Трансмисионен електронен микроскоп. приготвяне на пробата

Описание

За изследвания с ТЕМ обикновено се използват проби с дебелина под 500 nm (обикновено под 100–200 nm). Колкото по-дебела е пробата, толкова по-голямо трябва да бъде ускоряващото напрежение на електронния лъч. Разделителната способност на TEM е десетки нанометри, но има модификации на метода TEM, при които разделителната способност може да достигне 0,2 nm и дори 0,05 nm при използване на специални коректори на сферична аберация. Тези разновидности често се разглеждат като самостоятелен изследователски метод - трансмисионна електронна микроскопия с висока разделителна способност - HREM, HRTEM.

Електронният микроскоп с допълнителни детектори позволява прилагането на различни методи за микроанализ на проби - рентгенов спектрален микроанализ и др.

автори

• Зотов Андрей Вадимович
• Саранин Александър Александрович

Източник

1. Терминология за наномащабни измервания и инструменти, PAS133:2007. - BSI (британски стандарт), 2007 г.

Трансмисионно увеличение на микроскопа

В трансмисионната електронна микроскопия, ТЕМ (Трансмисионна електронна микроскопия, ТЕМ)електроните се ускоряват до 100 keV или по-висока (до 1 MeV), фокусират се върху тънка проба (с дебелина по-малка от 200 nm) с помощта на система от събирателни лещи и преминават през пробата, отклонена или неотклонена. Основните предимства на ТЕМ са голямото му увеличение, вариращо от 50 до 106, и способността му да получава както изображение, така и дифракционна картина от една и съща проба.

Разсейването, на което претърпяват електроните, докато преминават през проба, определя вида на получената информация. Еластичното разсейване възниква без загуба на енергия и позволява да се наблюдават дифракционни модели. Нееластични сблъсъци между първични електрони и електрони от нехомогенности на пробата като граници на зърната, дислокации, частици от втора фаза, дефекти, вариации на плътността и т.н. водят до сложни процеси на абсорбция и разсейване, които водят до пространствени вариации в интензитета на предаваните електрони. В ТЕМ можете да превключите от режима на формиране на изображение на проба към режима на запис на дифракционна картина чрез промяна на силата на полето на електромагнитните лещи.

Голямото увеличение или разделителна способност на всички трансмисионни електронни микроскопи е резултат от малката ефективна дължина на вълната на електрона X, която се дава от съотношението на де Бройл:

Където m и q са масата и зарядът на електрона, h е константата на Планк и V е ускоряващата потенциална разлика.Например, електроните с енергия от 100 keV се характеризират с дължина на вълната 0,37 nm и са в състояние ефективно да проникнат слой от силиций с дебелина ~0,6 μm.

Резолюция на трансмисионен микроскоп

Колкото по-високо е ускоряващото напрежение на трансмисионния електронен микроскоп, толкова по-висока е неговата странична пространствена разделителна способност. Теоретичната граница на разделителна способност на микроскопа е пропорционална на λ 3/4. Трансмисионните електронни микроскопи с високо ускоряващо напрежение (напр. 400 kV) имат теоретична граница на разделителна способност по-малка от 0,2 nm. Електронните микроскопи с високо напрежение имат допълнителното предимство на по-голямото проникване на електрони, тъй като високоенергийните електрони взаимодействат по-слабо с материята, отколкото нискоенергийните електрони. Следователно електронните микроскопи с високо напрежение могат да работят с по-дебели проби. Един от недостатъците на ТЕМ е неговата ограничена разделителна способност в дълбочина. Информацията за разсейването на електрони в ТЕМ изображенията идва от триизмерна проба, но се проектира върху двуизмерен детектор. Следователно информацията за структурата, получена по посоката на електронния лъч, се наслагва върху равнината на изображението. Въпреки че основното предизвикателство на ТЕМ е подготовката на пробите, то не е толкова подходящо за наноматериалите.

Дифракцията с ограничена площ (SAD) предлага уникална възможност за определяне на кристалната структура на отделни наноматериали, като нанокристали и нанопръчки, и кристалната структура на отделни части от проба. Когато се наблюдава дифракция от ограничена област, кондензаторните лещи се разфокусират, за да се създаде паралелен лъч, падащ върху пробата, и се използва апертура, за да се ограничи обемът, участващ в дифракцията. Дифракционните модели от ограничена област често се използват за определяне на типа на решетката на Bravais и параметрите на решетката на кристални материали, като се използва алгоритъм, подобен на този, използван в XRD. Въпреки че ТЕМ не може да различи атоми, разсейването на електрони е изключително чувствително към целевия материал и са разработени различни видове спектроскопия за химичен елементен анализ. Те включват енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDAX) и спектроскопия на загуба на енергия на електрони (EELS).

Трансмисионен електронен микроскоп и нанотехнологии

В нанотехнологиите ТЕМ се използва не само за структурна диагностика и химичен анализ, но и за решаване на други проблеми. Сред тях е определянето на точките на топене на нанокристалите, където се използва електронен лъч за нагряване на нанокристалите, а точката на топене се определя от изчезването на картината на електронната дифракция. Друг пример е измерването на механични и електрически параметри на отделни нанофиламенти и нанотръби. Методът позволява да се получи недвусмислена връзка между структурата и свойствата на нанопроводниците.

Guozhong Cao Ying Wang, Наноструктури и наноматериали: синтез, свойства и приложение - М.: Научен свят, 2012 г.

Въведение

1. Историческа обстановка

2. Трансмисионна електронна микроскопия

2.1 Източници на електрони

2.2 Осветителна система

2.3 Корекция на астигматизъм

2.4 Спомагателно оборудване за ОПЕМ

3. Приложение на трансмисионния електронен микроскоп

3.1 Небиологични материали

3.2 Биологични вещества

3.3 Микроскопия с високо напрежение

3.4 Радиационни увреждания

4. Съвременни видове МКЕ

Заключение

Библиография

ВЪВЕДЕНИЕ

Методите на електронната микроскопия придобиха такава популярност, че вече е невъзможно да си представим лаборатория, занимаваща се с изследване на материали, която да не ги използва. Първите успехи на електронната микроскопия трябва да се отдадат на 30-те години, когато с нейна помощ е разкрита структурата на редица органични материали и биологични обекти. При изследването на неорганични материали, особено на метални сплави, позицията на електронната микроскопия се засили с появата на микроскопи с високо напрежение (100 kV и по-високи) и още повече поради подобряването на технологията за получаване на обекти, което направи възможно да работят директно с материала, а не с копия на отливки. Теорията на дислокациите, механизмът на пластичната деформация на материалите, дължи появата и постоянното си развитие на така наречената трансмисионна електронна микроскопия. Електронната микроскопия също така заема силна позиция в редица други области на материалознанието.

Нарастващият интерес към електронната микроскопия се обяснява с редица обстоятелства. Това е, на първо място, разширяването на възможностите на метода поради появата на различни приставки: за изследване при ниски (до – 150 ° C) и високи (до 1200 ° C) температури, директно наблюдение на деформацията в микроскоп, изследване на рентгенови спектри на микро области (до 1 μm или по-малко) обекти, получаване на изображения в разпръснати електрони и др. Второ, значително увеличение (до 1 Å или по-малко) в разделителната способност на електронните микроскопи , което ги направи конкурентни на полеви йонни микроскопи за получаване на директни изображения на кристалната решетка. И накрая, възможността, успоредно с микроскопските изследвания, да се изследват дифракционните модели в детайли, до наблюдението на такива фини детайли като дифузионното разсейване на електрони.

Сканиращата електронна микроскопия също бележи все по-широк прогрес, концентрирайки всички постижения на трансмисионната електронна микроскопия.

1. ИСТОРИЧЕСКА СПРАВКА

Историята на микроскопията е история на непрекъснатото търсене на човека, който се стреми да проникне в тайните на природата. Микроскопът се появява през 17 век и оттогава науката започва бързо да напредва. Много поколения изследователи прекарваха дълги часове пред микроскопа, изучавайки невидимия за окото свят. Днес е трудно да си представим биологична, медицинска, физическа, металографска, химическа лаборатория без оптичен микроскоп: чрез изследване на капки кръв и част от тъкан лекарите правят заключение за състоянието на човешкото здраве. Установяването на структурата на металните и органичните вещества направи възможно разработването на редица нови метални и полимерни материали с висока якост.

Нашият век често се нарича електронен век. Проникването в тайните на атома направи възможно проектирането на електронни устройства - лампи, електроннолъчеви тръби и др. В началото на 20-те години на физиците хрумна идеята да използват сноп от електрони за формиране на изображения на обекти. Осъществяването на тази идея дава началото на електронния микроскоп.

Широките възможности за получаване на голямо разнообразие от информация, включително от области на обекти, сравними с атом, послужиха като стимул за подобряване на електронните микроскопи и тяхното използване в почти всички области на науката и технологиите като инструменти за физически изследвания и технически контрол.

Съвременният електронен микроскоп е в състояние да различи такива малки детайли от изображението на микрообект, които никое друго устройство не може да открие. В още по-голяма степен от размера и формата на изображението учените се интересуват от структурата на микрообекта; и електронните микроскопи могат да разкажат не само за структурата, но и за химичния състав, несъвършенствата в структурата на участъци от микрообект, измерващи части от микрометър. Поради това обхватът на приложение на електронния микроскоп непрекъснато се разширява и самото устройство става все по-сложно.

Първите трансмисионни електронни микроскопи работеха с ускоряващи електрони напрежения от 30–60 kV; дебелината на изследваните обекти едва достига 1000 Å (1 Å – 10 -10 m). В момента са създадени електронни микроскопи с ускоряващо напрежение от 3 MV, което позволява да се наблюдават обекти с дебелина вече няколко микрометра. Но успехите на електронната микроскопия не се ограничават само до количествено увеличаване на ускоряващото напрежение. Крайъгълен камък беше създаването на сериен сканиращ електронен микроскоп (SEM), който веднага спечели популярност сред физици, химици, металурзи, геолози, лекари, биолози и дори криминалисти. Най-важните характеристики на това устройство са голямата дълбочина на рязкост на изображението, която е с няколко порядъка по-висока от тази на оптичен микроскоп, и възможността за изследване на масивни проби практически без специална подготовка. е неразривно свързано с развитието на изследователски методи, които позволяват да се обяснят явленията, случващи се в микрокосмоса. В развитието на всяка наука, която изучава реални физически тела, два въпроса са основни: как се държи тялото при определени условия? Защо се държи по определен начин? Най-пълният отговор на тези въпроси може да бъде получен, ако разгледаме цялостно структурата на тялото и неговото поведение, тоест от микровръзките и микроструктурата към макроструктурата в макропроцесора. През 19 век теорията за изображенията е окончателно формулирана и за физиците става очевидно, че за да се подобри разделителната способност на микроскопа, е необходимо да се намали дължината на вълната на радиацията, формираща изображението. Първоначално това откритие не доведе до практически резултати. Само благодарение на работата на Луи дьо Бройл (1924), който свързва дължината на вълната на частицата с нейната маса и скорост, от което следва, че за електроните (както и за леките золи) трябва да има явлението дифракция; и Буш (1926), които показаха, че електрическите и магнитните полета действат почти като оптични лещи, стана възможно да се проведе конкретен разговор за електронната оптика.

През 1927 г. американските учени К. Девисой и Л. Гермър наблюдават явлението дифракция на електрони, а английският физик Д. Томсън и съветският физик П. С. Тартаковски провеждат първите изследвания на това явление. В началото на 30-те години академик А. А. Лебедев разработи теорията на дифракцията, приложена към апарата за електронна дифракция.

Въз основа на тези фундаментални трудове стана възможно да се създаде електронно-оптично устройство и де Брогли предложи на един от неговите ученици, Л. Силард, да направи това. Той, в разговор с известния физик Д. Табор, му каза за предложението на де Бройл, но Габор убеди Силард, че всеки обект по пътя на електронния лъч ще изгори на земята и освен това живите обекти не могат да бъдат предотвратени навлизане във вакуума.

Сцилард отказал предложението на своя учител, но по това време вече нямало никакви трудности при получаването на електрони. Физиците и радиоинженерите успешно са работили с електронни тръби, в които електроните са получени поради термоелектронна емисия или, просто казано, чрез нагряване на нишката (катода) и насоченото движение на електроните към анода (т.е. преминаването на ток през лампата) се формира чрез прилагане на напрежение между анода и катода. През 1931 г. А. А. Лебедев предлага дизайн на електронограф с магнитно фокусиране на електронен лъч, който е в основата на повечето устройства, произведени у нас и в чужбина.

През 1931 г. Р. Руденберг подава патентна заявка за трансмисионен електронен микроскоп, а през 1932 г. М. Нол и Е. Руска построяват първия такъв микроскоп, използвайки магнитни лещи за фокусиране на електрони. Това устройство беше предшественик на модерния OPEM. (Руска беше възнаградена за усилията си, като спечели Нобелова награда по физика за 1986 г.)

През 1938 г. Ruska и B. von Borries изграждат прототип на индустриален OPEM за Siemens-Halske в Германия; този инструмент в крайна сметка направи възможно постигането на разделителна способност от 100 nm. Няколко години по-късно A. Prebus и J. Hiller построиха първия OPEM с висока разделителна способност в Университета на Торонто (Канада).

Широките възможности на OPEM почти веднага станаха очевидни. Индустриалното му производство е започнато едновременно от Siemens-Halske в Германия и RCA Corporation в САЩ. В края на 40-те години други компании започват да произвеждат такива устройства.

SEM в сегашната си форма е изобретен през 1952 г. от Чарлз Отли. Вярно е, че предварителните версии на такова устройство са създадени от Кнол в Германия през 30-те години на миналия век и от Зворикин и неговите колеги от RCA Corporation през 40-те години на миналия век, но само устройството на Отли успя да послужи като основа за редица технически подобрения, кулминиращи при въвеждането на индустриална версия на SEM в производството в средата на 60-те години. Обхватът на потребителите на такова сравнително лесно за използване устройство с триизмерно изображение и електронен изходен сигнал се разшири експоненциално. В момента има дузина индустриални производители на SEM на три континента и десетки хиляди такива устройства, използвани в лаборатории по целия свят.През 60-те години на миналия век бяха разработени микроскопи с ултрависоко напрежение за изследване на по-дебели проби.Лидерът на тази посока на разработката е G. Dupuy във Франция, където устройство с ускоряващо напрежение от 3,5 милиона волта е пуснато в експлоатация през 1970 г. RTM е изобретен от G. Binnig и G. Rohrer през 1979 г. в Цюрих. Това много просто устройство осигурява атомна резолюция на За работата си За създаването на RTM Биниг и Рорер (едновременно с Руска) получават Нобелова награда по физика.

Широкото развитие на методите на електронната микроскопия у нас е свързано с имената на редица учени: Н. Н. Буйнов, Л. М. Утевски, Ю. А. Скаков (трансмисионна микроскопия), Б. К. Вайнщайн (електронография), Г. В. Спивак (растерна микроскопия), И. Б. Боровски, Б. Н. Васичев (рентгенова спектроскопия) и др. Благодарение на тях електронната микроскопия излезе от стените на изследователските институти и намира все по-голямо приложение във фабричните лаборатории.

2. ТРАНСМИСИЙНА ЕЛЕКТРОННА МИКРОСКОПИЯ

Електронен микроскоп- устройство, което ви позволява да получавате силно увеличени изображения на обекти, като използвате електрони, за да ги осветите. Електронният микроскоп (ЕМ) ви позволява да видите детайли, които са твърде малки, за да бъдат разрешени от светлинен (оптичен) микроскоп. Електронният микроскоп е един от най-важните инструменти за фундаментални научни изследвания на структурата на материята, особено в такива области на науката като биологията и физиката на твърдото тяло.

Нека се запознаем с дизайна на модерен трансмисионен електронен микроскоп.

Фигура 1 – Секция, показваща основните компоненти на трансмисионен електронен микроскоп

1 – електронна пушка; 2 -анод; 3 – бобина за регулиране на пистолета; 4 – пистолетен клапан; 5 – 1-ва събирателна леща; 6 – 2-ра събирателна леща; 7 – бобина за накланяне на лъча; 8 – кондензатор 2 диафрагми; 9 – обектив; 10 – мострен блок; 11 – дифракционна диафрагма; 12 – дифракционна леща; 13 – междинна леща; 14 – 1-ви проекционен обектив; 15 – 2-ри проекционен обектив;

16 – бинокъл (увеличение 12); 17 – колонен вакуумен блок; 18 – камера за 35 мм ролков филм; 19 – фокусиращ екран; 20 – камера за запис; 21 – начален екран; 22 – йонна сорбционна помпа.

Принципът на неговата конструкция като цяло е подобен на принципа на оптичния микроскоп, има системи за осветяване (електронна пушка), фокусиране (лещи) и запис (екран). Въпреки това, тя се различава значително в детайлите. Например, светлината се движи безпрепятствено във въздуха, докато електроните лесно се разпръскват при взаимодействие с всяко вещество и следователно могат да се движат безпрепятствено само във вакуум. С други думи, микроскопът се поставя във вакуумна камера.

Нека разгледаме по-подробно компонентите на микроскопа. Системата от нишка и ускоряващи електроди се нарича електронна пушка (1). По същество пистолетът наподобява триодна тръба. Поток от електрони се излъчва от гореща волфрамова жица (катод), събира се в лъч и се ускорява в полето на два електрода. Първият, контролният електрод или така нареченият „цилиндър на Wehnelt“, обгражда катода и към него се прилага напрежение на отклонение, малък потенциал от няколкостотин волта отрицателно спрямо катода. Поради наличието на такъв потенциал, електронният лъч, излизащ от пистолета, се фокусира върху „цилиндъра на Wehnelt“. Вторият електрод е анодът (2), плоча с отвор в центъра, през който електронният лъч влиза в колоната на микроскопа. Между нишката (катода) и анода се прилага ускоряващо напрежение, обикновено до 100 kV. По правило е възможно напрежението да се променя стъпаловидно от 1 до 100 kV.

Задачата на пистолета е да създаде стабилен поток от електрони с малка излъчваща област на катода. Колкото по-малка е площта, излъчваща електрони, толкова по-лесно е да се получи тънък паралелен лъч от тях. За целта се използват V-образни или специално заточени катоди.

Следващите в колоната микроскоп са лещи. Повечето съвременни електронни микроскопи имат четири до шест лещи. Електронният лъч, излизащ от пистолета, се насочва през двойка кондензаторни лещи (5,6) към обекта. Кондензаторната леща ви позволява да променяте условията на осветяване на обект в широк диапазон. Обикновено кондензаторните лещи са електромагнитни намотки, в които тоководещите намотки са заобиколени (с изключение на тесен канал с диаметър около 2 - 4 cm) от сърцевина от меко желязо (фиг. 2).

Когато токът, протичащ през намотките, се променя, фокусното разстояние на лещата се променя, в резултат на което лъчът се разширява или стеснява, а площта на обекта, осветен от електрони, се увеличава или намалява.

корекция на астигматизъм с електронен микроскоп

Фигура 2 – Опростена диаграма на магнитна електронна леща

Посочени са геометричните размери на полюсния накрайник; Прекъснатата линия показва контура, който се появява в закона на Ампер. Прекъснатата линия също показва линията на магнитния поток, която определя качествено фокусиращия ефект на лещата. V r –напрегнатост на полето в пролуката далеч от оптичната ос. На практика намотките на лещите са с водно охлаждане и полюсната част е подвижна

За да се получи голямо увеличение, е необходимо обектът да се облъчи с потоци с висока плътност. Кондензаторът (лещата) обикновено осветява област от обекта, която е много по-голяма от тази, която ни интересува при дадено увеличение. Това може да доведе до прегряване на пробата и замърсяването й с продукти на разлагане на маслени пари. Температурата на обекта може да бъде намалена чрез намаляване на облъчената площ до приблизително 1 μm с помощта на втора събирателна леща, която фокусира изображението, образувано от първата събирателна леща. В същото време електронният поток през изследваната област на пробата се увеличава, яркостта на изображението се увеличава и пробата става по-малко замърсена.

Пробата (обектът) обикновено се поставя в специален предметен държач върху тънка метална мрежа с диаметър 2–3 mm. Държачът на обекта се движи от система от лостове в две взаимно перпендикулярни посоки и се накланя в различни посоки, което е особено важно при изследване на тъканни срезове или дефекти на кристалната решетка като дислокации и включвания.

Фигура 3 – Конфигурация на полюсната част на обектива с висока разделителна способност на електронния микроскоп Siemens-102.

В този успешен индустриален дизайн диаметърът на отвора на горния полюсен елемент е 2R 1 =9 mm, диаметърът на отвора на долния полюсен елемент е 2R 2 =3 mm и междината между полюсите S=5 mm (R 1, R 2 и S са определени на фиг. 2): 1 – държач на предмет, 2 – примерна маса, 3 - проба, 4 – бленда на обектива, 5 – термистори, 6 – навиване на обектива, 7 – горна полюсна част, 8 – охладен прът, 9 – долна полюсна част, 10 – стигматизатор 11 – канали на охладителната система, 12 – охладена диафрагма

Създава се относително ниско налягане, приблизително 10 -5 mm Hg, в колоната на микроскопа с помощта на система за вакуумно изпомпване. Изкуство. Това отнема доста време. За да се ускори подготовката на устройството за работа, към обектната камера е прикрепено специално устройство за бърза смяна на обекта. В този случай в микроскопа влиза само много малко количество въздух, което се отстранява от вакуумни помпи. Смяната на проба обикновено отнема 5 минути.

Изображение.Когато електронен лъч взаимодейства с проба, електроните, преминаващи близо до атомите на веществото на обекта, се отклоняват в посока, определена от неговите свойства. Това е основната причина за видимия контраст на изображението. В допълнение, електроните все още могат да претърпят нееластично разсейване, свързано с промени в тяхната енергия и посока, да преминат през обекта без взаимодействие или да бъдат погълнати от обекта. Когато електроните се абсорбират от дадено вещество, се генерират светлина или рентгенови лъчи или се отделя топлина. Ако пробата е достатъчно тънка, фракцията на разпръснатите електрони е малка. Дизайнът на съвременните микроскопи дава възможност да се използват всички ефекти, които възникват, когато електронен лъч взаимодейства с обект, за да се образува изображение.

Електроните, преминаващи през обекта, влизат в лещата на обектива (9), предназначена да получи първото увеличено изображение. Лещата на обектива е една от най-важните части на микроскопа, „отговорна“ за разделителната способност на устройството. Това се дължи на факта, че електроните навлизат под сравнително голям ъгъл на наклон спрямо оста и в резултат на това дори незначителни аберации значително влошават изображението на обекта.

Фигура 4 – Формиране на първото междинно изображение от обективна леща и ефект на аберация.

Окончателното увеличено електронно изображение се преобразува във видимо изображение от флуоресцентен екран, който свети при електронно бомбардиране. Това изображение, обикновено с нисък контраст, обикновено се гледа през бинокулярен светлинен микроскоп. При същата яркост такъв микроскоп с увеличение 10 може да създаде изображение върху ретината, което е 10 пъти по-голямо, отколкото когато се наблюдава с невъоръжено око. Понякога, за да се увеличи яркостта на слабо изображение, се използва фосфорен екран с електронно-оптичен преобразувател. В този случай крайното изображение може да се покаже на обикновен телевизионен екран, което позволява да бъде записано на видеокасета. Видеозаписът се използва за запис на изображения, които се променят във времето, например поради протичане на химическа реакция. Най-често крайното изображение се записва върху фотолента или фотоплака. Фотографската плака обикновено произвежда по-ясно изображение от това, което се наблюдава с невъоръжено око или се записва на видеолента, тъй като фотографските материали, най-общо казано, записват електрони по-ефективно. В допълнение, 100 пъти повече сигнали могат да бъдат записани на единица площ от фотографски филм, отколкото на единица площ от видео лента. Благодарение на това изображението, записано върху фотографски филм, може да бъде допълнително увеличено приблизително 10 пъти без загуба на яснота.

Електронните лещи, както магнитните, така и електростатичните, са несъвършени. Те имат същите дефекти като стъклените лещи на оптичен микроскоп - хроматична, сферична аберация и астигматизъм. Хроматичната аберация възниква поради променливостта на фокусното разстояние при фокусиране на електрони с различни скорости. Тези изкривявания се намаляват чрез стабилизиране на тока на електронния лъч и тока на лещата.

Сферичната аберация се дължи на факта, че периферните и вътрешните зони на лещата формират изображение при различни фокусни разстояния. Намотката на магнитната намотка, сърцевината на електромагнита и канала в намотката, през който преминават електроните, не могат да бъдат направени перфектно. Асиметрията на магнитното поле на лещата води до значително изкривяване на траекторията на електрона.

Работа в режими микроскопия и дифракция. Защрихованите зони маркират пътя на еквивалентните лъчи и в двата режима.

Ако магнитното поле е асиметрично, лещата изкривява изображението (астигматизъм). Същото може да се каже и за електростатичните лещи. Процесът на производство на електроди и тяхното подравняване трябва да бъде много точен, тъй като качеството на лещите зависи от това.

В повечето съвременни електронни микроскопи нарушенията на симетрията на магнитните и електрическите полета се елиминират с помощта на стигматори. Малки електромагнитни намотки се поставят в каналите на електромагнитните лещи, променяйки протичащия през тях ток, те коригират полето. Електростатичните лещи са допълнени с електроди: чрез избор на потенциал е възможно да се компенсира асиметрията на основното електростатично поле. Стигматорите много фино регулират полетата и им позволяват да постигнат висока симетрия.

Фигура 5 – Път на лъч в трансмисионен електронен микроскоп

В обектива има още две важни устройства - апертурната диафрагма и отклоняващите намотки. Ако отклонените (дифрактирани) лъчи участват във формирането на крайното изображение, качеството на изображението ще бъде лошо поради сферична аберация на лещата. В лещата на обектива се вкарва апертурна диафрагма с диаметър на отвора 40–50 микрона, която блокира лъчите, дифрактирани под ъгъл над 0,5 градуса. Лъчите, отклонени под малък ъгъл, създават изображение в светло поле. Ако минаващият лъч е блокиран от апертурната диафрагма, тогава изображението се формира от дифрактирания лъч. В този случай се получава в тъмно поле. Въпреки това, методът на тъмното поле създава изображение с по-ниско качество от метода на светлото поле, тъй като изображението се формира от лъчи, пресичащи се под ъгъл спрямо оста на микроскопа, сферичната аберация и астигматизмът се появяват в по-голяма степен. Отклоняващите намотки служат за промяна на наклона на електронния лъч. За да получите крайното изображение, трябва да увеличите първото увеличено изображение на обекта. За тази цел се използва проекционен обектив. Цялостното увеличение на електронния микроскоп трябва да варира в широки граници, от малко увеличение, съответстващо на увеличението на лупа (10, 20), при което можете да изследвате не само част от обекта, но и да видите целия обект, до максимално увеличение, което ви позволява да използвате пълноценно силата на висока разделителна способност на електронния микроскоп (обикновено до 200 000). Тук вече не е достатъчна двустепенна система (обектив, проекционен обектив). Съвременните електронни микроскопи, предназначени за максимална разделителна способност, трябва да имат най-малко три увеличителни лещи - обективна леща, междинна леща и проекционна леща. Тази система гарантира промени в увеличението в широк диапазон (от 10 до 200 000).

Увеличението се променя чрез регулиране на тока на междинната леща.

Друг фактор, който допринася за получаване на по-голямо увеличение, е промяната на оптичната сила на лещата. За да се увеличи оптичната сила на лещата, в цилиндричния канал на електромагнитната намотка се вкарват специални така наречени „полюсни части“. Изработени са от меко желязо или сплави с висока магнитна проницаемост и позволяват концентрирането на магнитното поле в малък обем. Някои модели микроскопи предоставят възможност за смяна на полюсните накрайници, като по този начин се постига допълнително увеличение на изображението на обекта.

На последния екран изследователят вижда увеличено изображение на обекта. Различните части на обекта разпръскват падащите върху тях електрони по различен начин. След лещата на обектива (както беше споменато по-горе) ще бъдат фокусирани само електрони, които при преминаване на обекта се отклоняват под малки ъгли. Същите тези електрони се фокусират от междинните и проекционните лещи върху екрана за крайното изображение. На екрана съответните детайли на обекта ще светят. В случай, че електроните се отклоняват под големи ъгли при преминаване през области на обекта, те се забавят от диафрагмата на апертурата, разположена в лещата на обектива, и съответните области на изображението ще бъдат тъмни на екрана.

Изображението става видимо на флуоресцентен екран (светещ под въздействието на падащи върху него електрони). Те го снимат или на фотоплака, или на филм, които се намират на няколко сантиметра под екрана. Въпреки че пластината е поставена под екрана, поради факта, че електронните лещи имат доста голяма дълбочина на рязкост и фокус, яснотата на изображението на обекта върху фотографската плака не се нарушава. Смяната на записа става през херметизиран люк. Понякога се използват фотомагазини (от 12 до 24 плаки), които също се монтират през въздушни камери, което избягва разхерметизирането на целия микроскоп.

разрешение.Електронните лъчи имат свойства, подобни на тези на светлинните лъчи. По-специално, всеки електрон се характеризира със специфична дължина на вълната. Разделителната способност на електронния микроскоп се определя от ефективната дължина на вълната на електроните. Дължината на вълната зависи от скоростта на електроните и следователно от ускоряващото напрежение; Колкото по-високо е ускоряващото напрежение, толкова по-висока е скоростта на електроните и по-къса е дължината на вълната, което означава по-висока разделителна способност. Такова значително предимство на електронния микроскоп е неговата разделителна способност

Разбиващата способност се обяснява с факта, че дължината на вълната на електроните е много по-къса от дължината на вълната на светлината. Но тъй като електронните лещи не фокусират толкова добре, колкото оптичните лещи (числовата апертура на добра електронна леща е само 0,09, докато за добра оптична леща тази стойност достига 0,95), разделителната способност на електронния микроскоп е равна на 50 - 100 електрона. дължини на вълните. Дори и с такива слаби лещи, електронният микроскоп може да постигне разделителна способност от около 0,17 nm, което прави възможно разграничаването на отделни атоми в кристалите. За да се постигне разделителна способност от този ред, е необходимо много внимателно регулиране на инструмента; по-специално, изискват се високо стабилни захранвания, а самото устройство (което може да бъде високо около 2,5 m и тежи няколко тона) и допълнителното му оборудване изискват монтаж без вибрации.

За да се постигне точкова разделителна способност, по-добра от 0,5 nm, е необходимо да се поддържа инструментът в отлично състояние и в допълнение да се използва микроскоп, който е специално проектиран за работа с висока разделителна способност. Нестабилността на тока на лещата на обектива и вибрациите на обекта трябва да бъдат сведени до минимум. Проверяващият трябва да се увери, че полюсът на лещата е без остатъци от предишни изследвания. Диафрагмите трябва да са чисти. Микроскопът трябва да бъде инсталиран на място, което е устойчиво на вибрации, външни магнитни полета, влажност, температура и прах. Константата на сферичната аберация трябва да бъде по-малка от 2 mm. Най-важните фактори при работа с висока разделителна способност обаче са стабилността на електрическите параметри и надеждността на микроскопа. Степента на замърсяване на обекта трябва да бъде по-малка от 0,1 nm/min и това е особено важно за работа в тъмно поле с висока разделителна способност.

Температурният дрейф трябва да бъде сведен до минимум. За да се сведе до минимум замърсяването и да се увеличи максимално стабилността на високо напрежение, е необходим вакуум, който трябва да се измерва в края на помпената линия. Вътрешността на микроскопа, особено камерата на електронния пистолет, трябва да бъде стриктно чиста.

Удобни обекти за тестване на микроскоп са тестови обекти, малки частици от частично графитизиран въглерод, в които се виждат равнините на кристалната решетка. В много лаборатории такава проба винаги се държи под ръка, за да се провери състоянието на микроскопа и всеки ден, преди да започне работа с висока разделителна способност, от тази проба се получават ясни изображения на система от равнини с междуравнинно разстояние 0,34 nm с помощта на държач за проби без накланяне. Тази практика за тестване на инструмента е силно препоръчителна. Поддържането на микроскопа в отлично състояние отнема много време и енергия. Изследвания с висока разделителна способност не трябва да се планират, докато инструментът не се поддържа на подходящо ниво и, което е по-важно, докато микроскопистът не е уверен, че резултатите, получени от изображения с висока разделителна способност, ще си струват инвестицията, време и усилия.

Съвременните електронни микроскопи са оборудвани с редица устройства. Приставката за промяна на наклона на пробата по време на наблюдение (гониометрично устройство) е много важна. Тъй като контрастът на изображението се получава главно поради електронна дифракция, дори малките наклони на пробата могат значително да го повлияят. Гониометричното устройство има две взаимно перпендикулярни оси на накланяне, лежащи в равнината на образеца и адаптирани за неговото завъртане на 360°. Когато е наклонен, устройството гарантира, че позицията на обекта остава непроменена спрямо оста на микроскопа. Гониометрично устройство е необходимо и при получаване на стерео изображения за изследване на релефа на повърхността на фрактурата на кристални проби, релефа на костната тъкан, биологични молекули и др.

Стереоскопична двойка се получава чрез заснемане в електронен микроскоп на едно и също място на обекта в две позиции, когато той се завърта под малки ъгли спрямо оста на лещата (обикновено ±5°).

Интересна информация за промените в структурата на обектите може да се получи чрез непрекъснато наблюдение на нагряването на обекта. С помощта на приставката е възможно да се изследва повърхностното окисляване, процеса на разстройство, фазовите трансформации в многокомпонентни сплави, термичните трансформации на някои биологични препарати и да се извърши пълен цикъл на термична обработка (отгряване, закаляване, темпериране) и с контролирано високи скорости на отопление и охлаждане. Първоначално са разработени устройства, които са херметически закрепени към камерата на обекта. С помощта на специален механизъм обектът беше изваден от колоната, термично обработен и след това отново поставен в камерата на обекта. Предимството на метода е липсата на замърсяване на колоната и възможността за продължителна топлинна обработка.

Съвременните електронни микроскопи имат устройства за нагряване на обект директно в колоната. Част от държача на предмета е заобиколен от микро-пещ. Волфрамовата спирала на микропечките се нагрява с постоянен ток от малък източник. Температурата на обекта се променя, когато токът на нагревателя се променя и се определя от кривата на калибриране. Устройството поддържа висока разделителна способност при нагряване до 1100°C – около 30 Å.

Напоследък са разработени устройства, които позволяват обектът да се нагрява от електронния лъч на самия микроскоп. Обектът е разположен върху тънък волфрамов диск. Дискът се нагрява от разфокусиран електронен лъч, малка част от който преминава през отвор в диска и създава изображение на обекта. Температурата на диска може да се променя в широки граници чрез промяна на неговата дебелина и диаметъра на електронния лъч.

Микроскопът има и маса за наблюдение на обекти при охлаждане до –140° C. Охлаждането е с течен азот, който се налива в дюарова колба, свързана към масата със специална студена тръба. Това устройство е удобно за изучаване на някои биологични и органични обекти, които без охлаждане се разрушават под въздействието на електронен лъч.

Използвайки приставка за разтягане на обект, можете да изследвате движението на дефекти в металите, процеса на възникване и развитие на пукнатини в обект. Създадени са няколко вида такива устройства. Някои използват механично натоварване чрез преместване на ръкохватките, в които е закрепен обектът, или чрез преместване на притискащия прът, докато други използват нагряване на биметални пластини. Пробата се залепва или затяга към биметални ленти, които се раздалечават при нагряване. Устройството ви позволява да деформирате пробата с 20% и да създадете сила от 80 g.

Най-важното приспособление на електронен микроскоп може да се счита за микродифракционно устройство за изследване на електронна дифракция на всяка специфична област на обект от особен интерес. Освен това микродифракционната картина на съвременните микроскопи се получава без промяна на устройството. Дифракционната картина се състои от поредица от пръстени или петна. Ако много равнини в даден обект са ориентирани по начин, благоприятен за дифракция, тогава изображението се състои от фокусирани петна. Ако електронен лъч удари няколко зърна от произволно ориентиран поликристал наведнъж, дифракцията се създава от множество равнини и се образува модел от дифракционни пръстени. По местоположението на пръстените или петната може да се определи структурата на веществото (например нитрид или карбид), неговия химичен състав, ориентацията на кристалографските равнини и разстоянието между тях.

2.1 Източници на електрони

Често се използват четири типа източници на електрони: волфрамови V-образни катоди, катоди с волфрамова точка (връх), източници на лантанов хексаборид и източници на полеви електрони. Тази глава обсъжда накратко предимствата на всеки тип източник на електрони за трансмисионна електронна микроскопия с висока разделителна способност и техните характеристики. Следните основни изисквания се прилагат към източниците на електрони, използвани в електронната микроскопия с висока разделителна способност:

1. Висока яркост (плътност на тока за единица плътен ъгъл). Изпълнението на това изискване е от съществено значение за експерименти за получаване на изображения с висока разделителна способност с фазов контраст, когато е необходимо да се комбинира малък отвор за осветяване с достатъчна плътност на тока, което прави възможно точното фокусиране на изображението при голямо увеличение.

2.Висока ефективност на използване на електрони (отношението на яркостта към общата текуща стойност на първичния електронен лъч), което се постига благодарение на малкия размер на източника. Намаляването на осветената площ на пробата намалява нейното нагряване и топлинен дрейф по време на експозиция.

3. Дълъг живот при съществуващ вакуум.

4. Стабилна емисия при продължителна (до минута) експозиция, характерна за микроскопията с висока разделителна способност.

Идеалната система за осветяване за конвенционален трансмисионен микроскоп с висока разделителна способност би била тази, която позволява на оператора да контролира независимо размера на осветената площ на пробата, интензитета на осветяване и кохерентността на лъча. Такива възможности се постигат само при работа с полев електронен източник. Въпреки това, за повечето лаборатории, използването на катод с волфрамова точка е най-добрият компромис, приемлив както по отношение на цената, така и по отношение на производителността за трансмисионна микроскопия с висока разделителна способност. В момента се разглежда и възможността за използване на източници на лантанов хексаборид. Също така обещаващ е катод, нагряван от лазерен лъч, за който се съобщава, че е 3000 пъти по-ярък от V-образен катод с ефективен диаметър на източника от около 10 nm. Тези катоди работят при умерен вакуум (10 -4 Torr).

2.2. Осветителна система

проба

Фигура 6 – Осветителна система на съвременен електронен микроскоп

Системата има две събирателни лещи C1(силен обектив) и C2(слаб обектив). Е– катод; У– цилиндър Wepelt; S – въображаем източник на електрони, S" и S" – неговите изображения; CA2 –втора диафрагма на кондензатора. Разстояния U 1 , U 2 , V 1 ,V 2 са електронно-оптични параметри, докато разстоянията д 1 , д 2 , д 3 лесно се измерва в колона на микроскоп. .

На фиг. Фигура 6 показва две събирателни лещи, включени в системата за осветяване на електронния микроскоп. Обикновено е възможно независимо да промените фокусното разстояние на тези лещи (C1 и C2) . Възбуждането на първата събирателна леща се променя с помощта на копче за регулиране, понякога наричано "размер на петна". Обикновено възбуждането се избира така, че равнините S, S" и повърхността на пробата да са спрегнати, т.е., така че върху пробата да се формира фокусирано изображение на източника (фокусирано осветяване).

За V-образен катод размерът на източника е приблизително 30 µm. За да се предотврати нежелано нагряване и радиационно увреждане на пробата, върху нея трябва да се формира намалено изображение на източника. Работното разстояние D 3 също трябва да бъде достатъчно голямо, за да позволи на държача на предмета да се движи при смяна на пробата. Когато се използва единична събирателна леща, е трудно да се удовлетворят тези противоречиви изисквания - ниско увеличение с голямо разстояние D 3 - тъй като това изисква разстоянието D 1 да бъде прекалено голямо. Затова обикновено се използва силна първа събирателна леща C1, която служи за намаляване на изображението на източника от 5 - 100 пъти, а втората слаба леща C2, следваща първата с увеличение около 3, осигурява голямо работно разстояние,

2.3 Корекция на астигматизъм

Регулирането на стигматизатора на обектива е от решаващо значение за постигане на висока разделителна способност. Някои устройства регулират астигматизма както в посока, така и в сила, докато други осигуряват регулиране на силата на астигматизма в две фиксирани ортогонални посоки. На първо място, астигматизмът трябва грубо да се коригира с помощта на стигматизатор, докато пръстенът на Fresnel стане симетричен. При работа с висока разделителна способност е необходимо да се коригира астигматизмът възможно най-точно, което може да се направи чрез изобразяване на структурата на тънък аморфен въглероден филм при голямо увеличение. За внимателно коригиране на астигматизма в детайлите от 0,3 nm на такова изображение е необходимо увеличение на микроскопа от поне 400 000x и оптичен бинокъл x10. Използвайте копчетата за фокус и стигма, за да постигнете минимален контраст, който се постига с помощта на по-фините копчета. Когато лещата е недостатъчно фокусирана с няколко десетки нанометра, трябва да се вижда хомогенна зърнеста структура на въглеродния филм без анизотропия във всяка предпочитана посока. Това е трудна процедура, която изисква значителни умения. Оптичният дифракционен модел ви позволява бързо да проверите правилността на корекцията на астигматизма и използването му е особено важно при овладяване на процедурата за корекция на астигматизма. Важни са следните точки:

1. Очите трябва напълно да се адаптират към тъмното. За да направите това, трябва да прекарате поне 20 минути на тъмно.

2. Позицията и чистотата на диафрагмата на обектива и охлажданата диафрагма в полето на лещата оказват критично влияние върху необходимата инсталация на стигматизатора. Никога не докосвайте нито един от отворите след коригиране на астигматизма, преди да снимате изображението. Най-важното е, че астигматизмът не се променя с времето и може да се коригира. Малкото замърсяване на обективната диафрагма не създава смущения, които не могат да бъдат коригирани с помощта на стигматизатор. Мръсната диафрагма, която създава колебания на полето, е по-сериозен проблем. Проверете степента на замърсяване на отвора на обектива, като го преместите, докато наблюдавате изображението. При малки измествания на диафрагмата не трябва да има значително влошаване на астигматизма. Чистотата на охладената диафрагма може да се провери при увеличението, при което тя ограничава зрителното поле. Проверката се извършва чрез леко преместване на охладената диафрагма, ако е възможно, наблюдение при малко увеличение.

3. Токът за коригиране на астигматизма варира в зависимост от вида на използвания държач на обекта, ускоряващото напрежение и управляващия ток на лещата на обектива. Последното е леко зависимо от увеличението, вероятно поради магнитното взаимодействие на лещите.

4. Честа причина за тежък астигматизъм е наличието на парче от счупена или частично изпарена проба в полюса на лещата.

5. Няма смисъл от коригиране на астигматизма, докато охладената диафрагма достигне температурата на течния азот и докато резервоарът на охладената диафрагма трябва периодично да се допълва с течен азот (за предпочитане с помощта на помпа). Астигматизмът също се появява бързо, тъй като течният азот се изпарява от резервоара, което кара диафрагмата да се движи, докато се нагрява. Може да отнеме поне половин час, докато температурата на диафрагмата се стабилизира от момента, в който започнете да пълните резервоара.

Чувствителността на изображения с висока разделителна способност към астигматизъм може да се оцени чрез наблюдение на графитизирани въглеродни равнини в светло поле при некосо осветление, докато се регулира стигматизаторът. За да се получат изображения на решетъчните равнини, разположени във всички възможни посоки, астигматизмът трябва да бъде точно компенсиран в две посоки. По-лесно е да се изобразяват решетъчните равнини в една посока, но не осигурява контрол върху точната корекция на астигматизма.

Накрая си струва да повторим, че астигматизмът трябва да се коригира след всяка настройка на блендата на обектива.

2.4 Спомагателно оборудване за конвенцион трансмисионна електронна микроскопия с висока резолюция

В допълнение към самия микроскоп има различни спомагателни устройства, които допълват микроскопа, които бяха споменати по-рано в тази книга. Взети заедно, всички те са обхванати в този параграф.

1. Масспектрометърът или манометърът за парциално налягане е изключително полезно допълнение към електронния микроскоп. Масспектрометърът осигурява пълен анализ на продуктите на замърсяване под микроскоп. Някои инструменти имат магнити в дизайна си; такъв инструмент трябва да бъде позициониран, като се вземе предвид възможният ефект върху електронномикроскопичното изображение.

2. Когато работите с висока резолюция, е полезно да използвате бутилка със сух азот. Микроскопът се пълни със сух азот винаги, когато са необходими вътрешни ремонти, за да се намали количеството водни пари, навлизащи в колоната.

3. За калибриране на увеличението на инструмента при условия на вариращо фокусно разстояние на лещата на обектива е полезно да използвате инструмент за измерване на тока на лещата на обектива.

4. Поради значението на термичната стабилност при снимане на изображения в тъмно поле с дълги експозиции, препоръчително е да имате помпа с течен азот.

5. За да издухате праха или остатъците от продукта от пробата след почистване на камерата на пистолета на микроскопа, винаги е полезно да имате гумен вентилатор с дюза.

3 . ПРИЛОЖЕНИЕ НА ТРАНСМИСИОННИЯ ЕЛЕКТРОНЕН МИКРОСКОП

Едва ли има изследователски сектор в областта на биологията и науката за материалите, който да не използва трансмисионна електронна микроскопия (TEM); това се осигурява от напредъка в техниките за подготовка на пробите.

Всички техники, използвани в електронната микроскопия, са насочени към получаване на изключително тънка проба и осигуряване на максимален контраст между нея и субстрата, от който се нуждае като опора. Основната техника е предназначена за проби с дебелина от 2 - 200 nm, поддържани от тънки пластмасови или въглеродни филми, които се поставят върху решетка с размер на окото около 0,05 mm. (Една подходяща проба, независимо как е получена, се обработва така, че да се увеличи интензитетът на разсейване на електрони върху изследвания обект.) Ако контрастът е достатъчно висок, окото на наблюдателя може лесно да различи детайли, намиращи се на разстояние от 0,1 - 0,2 мм една от друга. Следователно, за да могат детайлите, разделени на разстояние от 1 nm върху пробата, да бъдат различими в изображението, създадено от електронен микроскоп, е необходимо общо увеличение от порядъка на 100 - 200 хил. Най-добрите микроскопи могат да създадат изображение на образец върху фотографска плака с такова увеличение, но в същото време Показаната област е твърде малка. Обикновено микроснимка се прави при по-малко увеличение и след това се увеличава фотографски. Една фотографска плака разделя около 10 000 линии на дължина от 10 cm. Ако всяка линия от пробата съответства на определена структура с дължина 0,5 nm, тогава за регистриране на такава структура е необходимо увеличение от поне 20 000, докато с помощта на ТЕМ могат да бъдат разрешени около 1000 линии.

3.1 Небиологични материали

Основната цел на електронната микроскопия с висока разделителна способност днес е да визуализира детайлите на ултраструктурата на несъвършените кристални материали. Понастоящем няма други методи, способни да предоставят такава информация на ниво разделителна способност на атомна или единична клетка. Детайлното разбиране на структурата на кристалните дефекти определя напредъка както в кристалохимията, така и в областта на изследването на якостта на материалите. Използвайки електронен лъч за контролиране на скоростта на химическа реакция в кристали, също е възможно да се изследва движението на дефекти по време на фазови преходи почти на атомно ниво. Електронната микроскопия с висока разделителна способност също се използва широко за изследване на микроструктурата на много малки кристали, от които не могат да бъдат получени рентгенови дифракционни модели. През последните години този метод се използва широко за изследване на минерали и керамични материали.

Изследванията на минералите с помощта на метода на репликата започнаха преди няколко десетилетия. Слюдата и глинестите минерали са първите, които са изследвани директно с помощта на трансмисионна електронна микроскопия. Сред първите минералози, които използват електронна микроскопия в своите изследвания, са Ribbe, McConnell и Fleet. Развитието на електронната микроскопия във връзка с минералогията беше силно повлияно от работата на Макларън и Фейки (от 1965 г.) и Нисен (от 1967 г.); тяхната изследователска програма беше изцяло посветена на електромикроскопското изследване на минералите. През 1970 г. работата по изследването на лунни материали с помощта на ТЕМ методи допринесе за появата на изключителен бум в електронната микроскопия на минерали, в която, наред с минералозите, участваха учени по материали и физици. Резултатите, получени от тях в продължение на пет години, които оказаха огромно влияние върху съвременната минералогия, показаха, че електронната микроскопия е много мощен инструмент в ръцете на един учен. Към днешна дата новите данни са допринесли значително за дешифрирането на структурата на фелдшпатите и пироксените и в почти всяка група минерали изследванията с помощта на електронна микроскопия разкриват редица неочаквани свойства.

Електронната микроскопия също се използва за определяне на възрастта на земни, лунни и метеоритни скали. Това се възползва от факта, че по време на радиоактивния разпад на ядрото се освобождават частици, които проникват в околния материал с висока скорост и оставят видима „следа“ в кристала. Такива следи могат да се видят с помощта на електронен микроскоп, използвайки го в режим на сканиране или предаване. Плътността на следите на разпад около радиоактивно включване е пропорционална на възрастта на кристала, а дължината им е функция на енергията на частицата. Дълги следи, показващи висока енергия на частиците, са открити около витлокитови включвания в лунната скала; Hutcheon и Price приписват тази необичайно дълга следа на разпадането на елемент 244 Po, който поради краткия си период на полуразпад вече е изчезнал, но все още може да е съществувал преди 4 милиарда години. Следи в материал, взет от повърхността на Луната или от метеорити (фиг. 7), предоставят информация за еволюцията на космическата радиация и ни позволяват да направим заключения за възрастта и състава на Вселената.

Високата плътност на следите се дължи на наличието на енергийно по-тежки ядра (главно Fe) в слънчевото изригване преди образуването на метеорита. Табличната структура, причинена от разлагането на твърди разтвори, е забележителна.

Фигура 7 – TEM изображение в тъмно поле на пироксеново зърно от метеорита Pesiano

TEM се използва при изследване на материали за изследване на тънки кристали и граници между различни материали. За да се получи изображение с висока разделителна способност на интерфейса, пробата се запълва с пластмаса, пробата се изрязва перпендикулярно на интерфейса и след това се изтънява, така че интерфейсът да се вижда на остър ръб. Кристалната решетка разпръсква електрони силно в определени посоки, създавайки дифракционна картина. Изображението на кристална проба до голяма степен се определя от този модел; контрастът силно зависи от ориентацията, дебелината и съвършенството на кристалната решетка. Промените в контраста в изображението позволяват кристалната решетка и нейните несъвършенства да бъдат изследвани в атомен мащаб. Информацията, получена в този случай, допълва тази, предоставена от рентгенов анализ на масивни проби, тъй като EM прави възможно директното виждане на дислокации, грешки при подреждане и граници на зърната във всички детайли. В допълнение, моделите на електронна дифракция могат да бъдат взети с помощта на ЕМ и могат да се наблюдават дифракционни модели от избрани области на пробата. Ако апертурата на лещата е настроена така, че само един дифрагиран и неразсеян централен лъч да преминава през нея, тогава е възможно да се получи изображение на определена система от кристални равнини, която произвежда този дифрагиран лъч. Съвременните инструменти позволяват разрешаване на периоди на решетка от 0,1 nm. Кристалите могат също да бъдат изследвани с помощта на изображения в тъмно поле, при които централният лъч е блокиран, така че изображението се формира от един или повече дифрактирани лъча. Всички тези методи предоставиха важна информация за структурата на много материали и значително изясниха физиката на кристалите и техните свойства. Например анализът на ТЕМ изображения на кристалната решетка на тънки квазикристали с малък размер в комбинация с анализ на техните електродифракционни модели направи възможно през 1985 г. да се открият материали със симетрия от пети ред.

3.2 Биологични лекарства

Електронната микроскопия се използва широко в биологичните и медицински изследвания. Разработени са методи за фиксиране, вграждане и получаване на тънки срезове от тъкан за изследване в OPEM. Тези техники позволяват да се изследва клетъчната организация на макромолекулно ниво. Електронната микроскопия разкрива компонентите на клетката и структурните детайли на мембраните, митохондриите, ендоплазмения ретикулум, рибозомите и много други органели, които изграждат клетката. Пробата първо се фиксира с глутаралдехид или други фиксатори и след това се дехидратира и вгражда в пластмаса. Методите на криофиксация (фиксация при много ниски - криогенни - температури) ви позволяват да запазите структурата и състава без използването на химически фиксиращи вещества. В допълнение, криогенните методи позволяват изобразяване на замразени биологични проби без дехидратация. Използвайки ултрамикротоми с остриета, изработени от полиран диамант или натрошено стъкло, могат да се направят тъканни срезове с дебелина 30–40 nm. Монтираните препарати могат да бъдат оцветени със съединения на тежки метали (олово, осмий, злато, волфрам, уран) за подобряване на контраста на отделни компоненти или структури.

Биологичните изследвания са разширени до микроорганизми, особено вируси, които не се разрешават от светлинни микроскопи. ТЕМ даде възможност да се разкрият например структурите на бактериофагите и местоположението на субединиците в протеиновите обвивки на вирусите. В допълнение, положителните и отрицателните методи на оцветяване успяха да разкрият структурата с подединици в редица други важни биологични микроструктури. Техниките за усилване на контраста на нуклеинова киселина направиха възможно наблюдението на едно- и двойно-верижна ДНК. Тези дълги, линейни молекули се разпространяват в слой от основен протеин и се нанасят върху тънък филм. След това много тънък слой тежък метал се изпарява под вакуум върху пробата. Този слой тежък метал „засенчва” пробата, поради което последната, когато се наблюдава в OPEM, изглежда сякаш осветена от страната, от която е отложен металът. Ако завъртите пробата по време на отлагането, металът се натрупва около частиците от всички страни равномерно (като снежна топка).

3.3 Микроскопия с високо напрежение

В момента индустрията произвежда високоволтови версии на OPEM с ускоряващо напрежение от 300 до 400 kV. Такива микроскопи имат по-висока проникваща способност от устройствата с ниско напрежение и са почти толкова добри в това отношение, колкото микроскопите от 1 милион волта, които са били конструирани в миналото. Съвременните микроскопи с високо напрежение са доста компактни и могат да бъдат инсталирани в обикновена лабораторна стая. Тяхната повишена проникваща способност се оказва много ценно свойство при изследване на дефекти в по-дебели кристали, особено тези, от които е невъзможно да се направят тънки проби. В биологията високата им проникваща способност позволява да се изследват цели клетки, без да се разрязват. Освен това с помощта на такива микроскопи е възможно да се получат триизмерни изображения на дебели предмети.

3.4 Радиационни увреждания

Тъй като електроните са йонизиращо лъчение, пробата в ЕМ е постоянно изложена на него. Следователно пробите винаги са обект на радиационно увреждане. Типичната доза радиация, погълната от тънка проба по време на записа на микроснимка в OPEM, приблизително съответства на енергията, която би била достатъчна за пълното изпаряване на студена вода от езеро с дълбочина 4 m и площ от 1 хектар. За да се намали радиационното увреждане на пробата, е необходимо да се използват различни методи за подготовка на пробата: оцветяване, вграждане, замразяване. Освен това е възможно да се запише изображение при дози на електрони, които са 100–1000 пъти по-ниски от стандартната техника, и след това да се подобри с помощта на компютърни методи за обработка на изображения.

4 . СЪВРЕМЕННИ ВИДОВЕ ФЕМ

Трансмисионен електронен микроскоп Titan 80 – 300 с атомна разделителна способност

Модерният трансмисионен електронен микроскоп Titan™ 80 – 300 предоставя изображения на наноструктури на ниво под ангстрьом. Електронният микроскоп Titan работи в диапазона 80 – 300 kV с възможност за коригиране на сферична аберация и монохроматичност. Този електронен микроскоп отговаря на строгите изисквания за максимална механична, термична и електрическа стабилност, както и прецизно подравняване на усъвършенстваните компоненти. Титанът подобрява разделителната способност на спектроскопията при измерване на енергийни пропуски и електронни свойства и позволява на потребителя да получи ясни изображения на интерфейси и по-пълно да интерпретира получените данни.

ДЖОЛ ДЖЕМ – 3010

300 kV трансмисионен електронен микроскоп

300 kV високопрецизен аналитичен електронен микроскоп с ултрависока разделителна способност е проектиран за едновременно изобразяване на атомно ниво и насочване на пробата. Този микроскоп използва много нови разработки, включително компактен 300 kV електронен пистолет и осветителна система с пет лещи.

Използването на вградена йонна помпа осигурява чист и постоянно висок вакуум.

Разделителна способност на точката: 0,17 nm

Ускоряващо напрежение: 100 до 300 kV

Увеличение: от 50 до 1 500 000

JEOL JEM – 3000FasTEM

300 kV трансмисионен електронен микроскоп с полеви емисии

Трансмисионен електронен микроскоп, оборудван с електронен пистолет с висока яркост с нагрят полеви емисионен катод, който има повишена стабилност на емисионния ток. Позволява ви директно да наблюдавате детайлите на атомната структура и да анализирате отделните атомни слоеве. Електронният пистолет с нагряване на катод с полева емисия, най-подходящ за наномащабен анализ, осигурява ток на сондата от 0,5 nA при диаметър 1 nm и 0,1 nA при 0,4 nm.

Разделителна способност на точката: 0,17 nm

Ускорително напрежение: 100, 200, 300 kV

Увеличение: от x60 до x1 500 000

JEOL JEM – 2100F

200 kV трансмисионен електронен микроскоп с полеви емисии

Електронният пистолет с полеви емисии, който произвежда електронен лъч с висока яркост и кохерентност, играе ключова роля в анализа с висока разделителна способност и наноструктура. Устройството JEM – 2100F е комплексен PEM, оборудван с разработена електронна система за управление на различни функции.

Основни характеристики на това устройство:

· Високата яркост и стабилност на електронния пистолет с термично поле позволява анализ на наноразмерни области при голямо увеличение.

· Диаметър на сондата по-малък от 0,5 nm позволява точката на анализ да бъде намалена до нанометрово ниво.

· Нова, много стабилна маса за проби със странично зареждане осигурява лесно накланяне, въртене, нагряване и охлаждане, програмируеми настройки и други без механично отклонение.

JEOL JEM – 2100 LaB6

200 kV аналитичен трансмисионен електронен микроскоп

Не само позволява да се получат предавателни изображения и дифракционни модели, но също така включва компютърна система за управление, която може да интегрира TEM, изображения в режим на сканиране (STEM), спектрометър за дисперсия на енергия (JED - 2300 T) и спектрометър за загуба на енергия на електрони (EELS)) в всяка комбинация.

Високата разделителна способност (0,19 nm при 200 kV на катода LaB 6) се постига благодарение на стабилността на високо напрежение и ток на лъча, заедно с отлична система от лещи. Новата структура на рамката на колоната на микроскопа леко намалява ефекта от вибрациите на инструмента. Новият гониометричен етап позволява позициониране на пробата с нанометрова точност. Компютърната система за управление на микроскопа осигурява връзката на други потребители (компютри) чрез мрежа и обмена на информация между тях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До сравнително скоро минералозите имаха в ръцете си два класически инструмента: поляризационен микроскоп и оборудване за рентгенова дифракция. С помощта на оптичен микроскоп можем да изследваме морфологията и оптичните свойства на минералите, да изследваме двойници и ламели, ако техният размер надвишава дължината на вълната на падащата светлина. Данните от рентгеновата дифракция позволяват точно да се определи позицията на атомите в единична клетка в скала от 1 до 100 Å. Въпреки това, тази дефиниция на кристална структура ни дава определена структура, осреднена за много хиляди единични клетки; следователно ние приемаме предварително, че всички единични клетки са идентични.

В същото време значението на структурните детайли, характеризиращи минералите в мащаб от 100–10 000 Å, става все по-ясно. Дифузните отражения в рентгеновите дифракционни модели бяха интерпретирани като доказателство за съществуването на малки домейни; Астеризмът, наблюдаван в Lauegrams, или малки стойности на коефициентите на екстинкция по време на усъвършенстване на структурата, показва, че кристалите са несъвършени в структурата си и съдържат различни дефекти. За изследване на хетерогенности, чиито размери са в зададените граници, идеалният инструмент е електронният микроскоп.Такива изследвания са важен източник на геоложка информация, характеризираща параметрите на охлаждане и формиране на минерали и скали или условията на тяхната деформация.

За разлика от дифракцията на рентгеновите лъчи, която започва да се използва в минералогията веднага след откриването й, електронната микроскопия най-напред получава най-голямо развитие и приложение в металургията. След въвеждането на индустриалните инструменти през 1939 г. са необходими повече от 30 години, за да може електронният микроскоп да се превърне в обичаен инструмент в минералогията и петрографията.

Предимството на електронната микроскопия е, че тя може да изобразява структури и текстури в реално пространство и следователно резултатите са по-лесни за визуализиране, отколкото за получаване чрез изчисляване на дифракционни модели. Тук е уместно да се спомене необходимостта от проява на известна предпазливост. За разлика от наблюденията с оптичен микроскоп, структурата не може да се види директно през електронен микроскоп. Ние просто наблюдаваме контраста, възникващ например от полето на деформация около дислокациите, и този контраст се трансформира в изображение вътре в устройството. Електронната микроскопия не замества изследванията, извършвани чрез рентгенови дифракционни методи. От друга страна, има много примери, при които данни от електронна микроскопия служат като основа за интерпретация на рентгенови данни. Тези две техники се допълват идеално.

БИБЛИОГРАФИЯ

1 Дюков В. Г., Непийко С. А., Седов Н. Н. Електронна микроскопия на локални потенциали / Академия на науките на Украинската ССР. Институт по физика. – Киев: Наук. Думка, 1991. – 200 с.

2 Кулаков Ю.А Електронна микроскопия. – М.: Знание, 1981. – 64 с.

3 C. Poole, F. Owens Nanotechnology: Trans. от английски/Ред. Ю. И. Головина. – М.: Техносфера, 2005. – 336 с.

4 Spence J. Експериментална електронна микроскопия с висока разделителна способност: Trans. от английски/Ред. В. Н. Рожански. – М.: Наука. гл. изд. физика и математика Лит., 1986. – 320 с., ил.

5 Thomas G., Goringe M.J. Трансмисионна електронна микроскопия на материали: Trans. от английски/Ред. Б.К. Уайнстийн – М: Наука. Главна редакция на физико-математическата литература, 1983 – 320-те

6 Електронна микроскопия в минералогията: Прев. от англ./Под общ.ред. Г.-Р. Венка. – М.: Мир, 1979. – 485 с., ил.

Разшири границата на разделителната способност от дължината на светлинната вълна до атомни размери, или по-точно до междуравнинни разстояния от порядъка на 0,15 nm. Първите опити за фокусиране на електронен лъч с помощта на електростатични и електромагнитни лещи са направени през 20-те години на 20 век. Първият електронен микроскоп е направен от И. Руска в Берлин през 30-те години. Това беше трансмисионен микроскоп и беше предназначен за изследване на прахове, тънки слоеве и срезове.

Рефлекторните електронни микроскопи се появяват след Втората световна война. Почти веднага те бяха заменени от растерни (сканиращи) електронни микроскопи, комбинирани с инструменти за микроанализ.

Висококачествената подготовка на пробата за трансмисионен електронен микроскоп е много трудна задача. Методи за такава подготовка обаче съществуват.

Има няколко метода за подготовка на проби. С добро оборудване тънък филм може да се приготви от почти всеки технически материал. От друга страна, не трябва да губите време в изучаване на лошо подготвена проба.

Нека разгледаме методите за получаване на тънки проби от блоков материал. Тук не се разглеждат методите за получаване на биологични тъкани, диспергирани частици, както и отлагането на филми от газови и течни фази. Трябва да се отбележи, че почти всеки материал има характеристики на подготовка за електронен микроскоп.

Механична реставрация.

Отправната точка за подготовка на пробата обикновено е диск с диаметър 3 mm и дебелина няколкостотин микрона, изрязан от твърда част. Този диск може да бъде изрязан от метално фолио, издълбан от керамика или машинно изработен от блоков шаблон. Във всички случаи е необходимо да се сведе до минимум рискът от микропукнатини и да се поддържа равна повърхност на образеца.

Следващата задача е да се намали дебелината на листа. Това става чрез шлайфане и полиране, както при подготовката на проба за оптичен микроскоп. Изборът на оптимален метод на смилане се определя от твърдостта (модула на еластичност), твърдостта и степента на пластичност на материала. Пластите метали, керамиката и сплавите се полират по различен начин.

Електрохимично ецване.

По време на механична обработка, като правило, се появяват повърхностни повреди като пластично срязване или микропукнатини. В случай на проводящ метал, дебелината на пробата може да бъде намалена чрез химично или електрохимично разтваряне в разтвор за електрополиране. Трябва обаче да се има предвид, че параметрите на обработка на тънките проби се различават значително от макропробите, главно поради малката обработвана площ. По-специално, в случай на тънки проби, могат да се използват много по-високи плътности на тока. Проблемът с охлаждането на материала поради химическа реакция се решава чрез провеждане на реакцията в струя разтворител, като обработката на диска може да бъде двустранна.

Тънки слоеве от метали, сплави и други електропроводими материали често се полират успешно чрез струйно полиране. Условията за полиране на такива материали обаче се различават по състав, температура на разтвора и плътност на тока.

Областите около неутралния отвор трябва да са прозрачни (обикновено диаметърът им е 50-200 nm). Ако зоните, подходящи за изследване, са твърде малки, това се дължи на твърде много ецване, което трябва да се спре веднага след появата на дупката.Ако тези зони са твърде груби, тогава или плътността на тока е твърде ниска, или замърсеното и прегрято полиране решението трябва да се промени.

Йонно ецване.

Методът на йонно ецване (бомбардиране) има следните предимства:

(a) Йонното ецване е процес в газова фаза, извършван при ниско налягане, при който степента на повърхностно замърсяване може лесно да се контролира.

(b) Електрохимичните методи са ограничени до проводими метали, докато йонното ецване е приложимо и за непроводими материали.

(c) Въпреки че йонното ецване може да доведе до радиационно увреждане в близост до повърхността на материала, степента му може да бъде намалена чрез подходящ избор на параметри на процеса.

(d) Йонно ецване ви позволява да премахнете повърхностните оксидни слоеве, които са се появили по време на предишно електрополиране. В този случай повърхностният състав не се променя, тъй като процесът обикновено се извършва при ниски температури, когато няма повърхностна дифузия.

(e) Йонното ецване позволява обработката на многослойни материали, състоящи се от няколко слоя, отложени върху субстрат, в равнина, перпендикулярна на слоевете. Имайте предвид, че стандартните методи за химическо ецване не позволяват това.

(в) Методът на йонно ецване позволява обработката на площи, по-малки от 1 микрон, което не е възможно с химичните методи. Много е удобен за приготвяне на тънки филми.

Разбира се, този метод има и недостатъци. Скоростта на ецване е максимална. ако йонният лъч е перпендикулярен на повърхността на пробата и атомните тегла на йоните и материала, който се обработва, са близки. Въпреки това, йонният лъч носи импулса и при ъгъл 90 0 микроувреждането на повърхностния слой е максимално. Освен това, поради опасността от химическо взаимодействие на йони с обработваната повърхност, като лъч се използват само инертни газове (обикновено аргон).

Скоростта на ецване може да се увеличи чрез увеличаване на енергията на йоните, но при това те започват да проникват в материала и да създават повреден повърхностен слой. На практика йонната енергия е ограничена до няколко keV, когато дълбочината на проникване не е твърде голяма и йоните могат да дифундират към повърхността, без да повредят материала.

Скоростта на ецване не надвишава 50 микрона на час. В резултат на това, преди йонна обработка, пробите трябва да бъдат обработени механично (с диск или клиновидна форма) или електрохимично до дебелина 20-50 μm. По време на йонно бомбардиране пробата се върти. за да се гарантира еднаква обработка и да се увеличи скоростта на ецване, началният етап на обработка се извършва едновременно от двете страни под ъгъл 18 0. След това ъгълът на лъча (и следователно скоростта на процеса) се намалява. Минималният ъгъл, който позволява получаването на плоска повърхност и приблизително същата дебелина на филма върху достатъчно голяма площ, се определя от геометрията на йонния лъч. При много малки ъгли на падане лъчът спира да удря пробата и разпръснатият в този случай материал на камерата се отлага и замърсява повърхността на пробата. Минималните ъгли на падане на лъча в крайния етап на обработка обикновено са 2-6 0 .

По правило обработката завършва, когато на повърхността на пробата се появи първата дупка. В съвременните йонни инсталации е възможно да се следи третираната зона и работния процес. което позволява процесът да бъде завършен правилно.

Пръскане на покритие.

Тъй като електронният лъч носи електрически заряд, пробата може да се зареди по време на работа на микроскопа. Ако зарядът на пробата стане твърде голям (а в много случаи това не е така, тъй като остатъчната повърхностна проводимост често ограничава количеството на заряда), пробата трябва да бъде покрита с електропроводим слой. Най-добрият материал за това е въглеродът, който след отлагане има аморфна структура и има нисък атомен номер (6).

Покритието се създава чрез преминаване на електрически ток през два контактуващи въглеродни пръта. Вторият метод се състои в разпръскване на въглероден материал, бомбардиране с йони на инертен газ, след което въглеродните атоми се отлагат върху повърхността на пробата. Проблемните материали може да изискват покритие от двете страни. Понякога тънки (5-10 nm) нанометрови покрития са слабо видими на изображението.

Метод на реплика.

Вместо да се подготви тънка проба за трансмисионна електронна микроскопия, понякога се прави реплика (отпечатък) на повърхността. По принцип това не е необходимо, ако повърхността може да се изследва с помощта на сканиращ електронен микроскоп. Но дори и в този случай може да има редица причини за изготвяне на реплики, например:

а) Ако пробата не може да бъде изрязана. Веднъж отрязана част, тя не може да се използва отново. Напротив, премахването на реплика ви позволява да запазите частта.

б) В случаите, когато определени фази се търсят на повърхността на пробата. Повърхността на репликата отразява морфологията на такива фази и позволява да бъдат идентифицирани.

(c) Често е възможно да се извлече един от компонентите на многофазен материал, например чрез химическо ецване. Този компонент може да бъде изолиран върху репликата, като същевременно се запази върху оригиналния материал. Химическият състав, кристалографската структура и морфологията на изолираната фаза могат да бъдат изследвани изолирано от основния материал, чиито свойства понякога пречат на изследването,

г) И накрая, понякога е необходимо да се сравни изображението на репликата с оригиналната повърхност в сканиращ електронен микроскоп. Пример е изследването на материал при условия на механична умора, когато повърхността се променя по време на изпитването.

Стандартната техника е да се създаде негативна реплика с помощта на пластмасов полимер. Репликата се получава с помощта на втвърдяваща се епоксидна смола или омекотен с разтворител полимерен филм, притиснат към изпитваната повърхност, преди разтворителят да се изпари. В някои случаи е необходимо да се отстрани повърхностното замърсяване. За целта преди създаването на окончателната реплика се използва ултразвук или се извършва предварително „почистване” на повърхността на репликата преди отстраняване на крайната реплика. В някои случаи обектът на изследване може да бъде „замърсител“.

След като полимерната реплика се втвърди, тя се отделя от изследваната проба и се покрива със слой от тежък метал (обикновено сплав от злато и паладий), за да се увеличи контрастът на изображението. Металът е избран така, че по време на отлагане размерът на неговите капчици да е минимален и разсейването на електроните да е максимално. Размерът на метална капка обикновено е от порядъка на 3 nm. След метално засенчване върху копието на полимера се напръсква въглероден филм с дебелина 100-200 nm и след това полимерът се разтваря. Въглеродният филм, заедно с частиците, извлечени от полимера от оригиналната повърхност, както и металният слой, който го засенчва (отразяващ топографията на оригиналната повърхност), след това се изплаква, поставя се върху тънка медна решетка и се поставя в микроскоп.

Подготовка на повърхността.

Използването на многослойни тънкослойни материали в електрониката доведе до необходимостта от разработване на методи за подготовката им за изследване в електронен трансмисионен микроскоп.

Приготвянето на многослойни проби има няколко етапа:

Пробата първо се потапя в течна епоксидна смола, която след това се втвърдява и се нарязва перпендикулярно на равнината на слоевете.

След това плоските образци се шлифоват или полират, за да се получат образци с клиновидна форма. В последния случай с микрометър се контролират дебелината на отнетия материал и ъгълът на клина. Полирането има няколко етапа, последният от които използва частици от диамантен прах с диаметър 0,25 микрона.

Използва се йонно ецване, докато дебелината на изследваната област се намали до желаното ниво. Крайната обработка се извършва с йонен лъч под ъгъл по-малък от 6 0 .

Литература:

Брандън Д., Каплан У. Микроструктура на материалите. Методи за изследване и контрол //Издател: Техносфера.2006г. 384 стр.

Трансмисионният електронен микроскоп (ТЕМ) е електронно-оптично устройство, в което се наблюдава и записва изображение на обект, увеличено 50 – 10 6 пъти. Когато се увеличи милион пъти, грейпфрутът нараства до размера на Земята. За това вместо светлинни лъчи се използват снопове от електрони, ускорени до енергия от 50 - 1000 keV при условия на висок вакуум (10 -5 -10 -10 mm Hg). Трансмисионен електронен микроскоп записва електрони, преминаващи през проба с ултратънък слой. TEM се използва за получаване на информация за геометричните характеристики, морфологията, кристалографската структура и локалния елементен състав на даден обект. Позволява ви да изследвате директно тънки обекти (с дебелина до 1 микрон), островни филми, нанокристали, дефекти в кристални решетки с разделителна способност до 0,1 nm и индиректно (чрез метода на реплика) повърхността на масивни проби с разделителна способност до 1 nm.

В материалознанието се изучават процесите на растеж и кристализация на тънки слоеве, структурни трансформации при термична обработка и механично въздействие. В полупроводниковата електроника електронният микроскоп се използва за визуализиране на дефекти и фината структура на кристали и слоеве. В биологията - те ви позволяват да видите и изучавате структурата на отделни молекули, колоиди, вируси, клетъчни елементи, структурата на протеини, нуклеинови киселини.

Принцип на действие трансмисионен електронен микроскоп е както следва (фиг. 48). Разположен в горната част на колоната, електронният пистолет - система, образувана от катод, анод и нишка - е източникът на електронния поток. Волфрамова нишка, нагрята до температура от 2200 - 2700 ºC, излъчва електрони, които се ускоряват от силно електрическо поле. За да се създаде такова поле, катод 1 се поддържа при потенциал от около 100 kV спрямо анод 2 (намиращ се при земен потенциал). Тъй като електроните са силно разпръснати от въздушните молекули в колоната на микроскопа, се създава висок вакуум. След като премине мрежестия анод, потокът от електрони се фокусира от магнитни кондензаторни лещи 3 в лъч (диаметър на сечението 1 - 20 μm) и пада върху тестовия образец 4, монтиран върху фина мрежа на сцената. Неговият дизайн включва шлюзове, които позволяват пробата да бъде въведена във вакуумната среда на микроскопа с минимално увеличение на налягането.

Първоначалното увеличение на изображението се извършва от обективна леща 5. Образецът се поставя в непосредствена близост до фокалната равнина на неговото магнитно поле. За да се получи голямо увеличение и да се намали фокусното разстояние на лещата, броят на завоите се увеличава и за бобината се използва магнитна сърцевина, изработена от феромагнитен материал. Обективът осигурява увеличено изображение на обект (около x100). Притежавайки висока оптична мощност, той определя максимално възможната разделителна способност на устройството.

След преминаване през пробата част от електроните се разпръскват и спират от апертурната диафрагма (дебела метална пластина с отвор, която е монтирана в задната фокална равнина на лещата на обектива - равнината на първичното дифракционно изображение). Неразсеяните електрони преминават през отвора на диафрагмата и се фокусират от лещата на обектива в равнината на обекта на междинната леща 6, което служи за получаване на по-голямо увеличение. Получаването на изображение на обект се осигурява от проекционна леща 7. Последната формира изображение върху луминесцентен екран 8, който свети под въздействието на електрони и преобразува електронното изображение във видимо. Това изображение се записва от камера 9 или се анализира с помощта на микроскоп 10.

Сканиращ трансмисионен електронен микроскоп(RPEM). Изображението се формира от пътуващ лъч, а не от лъч, осветяващ цялата област на изследваната проба. Следователно е необходим източник на електрони с висок интензитет, за да може изображението да бъде записано за приемливо време. RTEM с висока разделителна способност използват полеви излъчватели с висока яркост. В такъв източник на електрони се създава много силно електрическо поле (~ 10 8 V / cm) близо до повърхността на волфрамова тел с много малък диаметър, заточена чрез ецване, поради което електроните лесно напускат метала. Интензитетът (яркостта) на такъв източник е почти 10 000 пъти по-голям от този на източник с нагрята волфрамова жица, а излъчените от него електрони могат да бъдат фокусирани в лъч с диаметър около 0,2 nm.

RPEM изследванията се извършват върху ултратънки проби. Електрони, излъчени от електронна пушка 1, ускорени от силното електрическо поле на анода 2, преминават през него и се фокусират от магнитна леща 3 върху образец 5. Тогава така образуваният електронен лъч преминава през тънкия образец почти без разсейване. В този случай, с помощта на отклоняваща магнитна система 4, електронният лъч се отклонява последователно под определен ъгъл от първоначалното положение и сканира повърхността на пробата.

Електроните, разпръснати под ъгли повече от няколко градуса без забавяне, се записват, когато паднат върху пръстеновидния електрод 6, разположен под пробата. Сигналът, събран от този електрод, е силно зависим от атомния номер на атомите в областта, през която преминават електроните - по-тежките атоми разпръскват повече електрони към детектора, отколкото по-леките атоми. Ако електронният лъч се фокусира в точка с диаметър по-малък от 0,5 nm, тогава могат да бъдат изобразени отделни атоми. Електроните, които не са претърпели разсейване в пробата, както и електроните, които са се забавили в резултат на взаимодействие с пробата, преминават в отвора на пръстеновидния детектор. Енергиен анализатор 7, разположен под този детектор, ви позволява да отделите първия от втория. Загубите на енергия, свързани с възбуждането на рентгеново лъчение или избиването на вторични електрони от пробата, позволяват да се прецени химичните свойства на веществото в областта, през която преминава електронният лъч.

Контрастът в ТЕМ се дължи на разсейване на електрони, докато електронният лъч преминава през пробата. Някои от електроните, преминаващи през пробата, се разпръскват поради сблъсъци с ядрата на атомите на пробата, други - поради сблъсъци с електроните на атомите, а трети преминават, без да претърпят разсейване. Степента на разсейване във всяка област на пробата зависи от дебелината на пробата в тази област, нейната плътност и средната атомна маса (брой протони) в дадена точка.

Разделителната способност на ЕМ се определя от ефективната дължина на вълната на електроните. Колкото по-високо е ускоряващото напрежение, толкова по-висока е скоростта на електроните и по-къса е дължината на вълната, което означава по-висока разделителна способност. Значителното предимство на ЕМ в разделителната способност се обяснява с факта, че дължината на вълната на електроните е много по-къса от дължината на вълната на светлината.

За извършване на локален спектрален анализ на елементния състав, характеристичното рентгеново лъчение от облъчената точка на пробата се записва с кристални или полупроводникови спектрометри. Кристалният спектрометър, използващ кристален анализатор, разделя рентгеновото лъчение на дължини на вълните с висока спектрална разделителна способност, покривайки диапазона от елементи от Be до U.