovací elektrónový mikroskop (PREM) mať rovnako vysoké PC ako TEM. Tieto prístroje používajú pištole na emisie v teréne, ktoré poskytujú dostatočný priemer sondy až do 2-3 Å. zapnuté ryža. 6 je znázornené schematické znázornenie PREM. Dva zmenšujú priemer sondy. Pod objektom sú umiestnené - centrálne a kruhové. Na prvý dopadajú nerozptýlené elektróny a po zosilnení zodpovedajúcich signálov, tzv. obraz svetlého poľa. Rozptýlené elektróny sa zhromažďujú na prstencovom detektore, čím vzniká tzv. obraz tmavého poľa. V STEM je možné študovať hrubšie objekty ako v TEM, pretože zvýšenie počtu neelasticky rozptýlených objektov s hrúbkou neovplyvňuje rozlíšenie (v STEM nie je za objektom žiadna optika). Pomocou energie sú elektróny prechádzajúce objektom rozdelené do elasticky a neelasticky rozptýlených lúčov. Každý lúč dopadá na svoj vlastný detektor a na CRT sa pozoruje zodpovedajúci obraz, ktorý obsahuje dodatočné informácie o rozptylujúcom objekte. Vysoké rozlíšenie v STEM sa dosahuje pri pomalých pohyboch, pretože prúd v sonde s priemerom iba 2-3 Å je príliš nízky.

Elektrónový mikroskop zmiešaného typu. Kombinácia princípov zobrazovania stacionárnym lúčom (ako v TEM) a skenovania tenkej sondy nad objektom v jednom zariadení umožnila realizovať výhody TEM, SEM a STEM v takomto elektrónovom mikroskope. V súčasnosti všetky TEM poskytujú možnosť pozorovania objektov v rastrovom režime (pomocou kondenzorových šošoviek a vytvorením zmenšeného obrazu, ktorý je snímaný cez objekt vychyľovacími systémami). Okrem obrazu tvoreného stacionárnym lúčom sa na CRT obrazovkách získavajú rastrové obrazy pomocou prenášaných a sekundárnych elektrónov, charakteristických elektrónov atď. Optický systém takéhoto TEM, umiestnený za objektom, umožňuje pracovať v režimoch, ktoré nie sú možné v iných zariadeniach. Napríklad môžete súčasne pozorovať na obrazovke CRT a obraz rovnakého objektu na obrazovke zariadenia.

Emisie E. m.vytvoriť obraz predmetu v elektrónoch, ktorý predmet sám vyžaruje pri zahriatí, primárnym lúčom a pri pôsobení silného elektrického poľa, ktoré vytiahne elektróny z predmetu. Tieto zariadenia majú zvyčajne úzky účel.

Elektrónový mikroskop SLR slúžia najmä na vizualizáciu elektrostatického „potenciálneho reliéfu“ a magnetických mikropolí na objekte. Hlavným optickým prvkom zariadenia je, jedným z nich je samotný objekt, ktorý je pod malým negatívnym potenciálom vzhľadom na katódu pištole. Elektrónový lúč je nasmerovaný do zrkadla a odrážaný poľom v bezprostrednej blízkosti objektu. Zrkadlo vytvára obraz "v odrazených lúčoch" na obrazovke. Mikropolia v blízkosti povrchu objektu prerozdeľujú elektróny odrazených lúčov a vytvárajú obraz, ktorý tieto mikropolia vizualizuje.

Perspektívy rozvoja Elektrónový mikroskop Zväčšenie PC v obrazoch neperiodických objektov na 1 Å a viac umožní registráciu nielen ťažkých, ale aj ľahkých atómov a ich vizualizáciu na atómovej úrovni. Na vytvorenie elektrónového mikroskopu s podobným rozlíšením sa zrýchlenie zvýši. Ser. fyzický, v. 34, 1970; Hawkes P. a trans. z angličtiny, M., 1974; Derkach V.P., Kiyashko G.F., Kukharchuk M.S., Electron probe devices, K., 1974; Stoyanova I. G., Anaskin I. F., Fyzikálne základy metód transmisnej elektrónovej mikroskopie, M., 1972; Oatley C.W., Skenovací elektrónový mikroskop, Camb., 1972; Grivet P., Elektrónová optika, 2. vydanie, Oxf., 1972.

V modernom svete mikroskop sa považuje za nevyhnutné optické zariadenie. Bez nej je ťažké predstaviť si také sféry ľudskej činnosti, ako je biológia, medicína, chémia, výskum vesmíru, genetické inžinierstvo.


Mikroskopy sa používajú na štúdium najrôznejších predmetov a umožňujú vám vidieť štruktúry do najmenších detailov, ktoré sú voľným okom neviditeľné. Komu ľudstvo vďačí za vzhľad tohto užitočného zariadenia? Kto a kedy vynašiel mikroskop?

Kedy sa objavil prvý mikroskop?

História zariadenia má korene v staroveku. Schopnosť zakrivených povrchov odrážať a lámať sa slnečné svetlo si všimol už v 3. storočí pred Kristom bádateľ Euklides. Vo svojich dielach vedec našiel vysvetlenie pre vizuálny nárast objektov, ale potom jeho objav nenašiel praktické uplatnenie.

Najviac skoré informácie o mikroskopoch siaha až do 18. storočia. V roku 1590 holandský majster Zachary Jansen umiestnil dve šošovky z okuliarov do jednej trubice a bol schopný vidieť predmety zväčšené 5 až 10-krát.


Neskôr slávny výskumník Galileo Galilei vynašiel ďalekohľad a upozornil na zaujímavú vlastnosť: ak ho posuniete ďaleko od seba, môžete výrazne zväčšiť malé predmety.

Kto zostrojil prvé optické zariadenie?

Skutočný vedecko-technický prelom vo vývoji mikroskopu nastal v 17. storočí. V roku 1619 holandský vynálezca Cornelius Drebbel vynašiel mikroskop s konvexnými šošovkami a na konci storočia ďalší Holanďan Christian Huygens predstavil svoj model, v ktorom sa dali nastavovať okuláre.

Dokonalejší prístroj vynašiel vynálezca Anthony Van Leeuwenhoek, ktorý vytvoril prístroj s jednou veľkou šošovkou. Počas nasledujúceho jeden a pol storočia tento produkt dal najvyššia kvalita obrázky, preto je Levenguk často nazývaný vynálezcom mikroskopu.

Kto vynašiel prvý kompozitný mikroskop?

Predpokladá sa, že optické zariadenie nevynašiel Leeuwenhoek, ale Robert Hooke, ktorý v roku 1661 vylepšil Huygensov model pridaním ďalšej šošovky. Výsledný typ zariadenia sa stal jedným z najpopulárnejších vo vedeckej komunite a bol široko používaný až do polovice 18. storočia.


V budúcnosti mnoho vynálezcov priložilo ruku k vývoju mikroskopu. V roku 1863 Henry Sorby vynašiel polarizačné zariadenie, ktoré umožnilo výskum, a v 70. rokoch 19. storočia Ernst Abbe rozvinul teóriu mikroskopov a objavil bezrozmerné Abbeho číslo, čo viedlo k vyspelejším optickým zariadeniam.

Kto je vynálezcom elektrónového mikroskopu?

V roku 1931 si vedec Robert Rudenberg patentoval nové zariadenie, ktoré dokázalo zväčšovať objekty pomocou elektrónových lúčov. Prístroj dostal názov elektrónový mikroskop a našiel široké uplatnenie v mnohých vedách vďaka vysokému rozlíšeniu, ktoré je tisíckrát lepšie ako konvenčná optika.

O rok neskôr vytvoril Ernst Ruska prototyp moderného elektronického zariadenia, za ktorý mu bola udelená Nobelova cena. Už koncom 30. rokov 20. storočia sa jeho vynález začal široko využívať vo vedeckom výskume. V rovnakom čase začal Siemens vyrábať elektrónové mikroskopy pre komerčné využitie.

Kto je autorom nanoskopu?

Doposiaľ najinovatívnejším typom optického mikroskopu je nanoskop, ktorý v roku 2006 vyvinula skupina vedcov vedená nemeckým vynálezcom Stefanom Hellom.


Nové zariadenie umožňuje nielen prekonať bariéru Abbeho čísla, ale poskytuje aj možnosť pozorovať objekty s rozmermi 10 nanometrov alebo menej. Okrem toho prístroj poskytuje vysokokvalitné 3D snímky objektov, ktoré boli predtým pre bežné mikroskopy nedostupné.

Študovať nanoobjekty s rozlíšením optických mikroskopov ( aj pomocou ultrafialového žiarenia) zjavne nestačí. V tomto smere sa v 30. rokoch 20. storočia. vznikla myšlienka použiť namiesto svetla elektróny, ktorých vlnová dĺžka, ako vieme z kvantovej fyziky, je stokrát kratšia ako u fotónov.

Ako viete, naša vízia je založená na vytváraní obrazu objektu na sietnici oka svetelnými vlnami odrazenými od tohto objektu. Ak pred vstupom do oka svetlo prechádza optickým systémom mikroskop, vidíme zväčšený obrázok. Priebeh svetelných lúčov je v tomto prípade šikovne riadený šošovkami, ktoré tvoria objektív a okulár prístroja.

Ale ako môžete získať obraz objektu a s oveľa vyšším rozlíšením pomocou nie svetelného žiarenia, ale prúdu elektrónov? Inými slovami, ako je možné vidieť predmety na základe použitia častíc, nie vĺn?

Odpoveď je veľmi jednoduchá. Je známe, že dráhu a rýchlosť elektrónov výrazne ovplyvňujú vonkajšie elektromagnetické polia, pomocou ktorých je možné efektívne riadiť pohyb elektrónov.

Veda o pohybe elektrónov v elektromagnetických poliach a výpočte zariadení, ktoré tvoria požadované polia, je tzv elektronická optika.

Elektronický obraz je tvorený elektrickými a magnetickými poľami v podstate rovnakým spôsobom ako svetelný obraz vytváraný optickými šošovkami. Preto sa v elektrónovom mikroskope zariadenia na zaostrovanie a rozptyl elektrónového lúča nazývajú „ elektronické šošovky”.

Elektronická šošovka. Závity drôtov cievky, cez ktoré preteká prúd, zaostrujú elektrónový lúč rovnakým spôsobom, ako sklenená šošovka zaostruje svetelný lúč.

Magnetické pole cievky pôsobí ako zbiehajúca sa alebo difúzna šošovka. Na sústredenie magnetického poľa je cievka uzavretá magnetickým " brnenie»Vyrobené zo špeciálnej zliatiny niklu a kobaltu, pričom v interiéri zostáva len úzka medzera. Takto vytvorené magnetické pole môže byť 10-100 tisíc krát silnejšie ako magnetické pole Zeme!

Bohužiaľ, naše oči nedokážu priamo vnímať elektrónové lúče. Preto sa používajú na „ kreslenie"Obrazy na fluorescenčných obrazovkách (ktoré svietia, keď zasiahnu elektróny). Mimochodom, rovnaký princíp je základom fungovania monitorov a oscilografov.

existuje veľké množstvo rôzne typy elektrónových mikroskopov, medzi ktorými je najpopulárnejší rastrovací elektrónový mikroskop (SEM). Jeho zjednodušenú schému získame, ak skúmaný objekt umiestnime do katódovej trubice bežného televízora medzi obrazovku a zdroj elektrónov.

V takej mikroskop tenký lúč elektrónov (priemer lúča asi 10 nm) obieha (akoby skenuje) vzorku pozdĺž horizontálnych čiar, bod po bode, a synchrónne prenáša signál do kineskopu. Celý proces je podobný prevádzke televízora počas procesu zametania. Zdrojom elektrónov je kov (zvyčajne volfrám), z ktorého sa pri zahrievaní vyžarujú elektróny v dôsledku termionickej emisie.

Schéma činnosti rastrovacieho elektrónového mikroskopu

Termionická emisia- výstup elektrónov z povrchu vodičov. Počet emitovaných elektrónov je pri T = 300 K malý a exponenciálne rastie so zvyšujúcou sa teplotou.

Pri prechode elektrónov cez vzorku sa niektoré z nich rozptýlia v dôsledku zrážok s jadrami atómov vzorky, iné v dôsledku zrážok s elektrónmi atómov a ďalšie ňou prechádzajú. V niektorých prípadoch dochádza k emisii sekundárnych elektrónov, indukcii röntgenového žiarenia atď. Všetky tieto procesy sú registrované špeciál detektory a v transformovanej podobe sa zobrazia na obrazovke, čím sa vytvorí zväčšený obraz skúmaného objektu.

Zväčšenie sa v tomto prípade chápe ako pomer veľkosti obrazu na obrazovke k veľkosti plochy pokrytej lúčom na vzorke. Vzhľadom na to, že vlnová dĺžka elektrónu je rádovo kratšia ako vlnová dĺžka fotónu, v modernom SEM môže toto zvýšenie dosiahnuť 10 miliónov15, čo zodpovedá rozlíšeniu niekoľkých nanometrov, čo umožňuje vizualizáciu jednotlivých atómov.

Hlavná nevýhoda elektrónová mikroskopia- nutnosť pracovať v úplnom vákuu, pretože prítomnosť akéhokoľvek plynu vo vnútri komory mikroskopu môže viesť k ionizácii jeho atómov a výrazne skresliť výsledky. Okrem toho majú elektróny deštruktívny účinok na biologické objekty, čo ich robí nepoužiteľnými pre výskum v mnohých oblastiach biotechnológie.

História stvorenia elektrónový mikroskop Je pozoruhodným príkladom úspechu založeného na interdisciplinárnom prístupe, keď nezávisle sa rozvíjajúce oblasti vedy a techniky, zjednotené, vytvorili silný nový nástroj vedeckého výskumu.

Pinnacle klasickej fyziky bola teória elektromagnetického poľa, ktorá vysvetľovala šírenie svetla, elektriny a magnetizmu ako šírenie elektromagnetických vĺn. Vlnová optika vysvetlila fenomén difrakcie, mechanizmus tvorby obrazu a hru faktorov, ktoré určujú rozlíšenie v svetelný mikroskop... Úspech kvantová fyzika vďačíme za objav elektrónu s jeho špecifickými korpuskulárnymi vlnovými vlastnosťami. Tieto samostatné a zdanlivo nezávislé cesty vývoja viedli k vytvoreniu elektronickej optiky, jednej z nich hlavné vynálezy ktorý sa stal v 30. rokoch 20. storočia elektrónovým mikroskopom.

Vedci však nepoľavili ani v tomto. Vlnová dĺžka elektrónu zrýchleného elektrickým poľom je niekoľko nanometrov. To je dobré, ak chceme vidieť molekulu alebo dokonca atómovú mriežku. Ale ako sa pozrieť do vnútra atómu? Aká je chemická väzba? Ako vyzerá proces jednej chemickej reakcie? Na tento účel dnes vedci v rôznych krajinách vyvíjajú neutrónové mikroskopy.

Neutróny sú zvyčajne zahrnuté v atómových jadrách spolu s protónmi a majú takmer 2000-násobok hmotnosti elektrónu. Tí, ktorí nezabudli na de Broglieho vzorec z kvantovej kapitoly, si okamžite uvedomia, že vlnová dĺžka neutrónu je oveľa menšia, to znamená, že ide o pikometre v tisícinách nanometra! Potom sa atóm javí výskumníkom nie ako nejasná škvrna, ale v celej svojej kráse.

Neutrón mikroskop má mnoho výhod - najmä neutróny dobre odrážajú atómy vodíka a ľahko prenikajú cez hrubé vrstvy vzoriek. Je však veľmi ťažké ho postaviť: neutróny nemajú elektrický náboj, preto pokojne ignorujú magnetické a elektrické polia a snažia sa uniknúť senzorom. Navyše nie je ľahké vyhnať veľké, mohutné neutróny z atómov. Preto sú dnes prvé prototypy neutrónového mikroskopu stále veľmi vzdialené od dokonalosti.