Вопрос 3. Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Особенности подготовки образцов для ПЭМ.

 

В ПЭМ изображение формируется за счет электронов, проходящих через образец. Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа практически аналогичен принципу действия оптического микроскопа, только в нем используются магнитные линзы вместо стеклянных и электроны вместо фотонов. Пучок электронов, испускаемый электронной пушкой, фокусируется с помощью конденсорной линзы, в маленькое пятно (~2 - 3 мкм) на ультратонком образце и после прохождения через образец фокусируется с помощью объективной линзы для получения проекции увеличенного изображения на флуоресцентном экране (рис. 4). Также может быть использован сенсор, как CCD камера (прибор с зарядовой связью).  Очень важный элемент микроскопа это апертурная диафрагма, расположенная в задней фокальной плоскости объективной линзы. Она определяет контраст изображения и разрешающую способность микроскопа. Отметим, что на рисунке показана только схема получения изображения в просвечивающем электронном микроскопе, а не ею действительное устройство, которое на самом деле намного сложнее.

Из-за ограниченной глубины проникновения электронов в твердое тело, образцы для исследования в ПЭМ должны быть очень тонкими: приемлемые толщины составляют 100 – 1000 Å для обычных микроскопов с ускоряющим напряжением 50 – 200 кэВ и несколько тысяч Å для высоковольтных микроскопов с ускоряющим напряжением до 3 МэВ. Допустимая толщина образца, конечно, зависит и от материала: чем выше атомный номер, тем выше электронное рассеяние, следовательно, тем тоньше должен быть образец.

Рис. 4. Схематическая диафрагма, иллюстрирующая формирование изображения в ПЭМ

 

Формирование контраста изображений в ПЭМ можно объяснить следующим образом. При прохождении через образец пучок электронов теряет часть своей интенсивности на рассеяние. Эта часть больше для более толстых участков или для участков с более тяжелыми атомами. Если апертурная диафрагма эффективно отсекает рассеянные электроны, то более толстые участки и участки с более тяжелыми атомами будут выглядеть как более темные. Меньшая апертура увеличивает контраст (но приводит к потере разрешения). В кристаллах упругое рассеяние электронов приводит к появлению дифракционного контраста.

 

Оптическая схема и принцип действия

В ПЭМ имеются электронный прожектор, ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Применение катодов из LaB₆ (гексаборид лантана) в электронных микроскопах позволило повысить разрешающую способность за счёт увеличения плотности тока в 6 раз и одновременно увеличить ресурс катода в 5 раз (до 500 часов) по сравнению с вольфрамовыми катодами (рис. 5).  Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка  100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором (электронная пушка). Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое - оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется схемой (рис. 7). Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной "броней" из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10-100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.

Рис. 7. Магнитная линза. Витки провода, по которым проходит ток,
фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок.

 

Схема ПЭМ представлена на рис. 8. Ряд конденсорных линз (показана лишь последняя) фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает неувеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта. Образец помещается в магнитном поле объективной линзы с большой оптической силой - самой важной линзы ПЭМ, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000. Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ПЭМ, составляет от менее 1000 до 1 000 000. Прошедший через образец луч содержит информацию об электронной плотности, фазе и периодичности, которые используются при формировании изображения.  

Рис. 8. Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в видимое или регистрируется на фотопластинке. В ПЭМ можно получить увеличение до 1 млн. 1 - источник электронов; 2 - ускоряющая система; 3 - диафрагма; 4 -конденсорная линза; 5 - образец; 6 - объективная линза; 7 - диафрагма; 8 - проекционная линза; 9 - экран или пленка; 10 - увеличенное изображение.

Особенности наблюдения и подготовки образцов для ПЭМ.

● Электропроводящая поверхность образца;

● СВВ условия

● Виброизоляция

● Ультратонкие образцы (10 – 100 нм)

● Светло-польное изображение – увеличенное изображение микроструктуры, сформированное электронами, прошедшими через объект с малыми энергетическими потерями – структура изображается на экране электроннолучевой трубки темными линиями и пятнами на светлом фоне;

● Хроматическая аберрация – снижение скорости электронов после просвечивания объекта, приводящее к ухудшению разрешения; усиливается с увеличением толщины объекта;

● Металлы исследуют в виде получаемой химическим или ионным травлением ультратонкой фольги;

● Ультрамикротом (ультратом) – прибор для получения ультратонких (0,01-0,1 мкм) срезов объектов с помощью стеклянных или алмазных ножей;

● Оттенение – физическое контрастирование микрочастиц, макромолекул, вирусов, состоящее в том, что на образец в вакуумной установке напыляется тонкая пленка металла; при этом "тени" (ненапыленные участки) прорисовывают контуры частиц и позволяют измерять их высоту;

● Химическое контрастирование – очень тонкие (не более 0,01 мкм) пленки и срезы, повышая их контраст обработкой соединения тяжелых металлов (Os, U, Pb и др.), которые избирательно взаимодействуют с компонентами микроструктуры

● Реплика - тонкая, прозрачная для электронов пленка из полимерного материала либо аморфного углерода, повторяющая микрорельеф массивного объекта или его скола;

● Эмульсии и биологические ткани с большим содержанием воды могут быть исследованы методами криорепликации или  криоультратомия (-150 °С).