Просвечивающая электронная микроскопия

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

 Просвечивающая электронная  микроскопия

 Источники электронов

 Система освещения

 Коррекция астигматизма

 Вспомогательное оборудование  для ОПЭМ

 Применение просвечивающего  электронного микроскопа

 Небиологические материалы

 Биологические препараты

 Высоковольтная микроскопия

 Радиационное повреждение

 Современные виды ПЭМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

1.  ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

 

История микроскопии –  это история непрерывных поисков  человека, стремившегося проникнуть в тайны природы. Микроскоп появился в XVII в., и с этих пор наука стала быстро продвигаться вперед. Многие поколения исследователей проводили за микроскопом долгие часы, изучая не видимый глазу мир. Сегодня трудно себе представить биологическую, медицинскую, физическую, металлографическую, химическую лаборатории без оптического микроскопа: исследуя капельки крови и срез ткани, медики составляют заключение о состоянии здоровья человека. Установление структуры металла и органических веществ позволило разработать целый ряд новых высокопрочных металлических и полимерных материалов.

Наше столетие часто называют электронным веком. Проникновение  в тайны атома позволило сконструировать  электронные приборы – лампы, электронно-лучевые трубки и др. В начале 20-х годов у физиков  возникла идея использовать пучок электронов для формирования изображения предметов. Реализация этой идеи породила электронный  микроскоп.

Широкие возможности получения  самой разнообразной информации, в том числе и с участков объектов, соизмеримых с атомом, послужили стимулом к совершенствованию  электронных микроскопов и применению их практически во всех областях науки  и техники в качестве приборов для физических исследований и технического контроля.

Современный электронный  микроскоп способен различать столь  малые детали изображения микрообъекта, которые не в состоянии обнаружить ни один другой прибор. В еще большей  степени, чем размеры и форма  изображения, ученых интересует структура  микрообъекта; и электронные микроскопы могут рассказать не только о структуре, но и о химическом составе, несовершенствах  строения участков микрообъекта размером в доли микрометра. Благодаря этому  сфера применения электронного микроскопа непрерывно расширяется и сам  прибор усложняется.

 

Первые просвечивающие электронные  микроскопы работали с напряжением, ускоряющим электроны, в 30 – 60 кВ; толщина  исследуемых объектов едва достигала 1000 Å (1 Å – 10-10 м). В настоящее время  созданы электронные микроскопы с ускоряющим напряжением в 3 МВ, что позволило наблюдать объекты толщиной уже в несколько микрометров. Однако успехи электронной микроскопии не ограничились только количественным ростом ускоряющего напряжения. Этапным стало создание серийного растрового электронного микроскопа (РЭМ), который сразу же завоевал популярность у физиков, химиков, металлургов, геологов, медиков, биологов и даже у криминалистов. Наиболее существенные особенности этого прибора – большая глубина резкости изображения, которая на несколько порядков выше, чем у микроскопа оптического, и возможность исследования массивных образцов практически без какой-либо их специальной подготовки. Эволюция идей физики неразрывно связана с развитием методов исследования, позволяющих объяснить явления, происходящие в микромире. В развитии любой науки, изучающей реальные физические тела, два вопроса являются основными: как ведет себя тело в тех или иных условиях? Почему оно ведет себя определенным образом? Наиболее полный на эти вопросы ответ можно получить, если рассматривать структуру тела и его поведение комплексно, т. е. от микросвязей и микроструктуры до макроструктуры в макропроцессор. В XIX в, окончательно была сформулирована теория изображения, и физикам стало очевидно, что для улучшения разрешения микроскопа нужно уменьшать длину волны излучения, формирующего изображение. Сначала это открытие не привело к практическим результатам. Только благодаря работе Луи де Бройля (1924 г.)[1], в которой связывалась длина волны частицы с ее массой и скоростью, из чего следовало, что и для электронов (как и для световых золи) должно иметь место явление дифракции; и Буша (1926 г.), показавшего, что электрические и магнитные поля действуют почти как оптические линзы, стало возможным вести конкретный разговор об электронной оптике.

В 1927 г. американские ученые К. Девиссои и Л. Джермер наблюдали явление дифракции электронов, а английский физик Д. Томсон и со- ветский физик П. С. Тартаковский провели первые исследования этого явления. В начале 30-х годов академик А. А. Лебедев разработал теорию дифракции в приложении к электронографу [2].

На основе этих основополагающих работ стало возможным создать  электронно-оптический прибор, и де Бройль предложил заняться этим одному из своих учеников, Л. Сциларду [2] . Тот  в разговоре с известным физиком  Д. Табором рассказал ему о  предложении де Бройля, однако Габор убедил Сциларда в том, что любой предмет, находящийся на пути электронного луча, сгорит дотла и, кроме того, живые объекты в вакуум помешать нельзя.

Сцилард отказался от предложения  своего учителя, но к тому времени  уже не существовало трудностей в  получении электронов. Физики и радиотехники успешно работали с электронными лампами, в которых электроны  получали за счет термоэлектронной эмиссии, или, попросту говоря, за счет нагревания нити (катода), а направленное движение электронов к аноду (т. е. прохождение  тока через лампу) формировалось  приложением напряжения между анодом и катодом. В 1931 г. А. А. Лебедев предложил  схему электронографа с магнитной фокусировкой пучка электронов, которая легла в основу большинства приборов, изготовленных в нашей стране и за рубежом.

В 1931 Р.Руденберг подал патентную заявку на просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 М.Кнолль и Э.Руска построили первый такой микроскоп, применив магнитные линзы для фокусировки электронов. Этот прибор был предшественником современного ОПЭМ. (Руска был вознагражден за свои труды тем, что стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1986.) [2]

В 1938 Руска и Б. фон Боррис построили прототип промышленного ОПЭМ для фирмы "Сименс-Хальске" в Германии; этот прибор в конце концов позволил достичь разрешения 100 нм. Несколькими годами позднее А.Пребус и Дж.Хиллер построили первый ОПЭМ высокого разрешения в Торонтском университете (Канада).

Широкие возможности ОПЭМ почти сразу же стали очевидны. Его промышленное производство было начато одновременно фирмой "Сименс-Хальске" в Германии и корпорацией RCA в США. В конце 1940-х годов такие приборы стали выпускать и другие компании.

РЭМ в его нынешней форме  был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда, предварительные варианты такого устройства были построены Кноллем в Германии в 1930-х годах и Зворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в 1940-х годах, но лишь прибор Отли смог послужить основой для ряда технических усовершенствований, завершившихся внедрением в производство промышленного варианта РЭМ в середине 1960-х годов. Круг потребителей такого довольно простого в обращении прибора с объемным изображением и электронным выходным сигналом расширился с быстротой взрыва. В настоящее время насчитывается добрый десяток промышленных изготовителей РЭМ'ов на трех континентах и десятки тысяч таких приборов, используемых в лабораториях всего мира. В 1960-х годах разрабатывались сверхвысоковольтные микроскопы для исследования более толстых образцов. Лидером этого направления разработок был Г.Дюпуи во Франции, где в 1970 был введен в действие прибор с ускоряющим напряжением, равным 3,5 млн. вольт. РТМ был изобретен Г.Биннигом и Г.Рорером в 1979 в Цюрихе. Этот весьма простой по устройству прибор обеспечивает атомное разрешение поверхностей. За свою работу по созданию РТМ Бинниг и Рорер (одновременно с Руской) получили Нобелевскую премию по физике.

Широкое развитие методов  электронной микроскопии в нашей  стране связано с именами ряда ученых: Н. Н. Буйнова, Л. М. Утевского, Ю. А. Скакова (просвечивающая микроскопия), Б. К. Вайнштейна (электронография), Г. В. Спивака (растровая микроскопия), И. Б. Боровского, Б. Н. Васичева (рентгеновская спектроскопия) и др. Благодаря им электронная микроскопия вышла, из стен научно-исследовательских институтов и находит все более широкое применение в заводских лабораториях.

 

 

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. Вр – 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.