Электронная микроскопия

     ВВЕДЕНИЕ

     Методы  электронной микроскопии завоевали  такую популярность, что в настоящее  время невозможно представить себе лабораторию, занимающуюся исследованием  материалов, их не применяющую. Первые успехи электронной микроскопии  следует отнести к 30-м годам, когда с ее помощью была выявлена структура ряда органических материалов и биологических объектов. В исследованиях неорганических материалов, в особенности металлических сплавов, позиции электронной микроскопии укрепились с появлением микроскопов с высоким напряжением (100 кВ и выше) и еще в большей мере благодаря совершенствованию техники получения объектов, позволившей работать непосредственно с материалом, а не со слепками-репликами. Именно так называемой просвечивающей электронной микроскопии обязана своим появлением и постоянным развитием теория дислокаций – механизма пластической деформации материалов. Прочные позиции занимает электронная микроскопия и в ряде других разделов материаловедения.

     Усиление  интереса к электронной микроскопии  объясняется рядом обстоятельств. Это, во-первых, расширение возможностей метода благодаря появлению самых различных приставок: для исследований при низких (до – 150°С) и высоких (до 1200°С) температурах, наблюдения деформации непосредственно в микроскопе, исследования рентгеновских спектров микроучастков (до 1 мкм и менее) объектов, получения изображений в рассеянных электронах и др. Во-вторых, существенное повышение (до 1 Å и менее) разрешающей способности электронных микроскопов, что сделало их конкурентоспособными с автоионными микроскопами в получении прямых изображений кристаллической решетки. Наконец, возможность параллельно с микроскопическими исследованиями детально изучать дифракционные картины вплоть до наблюдения таких тонких деталей, как диффузионное рассеяние электронов.

     Все шире шагает и растровая электронная  микроскопия, сконцентрировавшая все  достижения просвечивающей электронной  микроскопии. 

     2.  ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 

     Электронный микроскоп – прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп. Электронный микроскоп – один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.

      Познакомимся с конструкцией современного просвечивающего электронного микроскопа. 

     Рисунок 1 – Разрез, показывающий основные узлы просвечивающего электронного микроскопа [2]

     1 – электронная пушка; 2 – анод; 3 – катушка для юстировки пушки; 4 – клапан пушки; 5 – 1-я конденсорная линза; 6 – 2-я конденсорная линза; 7 – катушка для наклона пучка; 8 – конденсор 2 диафрагмы; 9 – объективная линза; 10 – блок образца; 11 – дифракционная диафрагма; 12 – дифракционная линза; 13 – промежуточная линза; 14 – 1-я проекционная линза; 15 – 2-я проекционная линза;

     16 – бинокуляр (увеличение 12); 17 – вакуумный блок колонны; 18 – камера для 35-миллиметровой катушечной пленки; 19 – экран для фокусировки; 20 – камера для пластинок; 21 – главный экран; 22 – ионный сорбционный насос.

     Принцип его построения [2] в общем аналогичен принципу микроскопа оптического, имеются  осветительная (электронная пушка), фокусирующая (линзы) и регистрирующая (экран) системы. Тем не менее он сильно отличается в деталях. Например, свет беспрепятственно распространяется в воздухе, тогда как электроны легко рассеиваются при взаимодействии с любым веществом и, следовательно, беспрепятственно могут перемещаться только в вакууме. Иными словами, микроскоп помещают в вакуумную камеру.

     Рассмотрим  более детально узлы микроскопа. Система  из нити накала и ускоряющих электродов носит название электронной пушки (1). В сущности, пушка напоминает триодную лампу. Поток электронов испускается раскаленной вольфрамовой проволочкой (катодом), собирается в пучок и ускоряется в поле двух электродов. Первый – управляющий электрод, или так называемый "цилиндр Венельта", окружает катод, и на него подается напряжение смещения, небольшой отрицательный относительно катода потенциал в несколько сотен вольт. Благодаря наличию такого потенциала на "цилиндре Венельта" фокусируется электронный пучок, выходящий из пушки. Второй электрод – анод (2), пластинка с отверстием в центре, через которое электронный пучок попадает в колонну микроскопа. Между нитью накала (катодом) и анодом приложено ускоряющее напряжение, обычно до 100 кВ. Как правило, имеется возможность ступенчато менять напряжение от 1 до 100 кВ.

     Задача  пушки – создание стабильного потока электронов при малой испускающей области катода. Чем меньше площадь, испускающая электроны, тем проще получить их тонкий параллельный пучок. Для этого применяют V-образные или специально остро заточенные катоды.

     Далее в колонне микроскопа размещены линзы. Большинство современных электронных микроскопов имеют от четырех до шести линз. Выходящий из пушки электронный пучок направляется через пару конденсорных линз (5,6) на объект. Конденсорная линза позволяет в широких пределах изменять условия освещения объекта. Обычно конденсорные линзы представляют собой электромагнитные катушки, в которых токонесущие обмотки окружены (за исключением узкого канала диаметром около 2 – 4 см) сердечником из мягкого железа (рис.2) [3].

     При изменении тока, протекающего через катушки, изменяется фокусное расстояние линзы, вследствие этого пучок расширяется или сужается, увеличивается или уменьшается площадь объекта, освещаемая электронами.

     электронный микроскоп коррекция астигматизм

     Рисунок 2 – Упрощенная схема магнитной электронной линзы

     Обозначены  геометрические размеры полюсного  наконечника; штриховой линией показан  контур, фигурирующий в законе Ампера. Штриховой линией показана так же линия магнитного потока, которая  качественно определяет фокусирующее действие линзы. В_р – напряженность поля в зазоре вдали от оптической оси. На практике обмотки линзы имеют водяное охлаждение, а полюсный наконечник съемный

     Чтобы получить большое увеличение, необходимо облучать объект потокам большой  плотности. Конденсор (линза) обычно освещает площадь объекта, много большую интересующей нас при данном увеличении. Это может привести к перегреву образца и загрязнению его продуктами разложения масляных паров. Температуру объекта можно снизить, уменьшая приблизительно до 1 мкм облучаемую область с помощью второй конденсорной линзы, которая фокусирует изображение, образуемое первой конденсорной линзой. При этом увеличивается поток электронов через исследуемую площадь образца, повышается яркость изображения, образец меньше загрязняется.

     Образец (объект) обычно помещают в специальный  объектодержатель на тонкой металлической  сетке диаметром 2 – 3 мм. Объектодержатель перемещается системой рычагов в  двух взаимоперпендикулярных направлениях, наклоняется в разные стороны, что  особенно важно при исследовании среза тканей либо таких дефектов кристаллической решетки, как дислокации и включения.

     Рисунок 3 – Конфигурация полюсного наконечника  высокоразрешающего объектива электронного микроскопа Siemens-102 [4].

     В этой удачной промышленной конструкции диаметр отверстия верхнего полюсного наконечника 2R₁=9 мм, диаметр отверстия нижнего полюсного наконечника 2R₂=3 мм и межполюсный зазор S=5 мм (R₁, R₂ и S определены на рис.2): 1 – объектодержатель, 2 – столик образца, 3 – образец, 4 – объективная диафрагма, 5 – термисторы, 6 – обмотка линзы, 7 – верхний полюсный наконечник, 8 – охлаждаемый стержень, 9 – нижний полюсный наконечник, 10 – стигматор, 11 – каналы системы охлаждения, 12 – охлаждаемая диафрагма

     В колонне микроскопа с помощью  вакуумной системы откачки создается относительно низкое давление, примерно 10^-5 мм рт. ст. На это уходит довольно много времени. Чтобы ускорить подготовку прибора к работе, к камере объектов присоединяется специальное устройство для быстрой смены объекта. В микроскоп при этом попадает лишь очень небольшое количество воздуха, которое удаляется вакуумными насосами. Смена образца обычно занимает 5 мин.

     Изображение. При взаимодействии электронного пучка с образцом электроны, проходящие вблизи атомов вещества объекта, отклоняются в направлении, определяемом его свойствами. Этим главным образом и обусловлен видимый контраст изображения. Кроме того, электроны могут еще претерпеть неупругое рассеяние, связанное с изменением их энергии и направления, пройти через объект без взаимодействия или быть поглощенными объектом. При поглощения электронов веществом возникает световое или рентгеновское излучение либо выделяется тепло. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. Конструкции современных микроскопов позволяют использовать для формирования изображения все эффекты, возникающие при взаимодействии электронного луча с объектом.

     Электроны, прошедшие через объект, попадают в объективную линзу (9), предназначенную  для получения первого увеличенного изображения. Объективная линза – одна из наиболее важных частей микроскопа, "ответственная" за разрешающую способность прибора. Эта связано с тем, что электроны входят под сравнительно большим углом наклона к оси и вследствие этого даже незначительные аберрации существенно ухудшают изображение объекта.

     Рисунок 4 – Образование первого промежуточного изображения объективной линзой и эффект аберрации [5].

     Окончательное увеличенное электронное изображение  преобразуется в видимое посредством  люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется для регистрации изображений, меняющихся во времени, например, в связи с протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно увеличить примерно в 10 раз без потери четкости.

     Электронные линзы, как магнитные, так и электростатические, несовершенны. Они имеют те же дефекты, что и стеклянные линзы оптического микроскопа – хроматическая, сферическая аберрация и астигматизм. Хроматическая аберрация возникает из-за непостоянства фокусного расстояния при фокусировке электронов с различными скоростями. Эти искажения уменьшают, стабилизируя ток электронного луча и ток в линзах.

     Сферическая аберрация обусловлена тем, что  периферийные и внутренние зоны линзы  формируют изображение на разных фокусных расстояниях. Намотку катушки магнита, сердечник электромагнита и канал в катушке, через который проходят электроны, нельзя выполнить идеально. Асимметрия магнитного поля линзы приводит к значительному искривлению траектории движения электронов.

     Работа в режимах микроскопии и дифракции. Затененные области отмечают ход эквивалентных пучков в обоих режимах [5].

     Если  магнитное поле несимметрично, то линза  искажает изображение (астигматизм). То же самое можно отнести и к  электростатическим линзам. Процесс изготовления электродов и их центровка должны быть в высокой степени точны, ибо от этого зависит качество линз.

     В большинстве современных электронных  микроскопов нарушения симметрии  магнитных и электрических полей  устраняют с помощью стигматоров. В каналы электромагнитных линз помещают небольшие электромагнитные катушки, изменяя ток, протекающий через них, они исправляют поле. Электростатические линзы дополняют электродами: подбирая потенциал, удается компенсировать асимметрию основного электростатического поля. Стигматоры весьма тонко регулируют поля, позволяют добиваться высокой их симметрии.

     Рисунок 5 – Ход лучей в электронном  микроскопе просвечивающего типа

     В объективе есть еще два важных устройства – апертурная диафрагма  и отклоняющие катушки. Если в формировании конечного изображения участвуют отклоненные (дифрагированные) лучи, то качество изображения будет плохим вследствие сферической аберрации линзы. В объективную линзу вводят апертурную диафрагму с диаметром отверстия 40 – 50 мкм, которая задерживает лучи, дифрагированные под углом более 0,5 градуса. Лучи, отклоненные на небольшой угол, создают светлопольное изображение. Если апертурной диафрагмой заблокировать проходящий луч, то изображение формируется дифрагированным лучом. Оно в этом случае получается в темном поле. Однако метод темного поля дает менее качественное изображение, чем светлопольный, поскольку изображение формируется лучами, пересекающимися под углом к оси микроскопа, сферическая аберрация и астигматизм проявляются в большей степени. Отклоняющие же катушки служат для изменения наклона электронного луча. Для получения окончательного изображения нужно увеличить первое увеличенное изображение объекта. Для этой цели применяется проекционная линза. Общее увеличение электронного микроскопа должно меняться в широких пределах, от небольшого соответствующего увеличению лупы ( 10, 20), при котором можно исследовать не только часть объекта, но и увидеть весь объект, до максимального увеличения, позволяющего наиболее полно использовать высокую разрешающую способность электронного микроскопа (обычно до 200000). Здесь уже недостаточно двухступенчатой системы (объектив, проекционная линза). Современные электронные микроскопы, рассчитанные на предельную разрешающую способность, должны иметь по крайней мере три увеличивающие линзы – объектив, промежуточную и проекционную линзы. Такая система гарантирует изменение увеличения в широком диапазоне (от 10 до 200000).