СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Историческая справка
2. Просвечивающая электроннаямикроскопия
2.1 Источники электронов
2.2 Система освещения
2.3 Коррекция астигматизма
2.4 Вспомогательное оборудование дляОПЭМ
3. Применение просвечивающегоэлектронного микроскопа
3.1 Небиологические материалы
3.2 Биологические препараты
3.3 Высоковольтная микроскопия
3.4 Радиационное повреждение
4. Современные виды ПЭМ
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Методы электронной микроскопии завоевали такую популярность, что внастоящее время невозможно представить себе лабораторию, занимающуюсяисследованием материалов, их не применяющую. Первые успехи электронноймикроскопии следует отнести к 30-м годам, когда с ее помощью была выявленаструктура ряда органических материалов и биологических объектов. Висследованиях неорганических материалов, в особенности металлических сплавов,позиции электронной микроскопии укрепились с появлением микроскопов с высокимнапряжением (100 кВ и выше) и еще в большей мере благодаря совершенствованиютехники получения объектов, позволившей работать непосредственно с материалом,а не со слепками-репликами. Именно так называемой просвечивающей электронноймикроскопии обязана своим появлением и постоянным развитием теория дислокаций –механизма пластической деформации материалов. Прочные позиции занимаетэлектронная микроскопия и в ряде других разделов материаловедения.
Усиление интереса к электронной микроскопии объясняется рядомобстоятельств. Это, во-первых, расширение возможностей метода благодаряпоявлению самых различных приставок: для исследований при низких (до – 150°С) ивысоких (до 1200°С) температурах, наблюдения деформации непосредственно вмикроскопе, исследования рентгеновских спектров микроучастков (до 1 мкм именее) объектов, получения изображений в рассеянных электронах и др. Во-вторых,существенное повышение (до 1 Å и менее) разрешающей способностиэлектронных микроскопов, что сделало их конкурентоспособными с автоионнымимикроскопами в получении прямых изображений кристаллической решетки. Наконец,возможность параллельно с микроскопическими исследованиями детально изучатьдифракционные картины вплоть до наблюдения таких тонких деталей, какдиффузионное рассеяние электронов.
Все шире шагает и растровая электронная микроскопия,сконцентрировавшая все достижения просвечивающей электронной микроскопии.
1. ИСТОРИЧЕСКАЯСПРАВКА
История микроскопии – это история непрерывных поисков человека,стремившегося проникнуть в тайны природы. Микроскоп появился в XVII в., и с этих пор наукастала быстро продвигаться вперед. Многие поколения исследователей проводили замикроскопом долгие часы, изучая не видимый глазу мир. Сегодня трудно себепредставить биологическую, медицинскую, физическую, металлографическую,химическую лаборатории без оптического микроскопа: исследуя капельки крови исрез ткани, медики составляют заключение о состоянии здоровья человека.Установление структуры металла и органических веществ позволило разработатьцелый ряд новых высокопрочных металлических и полимерных материалов.
Наше столетие часто называют электронным веком. Проникновение втайны атома позволило сконструировать электронные приборы – лампы,электронно-лучевые трубки и др. В начале 20-х годов у физиков возникла идеяиспользовать пучок электронов для формирования изображения предметов.Реализация этой идеи породила электронный микроскоп.
Широкие возможности получения самой разнообразной информации, втом числе и с участков объектов, соизмеримых с атомом, послужили стимулом ксовершенствованию электронных микроскопов и применению их практически во всехобластях науки и техники в качестве приборов для физических исследований и техническогоконтроля.
Современный электронный микроскоп способен различать столь малыедетали изображения микрообъекта, которые не в состоянии обнаружить ни одиндругой прибор. В еще большей степени, чем размеры и форма изображения, ученыхинтересует структура микрообъекта; и электронные микроскопы могут рассказать нетолько о структуре, но и о химическом составе, несовершенствах строенияучастков микрообъекта размером в доли микрометра. Благодаря этому сфераприменения электронного микроскопа непрерывно расширяется и сам приборусложняется.
Первые просвечивающие электронные микроскопы работали снапряжением, ускоряющим электроны, в 30 – 60 кВ; толщина исследуемых объектоведва достигала 1000 Å (1 Å – 10-10 м). В настоящее времясозданы электронные микроскопы с ускоряющим напряжением в 3 МВ, что позволилонаблюдать объекты толщиной уже в несколько микрометров. Однако успехиэлектронной микроскопии не ограничились только количественным ростом ускоряющегонапряжения. 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 существенныеособенности этого прибора – большая глубина резкости изображения, которая нанесколько порядков выше, чем у микроскопа оптического, и возможностьисследования массивных образцов практически без какой-либо их специальнойподготовки. Эволюция идей физики неразрывно связана с развитием методовисследования, позволяющих объяснить явления, происходящие в микромире. Вразвитии любой науки, изучающей реальные физические тела, два вопроса являютсяосновными: как ведет себя тело в тех или иных условиях? Почему оно ведет себяопределенным образом? Наиболее полный на эти вопросы ответ можно получить, еслирассматривать структуру тела и его поведение комплексно, т. е. от микросвязей имикроструктуры до макроструктуры в макропроцессор. В XIX в, окончательно быласформулирована теория изображения, и физикам стало очевидно, что для улучшенияразрешения микроскопа нужно уменьшать длину волны излучения, формирующегоизображение. Сначала это открытие не привело к практическим результатам. Толькоблагодаря работе Луи де Бройля (1924 г.)[1], в которой связывалась длина волнычастицы с ее массой и скоростью, из чего следовало, что и для электронов (как идля световых золи) должно иметь место явление дифракции; и Буша (1926 г.),показавшего, что электрические и магнитные поля действуют почти как оптическиелинзы, стало возможным вести конкретный разговор об электронной оптике.
В 1927 г. американские ученые К. Девиссои и Л. Джермер наблюдалиявление дифракции электронов, а английский физик Д. Томсон и со- ветский физик П.С. Тартаковский провели первые исследования этого явления. В начале 30-х годовакадемик А. А. Лебедев разработал теорию дифракции в приложении к электронографу[2].
На основе этих основополагающих работ стало возможным создатьэлектронно-оптический прибор, и де Бройль предложил заняться этим одному изсвоих учеников, Л. Сциларду [2]. Тот в разговоре с известным физиком Д.Табором рассказал ему о предложении де Бройля, однако Габор убедил Сциларда втом, 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 времениуже не существовало трудностей в получении электронов. Физики и радиотехникиуспешно работали с электронными лампами, в которых электроны получали за счеттермоэлектронной эмиссии, или, попросту говоря, за счет нагревания нити(катода), а направленное движение электронов к аноду (т. е. прохождение тока черезлампу) формировалось приложением напряжения между анодом и катодом. В 1931 г.А. А. Лебедев предложил схему электронографа с магнитной фокусировкой пучкаэлектронов, которая легла в основу большинства приборов, изготовленных в нашейстране и за рубежом.
В 1931Р.Руденберг подал патентную заявку на просвечивающий электронный микроскоп, а в1932 М.Кнолль и Э.Руска построили первый такой микроскоп, применив магнитныелинзы для фокусировки электронов. Этот прибор был предшественником современногоОПЭМ. (Руска был вознагражден за свои труды тем, что стал лауреатом Нобелевскойпремии по физике за 1986.) [2]
В 1938 Рускаи 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 высокогоразрешения в Торонтском университете (Канада).
Широкиевозможности ОПЭМ почти сразу же стали очевидны. Его промышленное производствобыло начато одновременно фирмой «Сименс-Хальске» в Германии икорпорацией RCA в США. В конце 1940-х годов такие приборы стали выпускать идругие компании.
РЭМ в егонынешней форме был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда, предварительныеварианты такого устройства были построены Кноллем в Германии в 1930-х годах иЗворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в 1940-х годах, но лишь прибор Отлисмог послужить основой для ряда технических усовершенствований, завершившихсявнедрением в производство промышленного варианта РЭМ в середине 1960-х годов.Круг потребителей такого довольно простого в обращении прибора с объемнымизображением и электронным выходным сигналом расширился с быстротой взрыва. Внастоящее время насчитывается добрый десяток промышленных изготовителей РЭМ'овна трех континентах и десятки тысяч таких приборов, используемых в лабораторияхвсего мира. В 1960-х годах разрабатывались сверхвысоковольтные микроскопы дляисследования более толстых образцов. Лидером этого направления разработок былГ.Дюпуи во Франции, где в 1970 был введен в действие прибор с ускоряющимнапряжением, равным 3,5 млн. вольт. РТМ был изобретен Г.Биннигом и Г.Рорером в1979 в Цюрихе. Этот весьма простой по устройству прибор обеспечивает атомноеразрешение поверхностей. За свою работу по созданию РТМ Бинниг и Рорер(одновременно с Руской) получили Нобелевскую премию по физике.
Широкоеразвитие методов электронной микроскопии в нашей стране связано с именами рядаученых: Н. Н. Буйнова, Л. М. Утевского, Ю. А. Скакова (просвечивающаямикроскопия), Б. К. Вайнштейна (электронография), Г. В. Спивака (растроваямикроскопия), И. Б. Боровского, Б. Н. Васичева (рентгеновская спектроскопия) идр. Благодаря им электронная микроскопия вышла, из стеннаучно-исследовательских институтов и находит все более широкое применение взаводских лабораториях.
2. ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ
/>Электронный микроскоп –прибор, который позволяет получать сильноувеличенное 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 строениявещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.
Познакомимся с конструкцией современного просвечивающегоэлектронного микроскопа.
/>
Рисунок 1 – Разрез, показывающий основные узлы просвечивающего электронногомикроскопа [2]
1 – электронная пушка; 2 –анод; 3 – катушка дляюстировки пушки; 4 – клапан пушки; 5 – 1-я конденсорная линза; 6 – 2-яконденсорная линза; 7 – катушка для наклона пучка; 8 – конденсор 2диафрагмы; 9 – объективная линза; 10 – блок образца; 11 – дифракционнаядиафрагма; 12 – дифракционная линза; 13 – промежуточная линза; 14– 1-я проекционная линза; 15 – 2-я проекционная линза;
16 – бинокуляр (увеличение 12); 17– вакуумный блокколонны; 18 – камера для 35-миллиметровой катушечной пленки; 19 – экрандля фокусировки; 20 – камера для пластинок; 21 – главный экран; 22– ионный сорбционный насос.
Принцип его построения [2] в общем аналогичен принципу микроскопаоптического, имеются осветительная (электронная пушка), фокусирующая (линзы) ирегистрирующая (экран) системы. Тем не менее он сильно отличается в деталях.Например, свет беспрепятственно распространяется в воздухе, тогда как электронылегко рассеиваются при взаимодействии с любым веществом и, следовательно,беспрепятственно могут перемещаться только в вакууме. Иными словами, микроскоппомещают в вакуумную камеру.
Рассмотрим более детально узлы микроскопа. Система из нити накалаи ускоряющих электродов носит название электронной пушки (1). В сущности, пушканапоминает триодную лампу. Поток электронов испускается раскаленной вольфрамовойпроволочкой (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 отрицательныйотносительно катода потенциал в несколько сотен вольт. Благодаря наличию такогопотенциала на «цилиндре Венельта» фокусируется электронный пучок,выходящий из пушки. Второй электрод – анод (2), пластинка с отверстием вцентре, через которое электронный пучок попадает в колонну микроскопа. Междунитью накала (катодом) и анодом приложено ускоряющее напряжение, обычно до 100кВ. Как правило, имеется возможность ступенчато менять напряжение от 1 до 100кВ.
Задача пушки – создание стабильного потока электронов при малойиспускающей области катода. Чем меньше площадь, испускающая электроны, тем прощеполучить их тонкий параллельный пучок. Для этого применяют V-образные или специальноостро заточенные катоды.
Далее в колонне микроскопа размещены линзы. Большинствосовременных электронных микроскопов имеют от четырех до шести линз. Выходящийиз пушки электронный пучок направляется через пару конденсорных линз (5,6) наобъект. Конденсорная линза позволяет в широких пределах изменять условияосвещения объекта. Обычно конденсорные линзы представляют собойэлектромагнитные катушки, в которых токонесущие обмотки окружены (заисключением узкого канала диаметром около 2 – 4 см) сердечником из мягкогожелеза (рис.2) [3].
При изменении тока, протекающего через катушки, изменяетсяфокусное 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; штриховойлинией показан контур, фигурирующий в законе Ампера. Штриховой линией показанатак же линия магнитного потока, которая качественно определяет фокусирующеедействие линзы. Вр – напряженность поля в зазоре вдали отоптической оси. На практике обмотки линзы имеют водяное охлаждение, а полюсныйнаконечник съемный
Чтобы получить большое увеличение, необходимо облучать объектпотокам большой плотности. Конденсор (линза) обычно освещает площадь объекта,много большую интересующей нас при данном увеличении. Это может привести кперегреву образца и загрязнению его продуктами разложения масляных паров. Температуруобъекта можно снизить, уменьшая приблизительно до 1 мкм облучаемую область спомощью второй конденсорной линзы, которая фокусирует изображение, образуемоепервой конденсорной линзой. При этом увеличивается поток электронов черезисследуемую площадь образца, повышается яркость изображения, образец меньше загрязняется.
Образец (объект) обычно помещают в специальный объектодержатель натонкой металлической сетке диаметром 2 – 3 мм. Объектодержатель перемещаетсясистемой рычагов в двух взаимоперпендикулярных направлениях, наклоняется вразные стороны, что особенно важно при исследовании среза тканей либо такихдефектов кристаллической решетки, как дислокации и включения.
/>
Рисунок 3 – Конфигурация полюсного наконечника высокоразрешающегообъектива электронного микроскопа Siemens-102 [4].
В этой удачной промышленной конструкции диаметр отверстия верхнегополюсного наконечника 2R1=9 мм, диаметр отверстия нижнего полюсногонаконечника 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 – объективнаядиафрагма, 5 – термисторы, 6 – обмотка линзы, 7 – верхнийполюсный наконечник, 8 – охлаждаемый стержень, 9 – нижнийполюсный наконечник, 10 – стигматор, 11 – каналы системыохлаждения, 12 – охлаждаемая диафрагма
В колонне микроскопа с помощью вакуумной системы откачки создаетсяотносительно низкое давление, примерно 10-5 мм рт. ст. На это уходитдовольно много времени. Чтобы ускорить подготовку прибора к работе, к камереобъектов присоединяется специальное устройство для быстрой смены объекта. Вмикроскоп при этом попадает лишь очень небольшое количество воздуха, котороеудаляется вакуумными насосами. Смена образца обычно занимает 5 мин.
/>Изображение. При взаимодействииэлектронного пучка с образцом электроны, проходящие вблизи атомов веществаобъекта, отклоняются в направлении, определяемом его свойствами. Этим главнымобразом и обусловлен видимый контраст изображения. Кроме того, электроны могутеще претерпеть неупругое рассеяние, связанное с изменением их энергии инаправления, пройти через объект без взаимодействия или быть поглощеннымиобъектом. При поглощения электронов веществом возникает световое илирентгеновское излучение либо выделяется тепло. Если образец достаточно тонок, тодоля рассеянных электронов невелика. Конструкции современных микроскоповпозволяют использовать для формирования изображения все эффекты, возникающиепри 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 подсравнительно большим углом наклона к оси и вследствие этого даже незначительныеаберрации существенно ухудшают изображение объекта.
/>
Рисунок 4 – Образование первого промежуточного изображения объективной линзойи эффект аберрации [5].
Окончательноеувеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредствомлюминесцентного экрана, который светится под действием электроннойбомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматриваютчерез бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп сувеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз болеекрупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркостислабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическимпреобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведенона 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 окончательноеизображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинкаобычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простымглазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря,более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площадифотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем наединице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное нафотопленке, 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 оптическогомикроскопа – хроматическая, сферическая аберрация и астигматизм. Хроматическаяаберрация возникает из-за непостоянства фокусного расстояния при фокусировкеэлектронов с различными скоростями. Эти искажения уменьшают, стабилизируя токэлектронного луча и ток в линзах.
Сферическаяаберрация обусловлена тем, что периферийные и внутренние зоны линзы формируютизображение на разных фокусных расстояниях. Намотку катушки магнита, сердечникэлектромагнита и канал в катушке, через который проходят электроны, нельзявыполнить идеально. Асимметрия магнитного поля линзы приводит к значительномуискривлению траектории движения электронов.
Работа в режимах микроскопии и дифракции. Затененные областиотмечают 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. Процессизготовления электродов и их центровка должны быть в высокой степени точны, ибоот этого зависит качество линз.
В большинстве современных электронных микроскопов нарушениясимметрии магнитных и электрических полей устраняют с помощью стигматоров. Вканалы электромагнитных линз помещают небольшие электромагнитные катушки,изменяя ток, протекающий через них, они исправляют поле. Электростатическиелинзы дополняют электродами: подбирая потенциал, удается компенсироватьасимметрию основного электростатического поля. Стигматоры весьма тонкорегулируют поля, позволяют добиваться высокой их симметрии.
/>
Рисунок 5 – Ход лучей в электронном микроскопе просвечивающеготипа
В объективе есть еще два важных устройства – апертурная диафрагмаи отклоняющие катушки. Если в формировании конечного изображения участвуютотклоненные (дифрагированные) лучи, то качество изображения будет плохимвследствие сферической аберрации линзы. В объективную линзу вводят апертурнуюдиафрагму с диаметром отверстия 40 – 50 мкм, которая задерживает лучи,дифрагированные под углом более 0,5 градуса. Лучи, отклоненные на небольшойугол, создают светлопольное изображение. Если апертурной диафрагмойзаблокировать проходящий луч, то изображение формируется дифрагированным лучом.Оно в этом случае получается в темном поле. Однако метод темного поля даетменее качественное изображение, чем светлопольный, поскольку изображениеформируется лучами, пересекающимися под углом к оси микроскопа, сферическаяаберрация и астигматизм проявляются в большей степени. Отклоняющие же катушкислужат для изменения наклона электронного луча. Для получения окончательногоизображения нужно увеличить первое увеличенное изображение объекта. Для этойцели применяется проекционная линза. Общее увеличение электронного микроскопадолжно меняться в широких пределах, от небольшого соответствующего увеличениюлупы (/>10, />20), при котором можно исследоватьне только часть объекта, но и увидеть весь объект, до максимального увеличения,позволяющего наиболее полно использовать высокую разрешающую способностьэлектронного микроскопа (обычно до />200000).Здесь уже недостаточно двухступенчатой системы (объектив, проекционная линза).Современные электронные микроскопы, рассчитанные на предельную разрешающуюспособность, должны иметь по крайней мере три увеличивающие линзы – объектив,промежуточную и проекционную линзы. Такая система гарантирует изменениеувеличения в широком диапазоне (от />10 до />200000).
Изменение увеличения осуществляется регулировкой токапромежуточной линзы.
Еще один фактор, способствующий получению большего увеличения, – изменениеоптической силы линзы. Чтобы увеличить оптическую силу линзы, в цилиндрическийканал электромагнитной катушки вставляют специальные так называемые «полюсныенаконечники». Они изготовляются из мягкого железа или сплавов е большоймагнитной проницаемостью и позволяют сконцентрировать магнитное поле внебольшом объеме. В некоторых моделях микроскопов предусмотрена возможностьсмены полюсных наконечников, таким образом добиваются дополнительногоувеличения изображения объекта.
На конечном экране исследователь видит увеличенное изображениеобъекта. Различные участки объекта по-разному рассеивают падающие на них электроны.После объективной линзы (как уже указывалось выше) будут фокусироваться толькоэлектроны, которые при прохождении объекта отклоняются на малые углы. Эти жеэлектроны фокусируются промежуточной и проекционной линзами на экране дляконечного изображения. На экране соответствующие детали объекта будут светлые.В том случае, когда электроны при прохождении участков объекта отклоняются набольшие углы, они задерживаются апертурной диафрагмой, расположенной вобъективной линзе, и соответствующие участки изображения будут на экранетемными.
Изображение становится видимым на флюоресцентном экране(светящимся под действием падающих на него электронов). Фотографируют его либона фотопластинку, либо на фотопленку, которые расположены на несколькосантиметров ниже экрана. Хотя пластинка помещается ниже экрана, благодаря томучто электронные линзы имеют довольно большую глубину резкости и фокуса,четкость изображения объекта на фотопластинке не ухудшается. Смена пластинки – черезгерметичный люк. Иногда применяют фотомагазины (от 12 до 24 пластинок), которыеустанавливают также через шлюзовые камеры, что позволяет избежатьразгерметизации всего микроскопа.
/>Разрешение. Электронные пучки имеютсвойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электронхарактеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность электронногомикроскопа определяется эффективной длиной волны электронов. Длина волнызависит от скорости электронов, а следовательно, от ускоряющего напряжения; чембольше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длинаволны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество электронногомикроскопа в разре-
шающей способности объясняется тем, что длина волны электроновнамного меньше длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошофокусируют, как оптические (числовая апертура хорошей электронной линзысоставляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива этавеличина достигает 0,95), разрешение электронного микроскопа равно 50 – 100длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопеможно получить предел разрешения около 0,17 нм, что позволяет различатьотдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядканеобходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуютсявысокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой около2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуютмонтажа, исключающего вибрацию.
Для достижения разрешения по точкам лучше чем 0,5 нм необходимоподдерживать прибор в отличном состоянии и, кроме того, использовать микроскоп,который специально предназначен для работ, связанных с получением высокогоразрешения. Нестабильность тока объективной линзы и вибрации объектного столикаследует свести к минимуму. Исследователь должен быть уверен, что в полюсномнаконечнике объектива отсутствуют остатки объектов, оставшихся от предыдущихисследований. Диафрагмы должны быть чистыми. Микроскоп следует устанавливать вместе, удовлетворительном с точки зрения вибраций, посторонних магнитных полей,влажности, температуры и пыли. Постоянная сферической аберрации должна бытьменьше 2 мм. Однако самыми важными факторами при работе с высоким разрешениемявляются стабильность электрических параметров и надежность микроскопа.Скорость загрязнения объекта должна быть меньше, чем 0,1 нм/мин, и это особенноважно для работы с высоким разрешением в темном поле.
Температурный дрейф должен быть минимальным. Для того чтобы свестик минимуму загрязнение и максимально увеличить стабильность высокогонапряжения, необходим вакуум причем его следует измерять в конце линии откачки.Внутренность микроскопа, в особенности объем камеры электронной пушки, должныбыть скрупулезно чистыми.
Удобными объектами для проверки микроскопа являются тест-объекты с маленькими частичкамичастично графитизированного угля, в которых видны плоскости кристаллическойрешетки. Во многих лабораториях такой образец всегда держат под рукой, чтобыпроверять состояние микроскопа, и каждый день, прежде чем начать работу свысоким разрешением, на этом образце получают четкие изображения системыплоскостей с межплоскостным расстоянием 0,34 нм, используя держатель образцабез наклона. Такая практика проверки прибора настоятельно рекомендуется.Больших затрат времени и энергии требует поддержание микроскопа в наилучшемсостоянии. Не следует планировать исследования, требующие высокого разрешения,до тех пор пока не обеспечено поддержание состояния прибора на соответствующемуровне, и, что еще более важно, до тех пор пока микроскопист не вполне уверен,что результаты, полученные с помощью изображений высокого разрешения, оправдаютзатраченные время и усилия.
Современные электронные микроскопы оборудуются рядомприспособлений. Весьма важна приставка для изменения наклона образца во времянаблюдения (гониометрическое устройство). Так как контраст изображенияполучается главным образом за счет дифракции электронов, то даже малые наклоныобразца могут существенно влиять на него. Гониометрическое устройство имеет двевзаимно перпендикулярные оси наклона, лежащие в плоскости образца, и приспособленныедля его вращения на 360°. При наклоне устройство обеспечивает неизменностьположения объекта относительно оси микроскопа. Гониометрическое устройство такженеобходимо при получении стереоснимков для изучения рельефа поверхности изломакристаллических образцов, рельефа костных тканей, биологических молекул и т. п.
Стереоскопическая пара получается съемкой в электронном микроскопеодного и того же места объекта в двух положениях, когда он повернут нанебольшие углы к оси объектива (обычно ±5°).
Интересная информация об изменении структуры объектов может бытьполучена при непрерывном наблюдении за нагревом объекта. С помощью приставкиудается изучить поверхностное окисление, процесс разупорядочения, фазовыепревращения в многокомпонентных сплавах, термические превращения некоторыхбиологических препаратов, провести полный цикл термической обработки (отжиг,закалка, отпуск), причем с контролируемыми высокими скоростями нагрева иохлаждения. Вначале были разработаны устройства, которые герметичноприсоединялись к камере объектов. Специальным механизмом объект извлекался изколонны, термообрабатывался, а затем вновь помещался в камеру объектов.Преимущество метода – отсутствие загрязнения колонны и возможность длительнойтермообработки.
В современных электронных микроскопах имеются устройства длянагревания объекта непосредственно в колонне. Часть объектодержателя окруженамикропечью. Нагрев вольфрамовой спирали микропечек осуществляется постояннымтоком от небольшого источника. Температура объекта изменяется при изменениитока нагревателя иопределяется по градуировочной кривой. В устройствесохраняется высокое разрешение при нагреве вплоть до 1100°С – порядка 30 Å.
В последнее время разработаны устройства, позволяющие нагреватьобъект электронным пучком самого микроскопа. Объект располагается на тонкомвольфрамовом диске. Диск нагревается расфокусированным электронным лучом,небольшая часть которого проходит через отверстие в диске и создает изображениеобъекта. Температуру диска можно менять в широких пределах, изменяя его толщинуи диаметр электронного луча.
Есть в микроскопе и столик для наблюдения объектов в процессеохлаждения до –140° С. Охлаждение – жидким азотом, который заливается в сосудДьюара,соединенный со столиком специальным хладопроводом. В этомустройстве удобно исследовать некоторые биологические и органические объекты,которые без охлаждения под воздействием электронного луча разрушаются.
С помощью приставки для растяжения объекта можно исследовать движениедефектов в металлах, процесс зарождения и развития трещины в объекте. Созданонесколько типов подобных устройств. В одних использовано механическоенагружение перемещением захватов, в которых крепится объект, или передвижениемнажимного стержня, в других – нагрев биметаллических пластин. Образец приклеиваетсяили крепится захватами к биметаллическим пластинам, которые расходятся встороны, когда их нагревают. Устройство позволяет деформировать образец на 20%и создавать усилие в 80 г.
Самой важной приставкой электронного микроскопа можно считать микродифракционноеустройство для электронографических исследований какого-либо определенногоучастка объекта, представляющего особый интерес. Причем микродифракционнуюкартину на современных микроскопах получают без переделки прибора.Дифракционная картина состоит из серии либо колец, либо пятен. Если в объектемногие плоскости ориентированы благоприятным для дифракции образом, тоизображение состоит из сфокусированных пятен. Если электронный луч попадаетсразу на несколько зерен беспорядочно ориентированного поликристалла, дифракциясоздается многочисленными плоскостями, образуется картина из дифракционныхколец. По местоположению колец или пятен можно установить структуру вещества(например, нитрид или карбид), его химический состав, ориентациюкристаллографических плоскостей и расстояние между ними.
2.1Источники электронов
Обычно используются четыре типа источников электронов:вольфрамовые V-образныекатоды, вольфрамовые точечные (острийные) катоды, источники из гексаборидалантана и автоэлектронные источники. В данной главе кратко рассматриваютсяпреимущества каждого вида источника электронов для просвечивающей электронноймикроскопии высокого разрешения и их характеристики. К источникам электронов,используемым в электронной микроскопии высокого разрешения, предъявляются следующиеосновные требования:
1. Высокая яркость(плотность тока на единицу телесного угла). Выполнение этого требованиясущественно для экспериментов при получении изображений высокого разрешения сфазовым контрастом, когда необходимо сочетать малую апертуру освещения сдостаточной величиной плотности тока, что дает возможность точно фокусироватьизображение при большом увеличении.
2. Высокая эффективностьиспользования электронов (отношение яркости к полной величине тока первичногопучка электронов), которая достигается за счет малого размера источника.Уменьшение освещаемой области образца снижает его нагревание и тепловой дрейф впроцессе экспозиции.
3. Большое время жизни приимеющемся вакууме.
4. Стабильная эмиссия придлительной (до минуты) экспозиции, характерной в микроскопии высокогоразрешения.
Идеальной системой освещения для обычного просвечивающегомикроскопа высокого разрешения была бы система, позволяющая операторунезависимо контролировать размер освещаемой области образца, интенсивностьосвещения и когерентность пучка. Такие возможности достигаются только приработе с автоэлектронным источником. Однако для большинства лабораторийиспользование вольфрамового точечного катода является наилучшим компромиссом,приемлемым как по стоимости, так и по рабочим характеристикам дляпросвечивающей микроскопии высокого разрешения. В настоящее времярассматривается также возможность использования источников из гексаборидалантана. Перспективным является также катод, нагреваемый лучом лазера, яркостькоторого, как сообщается, в 3000 раз превосходит яркость V-образного катода при эффективномдиаметре источника порядка 10 нм. Эти катоды работают при умеренном вакууме (10-4Тор).
2.2. Системаосвещения
/>
Образец
Рисунок 6 – Осветительная система современного электронногомикроскопа
Система имеет две конденсорные линзы С1 (сильная линза) и С2(слабая линза). F – катод; W – цилиндр Вепельта; S – мнимый источникэлектронов, S'и S" – его изображения;СА2 – вторая конденсорная диафрагма. Расстояния U1, U2, V1,V2 являются электронно-оптическими параметрами, тогда как расстоянияD1, D2, D3легко измеряются вколонне микроскопа. [4].
На рис. 6 представлены две конденсорные линзы, входящие в системуосвещения электронного микроскопа. Обычно можно осуществить независимоеизменение фокусного расстояния этих линз (С1и С2). Возбуждениепервой конденсорной линзы изменяют с помощью регулировочной ручки, называемойиногда «размер пятна». Обычно выбирается такое возбуждение, прикотором плоскости S, S' и поверхность образца являются сопряженными, т. е. чтобысфокусированное изображение источника формировалось на образце (сфокусированноеосвещение).
Для V-образного катода размер источникаприблизительно равен 30 мкм. Для предотвращения нежелательного нагрева ирадиационного повреждения образца на нем нужно сформировать уменьшенноеизображение источника. Рабочее расстояние D3также должно быть достаточно большим, чтобы имеласьвозможность перемещения объектодержателя при смене образца. При использованииодной конденсорной линзы трудно удовлетворить этим противоречивым требованиям –малое увеличение при большом расстоянии D3 – так как для этого необходимо, чтобы расстояние D1 было чрезмерно большим. Поэтому обычно используетсясильная первая конденсорная линза С1, служащая для уменьшения изображенияисточника в 5 – 100 раз, а следующая за первой вторая слабаялинза С2 сувеличением около 3 обеспечивает большое рабочее расстояние,
2.3 Коррекция астигматизма
Регулировка стигматора объективной линзы весьма критична дляобеспечения высокого разрешения. В некоторых приборах астигматизм регулируетсякак по направлению, так и по силе, в то время как в других предусмотренарегулировка силы астигматизма в двух фиксированных ортогональных направлениях.Прежде всего следует грубо скорректировать астигматизм с помощью стигматора дополучения симметричности кольца Френеля. При работе с высоким разрешениемнеобходимо возможно более точно скорректировать астигматизм, что можно сделатьпо изображению структуры тонкой аморфной угольной пленки при большом увеличении.Для тщательной корректировки астигматизма на деталях такого изображенияразмером 0,3 нм необходимы увеличение микроскопа по крайней мере 400 000-кратноеи оптический бинокуляр х10. С помощью ручек изменения фокуса и стигма-торадобейтесь минимального контраста, что достигается при использовании ручекнаиболее тонкой регулировки. При недофокусировке объектива в несколько десятковнанометров должна быть видна однородная зернистая структура угольной пленки безанизатропии в каком-либо преимущественном направлении. Это – трудная процедура,требующая значительных навыков. Оптическая дифрактограмма позволяет наиболеебыстро проверить правильность коррекции астигматизма, и ее использованиеособенно важно при освоении процедуры корректировки астигматизма. Важныследующие моменты:
1. Глаза должны полностьюадаптироваться к темноте. Для этого необходимо провести по крайней мере 20 минв темноте.
2. Положение и чистотанаходящихся в поле линзы объективной диафрагмы и охлаждаемой диафрагмыкритически влияют на требуемую установку стигматора. Никогда не трогайте ни ту,ни другую диафрагму после корректировки астигматизма до фотографированияизображения. Самое важное, что астигматизм не меняется во времени и его можноскорректировать. Небольшие загрязнения объективной диафрагмы не создают помех,которые нельзя скорректировать с помощью стигматора. Грязная диафрагма,создающая флуктуации поля, является более серьезной помехой. Проверяйте степеньзагрязнения диафрагмы объектива, смещая ее во время наблюдения изображения. Принебольших смещениях диафрагмы не должно наблюдаться сильное ухудшениеастигматизма. Чистоту отверстия охлаждаемой диафрагмы можно проверить при томувеличении, при котором она ограничивает поле зрения. Проверку производятнебольшим перемещением охлаждаемой диафрагмы, если это возможно, проводянаблюдение при малом увеличении.
3. Ток коррекцииастигматизма изменяется в зависимости от типа используемого объектодержателя,ускоряющего напряжения и тока возбуждения объективной линзы. Последний слегказависит от увеличения, возможно, из-за магнитного взаимодействия линз.
4. Часто встречающейсяпричиной сильного астигматизма является присутствие кусочка от расколовшегосяили частично испарившегося образца в полюсном наконечнике объектива.
5. Нет смысла корректироватьастигматизм до тех пор, пока охлаждаемая диафрагма не достигнет температурыжидкого азота и пока резервуар охлаждаемой диафрагмы приходится периодически доливатьжидким азотом (лучше с помощью насоса). Астигматизм также быстро появляется,как только жидкий азот испаряется из резервуара, приводя к перемещениюдиафрагмы по мере ее нагрева. На стабилизацию температуры диафрагмы можетпотребоваться по крайней мере полчаса с момента начала заполнения резервуара.
О чувствительности изображений высокого разрешения к астигматизмуможно судить, проводя наблюдение плоскостей графитизированного углерода всветлом поле с ненаклоненным освещением и при этом регулируя стигматор. Чтобыполучить изображения плоскостей решетки, расположенных во всевозможныхнаправлениях, нужно точно скомпенсировать астигматизм по двум направлениям.Легче получить изображение плоскостей решетки одного направления, но оно не обеспечиваетконтроля точной коррекций астигматизма.
Наконец стоит повторить, что астигматизм нужно корректироватьпосле каждого перемещения диафрагмы объектива.
2.4 Вспомогательное оборудование для обычнойпросвечивающейэлектронной микроскопиивысокого разрешения
Кроме самого микроскопа имеются различные вспомогательныеустройства, дополняющие микроскоп, которые упоминались ранее в настоящей книге.В совокупности все они освещаются в этом параграфе.
1. Масс-спектрометрили манометр парциального давления являются чрезвычайно полезным дополнением кэлектронному микроскопу. Масс-спектрометр дает полный анализ продуктовзагрязнения в микроскопе. В конструкциях некоторых приборов имеются магниты,такой прибор следует располагать с учетом возможного влияния на электронно-микроскопическоеизображение.
2. Работаяс высоким разрешением, полезно пользоваться балонным осушенным азотом.Микроскоп наполняется сухим азотом всякий раз, когда необходим внутреннийремонт для того, чтобы уменьшить количество водяных паров, проникающих вколонну.
3. Для калибровкиувеличения прибора в условиях изменяющейся длины фокуса объективной линзыполезно использовать прибор для измерения тока объективной линзы.
4. Ввидуважности обеспечения термической стабильности при фотографировании темнопольныхизображений с длительными экспозициями целесообразно иметь насос для перекачкижидкого азота.
5. Длясдувания с образца пыли или следов средств, оставшихся после чистки камерыпушки микроскопа, всегда полезно иметь резиновую грушу с соплом.
3.ПРИМЕНЕНИЕ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕГОЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА
Вряд лиостался какой-либо сектор исследований в области биологии и материаловедения,где бы не применялась просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ); этообеспечено успехами техники приготовления образцов.
Всеприменяемые в электронной микроскопии методики нацелены на получение предельнотонкого образца и обеспечение максимального контраста между ним и подложкой,которая необходима ему в качестве опоры. Основная методика рассчитана наобразцы толщиной 2 – 200 нм, поддерживаемые тонкими пластмассовыми илиуглеродными пленками, которые кладутся на сетку с размером ячейки около 0,05мм. (Подходящий образец, каким бы способом он ни был получен, обрабатываетсятак, чтобы увеличить интенсивность рассеяния электронов на исследуемомобъекте.) Если контраст достаточно велик, то глаз наблюдателя может без напряженияразличить детали, находящиеся на расстоянии 0,1 – 0,2 мм друг от друга.Следовательно, для того, чтобы на изображении, создаваемом электронным микроскопом,были различимы детали, разделенные на образце расстоянием в 1 нм, необходимополное увеличение порядка 100 – 200 тыс. Лучшие из микроскопов могут создать нафотопластинке изображение образца с таким увеличением, но при этом изображаетсяслишком малый участок. Обычно делают микроснимок с меньшим увеличением, а затемувеличивают его фотографически. Фотопластинка разрешает на длине 10 см около 10000 линий. Если каждая линия соответствует на образце некой структурепротяженностью 0,5 нм, то для регистрации такой структуры необходимо увеличениене менее 20 000, тогда как при помощи ПЭМ, может быть разрешено около 1000линий.
/>/>3.1 Небиологическиематериалы
Главной цельюэлектронной микроскопии высокого разрешения на сегодняшний день являетсявизуализация деталей ультраструктуры несовершенных кристаллических материалов.В настоящее время не существует других методов, способных давать такуюинформацию на атомном уровне разрешения или на уровне разрешения элементарнойячейки. Детальное понимание структуры дефектов кристаллов определяет прогресскак в кристаллохимии, так и в области исследования прочности материалов.Используя электронный пучок для управления скоростью протекания химическойреакции в кристаллах, можно также почти на атомном уровне изучать движениедефектов при фазовых переходах. Электронная микроскопия высокого разрешения-находит также широкое применение для исследования микроструктуры оченьмаленьких кристаллов, от которых нельзя получить картину рентгеновскойдифракции. В последние годы этот метод широко применяется для исследованияминералов и керамических материалов.
Исследования минералов методом реплик начались несколько десятковлет назад. Непосредственно методом просвечивающей электронной микроскопии первымибыли изучены слюда и глинистые минералы. Среди первых минералогов, которыеиспользовали электронную микроскопию в своих исследованиях, можно назватьРиббе, Мак-Коннела и Флита [5]. Большое влияние на развитие электронноймикроскопии применительно к минералогии оказали работы Мак-Ларена и Фейки (с1965 г.) и Ниссена (с 1967 г.); программа их исследований была целиком посвященаэлектро-микроскопическому исследованию минералов. В 1970 г. работы поисследованию лунных материалов методами ТЭМ способствовали возникновениюнеобыкновенного бума в электронной микроскопии минералов, в который наряду сминералогами были вовлечены материаловеды и физики. Полученные ими в течениепяти лет результаты, оказавшие колоссальное влияние на современную минералогию,показали, что электронная микроскопия является очень мощным инструментом вруках ученого. К настоящему времени новые данные внесли весомый вклад врасшифровку строения полевых шпатов и пироксенов, и почти в каждой группеминералов исследования с помощью электронной микроскопии раскрывают ряд неожиданныхсвойств.
Электронная микроскопия применялась также для определения возрастаземных, лунных и метеоритных пород. При этом было использовано тообстоятельство, что во время радиоактивного распада ядра высвобождаютсячастицы, проникающие в окружающий материал с высокой скоростью и оставляющиевидимый «след» в кристалле. Такие треки можно увидеть с помощьюэлектронного микроскопа, используя егов режимах сканирования или на просвет. Плотность треков распада вокруградиоактивного включения пропорциональна возрасту кристалла, а их длинаявляется функцией энергии частицы. Длинные треки, указывающие на высокуюэнергию частиц, были обнаружены вокруг включений витлокита в лунной породе;Хатчеон и Прайс приписали этот необычайно длинный трек распаду элемента 244Ро,который из-за короткого периода полураспада к настоящему времени исчез, но ещемог существовать 4 млрд. лет назад. Треки в материале, взятом с поверхностиЛуны или из метеоритов (рис. 7) [5], дают информацию об эволюции космическойрадиации и позволяют сделать выводы о возрасте и составе Вселенной.
Высокая плотность треков вызвана наличием энергетически болеетяжелых ядер (главным образом Fе) в солнечной вспышке перед образованием метеорита.Примечательна таблитчатчатая структура, обусловленная распадом твердых растворов.
/>
Рисунок 7 – Темнопольная ТЭМ-картина зерна пироксена из метеоритаПезиано
ПЭМприменяется в исследованиях материалов для изучения тонких кристаллов и границмежду разными материалами. Чтобы получить изображение границы раздела с большимразрешением, образец заливают пластмассой, делают срез образца,перпендикулярный границе, а затем утоньшают его так, чтобы граница была виднана заостренной кромке. Кристаллическая решетка сильно рассеивает электроны вопределенных направлениях, давая дифракционную картину. Изображениекристаллического образца в значительной мере определяется этой картиной;контраст сильно зависит от ориентации, толщины и совершенства кристаллическойрешетки. Изменения контраста на изображении позволяют изучать кристаллическуюрешетку и ее несовершенства в масштабе атомных размеров. Получаемая при этоминформация дополняет ту, которую дает рентгенографический анализ объемныхобразцов, так как ЭМ дает возможность непосредственно видеть во всех деталях дислокации,дефекты упаковки и границы зерен. Кроме того, в ЭМ можно сниматьэлектронограммы и наблюдать картины дифракции от выделенных участков образца.Если диафрагму объектива настроить так, чтобы через нее проходили только одиндифрагированный и нерассеянный центральный пучки, то можно получать изображениеопределенной системы кристаллических плоскостей, которая дает этотдифрагированный пучок. Современные приборы позволяют разрешать периоды решеткивеличиной 0,1 нм. Исследовать кристаллы можно также методом темнопольногоизображения, при котором перекрывают центральный пучок, так что изображениеформируется одним или несколькими дифрагированными пучками. Все эти методы даливажную информацию о структуре очень многих материалов и существенно прояснилифизику кристаллов и их свойства. Например, анализ ПЭМ-изображенийкристаллической решетки тонких малоразмерных квазикристаллов в сочетании санализом их электронограмм позволил в 1985 открыть материалы с симметриейпятого порядка.
3.2Биологические препараты
Электроннаямикроскопия широко применяется в биологических и медицинских исследованиях.Разработаны методики фиксации, заливки и получения тонких срезов тканей дляисследования в ОПЭМ. Эти методики дают возможность исследовать организациюклеток на макромолекулярном уровне. Электронная микроскопия выявила компонентыклетки и детали строения мембран, митохондрий, эндоплазматической сети, рибосоми множества других органелл, входящих в состав клетки. Образец сначалафиксируют глутаральдегидом или другими фиксирующими веществами, а затемобезвоживают и заливают пластмассой. Методы криофиксации (фиксации при оченьнизких – криогенных – температурах) позволяют сохранить структуру и состав безиспользования химических фиксирующих веществ. Кроме того, криогенные методыпозволяют получать изображения замороженных биологических образцов без ихобезвоживания. При помощи ультрамикротомов с лезвиями из полированного алмазаили сколотого стекла можно делать срезы тканей толщиной 30 – 40 нм.Смонтированные препараты могут быть окрашены соединениями тяжелых металлов(свинца, осмия, золота, вольфрама, урана) для усиления контраста отдельныхкомпонентов или структур.
Биологическиеисследования были распространены на микроорганизмы, особенно на вирусы, которыене разрешаются световыми микроскопами. ПЭМ позволила выявить, например,структуры бактериофагов и расположение субъединиц в белковых оболочках вирусов.Кроме того, методами позитивного и негативного окрашивания удалось выявитьструктуру с субъединицами в ряде других важных биологических микроструктур.Методы усиления контраста нуклеиновых кислот позволили наблюдать одно- идвунитные ДНК. Эти длинные линейные молекулы распластывают в слой основногобелка и накладывают на тонкую пленку. Затем на образец вакуумным напылениемнаносят очень тонкий слой тяжелого металла. Этот слой тяжелого металла «оттеняет»образец, благодаря чему последний при наблюдении в ОПЭМ выглядит как быосвещенным с той стороны, с которой напылялся металл. Если же вращать образецво время напыления, то металл накапливается вокруг частиц со всех сторонравномерно (как снежный ком).
/>
3.3 Высоковольтнаямикроскопия
В настоящее времяпромышленность выпускает высоковольтные варианты ОПЭМ с ускоряющим напряжениемот 300 до 400 кВ. Такие микроскопы имеют более высокую проникающую способность,чем у низковольтных приборов, причем почти не уступают в этом отношениимикроскопам с напряжением 1 млн. вольт, которые строились в прошлом.Современные высоковольтные микроскопы достаточно компактны и могут бытьустановлены в обычном лабораторном помещении. Их повышенная проникающаяспособность оказывается очень ценным свойством при исследовании дефектов вболее толстых кристаллах, особенно таких, из которых невозможно сделать тонкиеобразцы. В биологии их высокая проникающая способность дает возможностьисследовать целые клетки, не разрезая их. Кроме того, с помощью такихмикроскопов можно получать объемные изображения толстых объектов.
/>
3.4 Радиационноеповреждение
Посколькуэлектроны представляют собой ионизирующее излучение, образец в ЭМ постоянноподвергается его воздействию. Следовательно, образцы всегда подвергаютсярадиационному повреждению. Типичная доза излучения, поглощаемая тонким образцомза время регистрации микрофотографии в ОПЭМ, примерно соответствует энергии,которой было бы достаточно для полного испарения холодной воды из прудаглубиной 4 м с площадью поверхности 1 га. Чтобы уменьшить радиационное повреждениеобразца, необходимо использовать различные методы его подготовки: окрашивание,заливку, замораживание. Кроме того, можно регистрировать изображение при дозахэлектронов, в 100 – 1000 раз меньших, нежели по стандартной методике, а затемулучшать его методами компьютерной обработки изображений.
4.СОВРЕМЕННЫЕ ВИДЫ ПЭМ
Просвечивающийэлектронный микроскоп Titan 80 – 300 с атомным разрешением
/>
Современныйпросвечивающий электронный микроскоп Titan™ 80 – 300 дает изображениенаноструктур на суб-ангстремном уровне. Электронный микроскоп Титан работает вдиапазоне 80 – 300 кВ с возможностями коррекции сферической аберрации имонохроматичности. Данный электронный микроскоп соответствует жесткимтребованиям максимальной механической, тепловой и электрической стабильности,так же, как точным юстировкам усовершенствованных компонентов. Титан расширяетразрешающие возможности спектроскопии при измерении запрещенных энергетическихзон и электронных свойств и позволяет пользователю получить четкие изображенияграниц раздела и наиболее полно интерпретировать полученные данные.
JEOLJEM – 3010
300 кВ просвечивающий электронный микроскоп
300-киловольтныйаналитический электронный микроскоп высокой точности и сверхвысокого разрешениясконструирован таким образом, чтобы одновременно можно было наблюдатьизображение на атомарном уровне и прицельно анализировать образец. В данноммикроскопе использовано много новых разработок, в том числе компактнаяэлектронная пушка на 300 кВ, осветительная система с пятью линзами.
Использование встроенногоионного насоса обеспечивает чистый и стабильно высокий вакуум.
/>
· Разрешение поточкам: 0,17 нм
· Ускоряющеенапряжение: от 100 до 300 кВ
Увеличение:от />50 до />1 500 000
JEOLJEМ – 3000FasTEM
300 кВ просвечивающий электронный микроскоп с полевойэмиссией
/>
Просвечивающийэлектронный микроскоп, оборудованный электронной пушкой высокой яркости сподогревным катодом на полевой эмиссии, обладающим повышенной стабильностьютока эмиссии. Позволяет непосредственно наблюдать детали атомного строения ианализировать отдельные атомные слои. Электронная пушка с подогревным катодомна полевой эмиссии, более всего подходящая для анализа нанообластей,обеспечивает ток зонда 0,5 нА при его диаметре 1 нм и 0,1 нА при 0,4 нм.
· Разрешение вточке: 0,17 нм
· Ускоряющеенапряжение: 100, 200, 300 кВ
Увеличение:от х60 до х1 500 000
JEOLJEМ – 2100F
200 кВ просвечивающий электронный микроскоп с полевойэмиссией
/>
Электроннаяпушка с полевой эмиссией, обеспечивающая электронный пучок с высокой яркостью икогерентностью, играет ключевую роль в получении высокого разрешения и при анализенаноструктур. Прибор JEM – 2100F является комплексным ПЭМ, оснащенным развитойсистемой электронного управления различными функциями.
Основныеособенности данного прибора:
· Высокая яркость истабильность электронной пушки с термополевой эмиссией обеспечивает анализобластей наноразмеров при большом увеличении.
· Диаметр зондаменьше 0.5 нм позволяет уменьшить точку анализа до уровня нанометров.
· Новыйвысокостабильный столик образцов с боковой загрузкой обеспечивает простойнаклон, поворот, нагрев и охлаждение, программируемые установки и другое безмеханического дрейфа.
JEOL JEМ – 2100 LaB6
200 кВаналитический просвечивающий электронный микроскоп
Позволяет не только получать изображения на просвет икартины дифракции, но и включает в себя компьютерную систему контроля, котораяможет объединять TEM, устройство получения изображений в режиме сканирования(STEM), энергодисперсионный спектрометр (JED – 2300 T) и спектрометрэнергетических потерь электронов (EELS) в любых комбинациях.
/>
Высокое разрешение (0,19 нм при 200 kV на катоде LaB 6) достигается благодаря стабильности высокого напряжения и тока пучка, вместе спревосходной системой линз. Новая структура рамы колонны микроскопа мягкоуменьшает эффект вибрации прибора. Новый гониометрический столик позволяетпозиционирование образца с точностью до нанометров. Компьютерная системаконтроля микроскопа обеспечивает подключение по сети других пользователей(компьютеров) и обмен информацией между ними.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
До сравнительно недавнего времени в руках минералогов находилисьдва классических инструмента – поляризационный микроскоп и аппаратура длярентгеновской дифракции. С помощью оптического микроскопамы можемисследовать морфологию и оптические свойства минералов, изучать двойники иламели, если они по размеру превышают длину волны падающего света. Данные по рентгеновскойдифракциипозволяют точно определить положение атомов в элементарнойячейке в масштабе 1 – 100 Å. Однако такое определение кристаллическогостроения дает нам некую структуру, усредненную по многим тысячам элементарныхячеек; следовательно, мы заранее принимаем, что все элементарные ячейкиидентичны.
В то же время становится все болееочевидной важность структурных деталей, характеризующих минералы в масштабе 100– 10 000 Å. Диффузные рефлексы на рентгенограммах были интерпретированыкак свидетельство существования малых доменов; астеризм, наблюдаемый налауэграммах, или небольшие значения коэффициентов экстинкции при уточненииструктуры, указали на то, что кристаллы несовершенны по своему строению исодержат различные дефекты. Для исследования неоднородностей, размеры которыхнаходятся в указанных пределах, идеальным инструментом является электронныймикроскоп.Такие исследования – важный источник геологическойинформации, характеризующей параметры охлаждения и образования минералов игорных пород или условия их деформации.
В противоположность рентгеновскойдифракции, которую начали использовать в минералогии немедленно после ееоткрытия, электронная микроскопия вначале получила наибольшее развитие иприменение в металлургии. После создания промышленных приборов в 1939 г.потребовалось более 30 лет, чтобы электронный микроскоп стал обычныминструментом в минералогии и петрографии.
Преимущество электронной микроскопии состоит в том, что с еепомощью структуры и текстуры можно изобразить в реальном пространстве, и,следовательно, результаты легче визуализировать, чем получить их путем расчетадифракционных картин. Здесь уместно упомянуть о необходимости соблюдатьопределенную осторожность. В отличие от наблюдений в оптическом микроскопеструктуру нельзя увидеть непосредственно через электронный микроскоп. Мы простонаблюдаем контраст, возникающий, например, от поля деформаций вокругдислокаций, и этот контраст трансформируется в изображение внутри прибора.Электронная микроскопия не заменяет исследований, проводимых методамирентгеновской дифракции. С другой стороны, имеется много примеров, когда данныеэлектронной микроскопии служили основанием для интерпретации рентгеновскихданных. Эти две методики идеально дополняют друг друга.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 ДюковВ.Г., Непийко С.А., Седов Н.Н Электронная микроскопия локальных потенциалов./АН УССР. Ин-т физики. – Киев: Наук. думка, 1991. – 200 с.
2 КулаковЮ.А Электронная микроскопия. – М.: Знание,1981. – 64 с.
3 Ч.Пул, Ф. Оуэнс Нанотехнологии: Пер. с англ./Под ред. Ю. И. Головина. – М.:Техносфера, 2005. – 336 с
4 СпенсДж. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения: Пер. сангл./Под ред. В. Н. Рожанского. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. Лит.,1986. –320 с., ил.
5 ТомасГ., Горинж М. Дж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов: Пер. сангл./Под ред. Б.К. Вайнштейна – М: Наука. Главная редакция физико-математическойлитературы, 1983 – 320с
6 Электроннаямикроскопия в минералогии: Пер. с анг./Под общей ред. Г.-Р. Венка. – М.: Мир, 1979.– 485с., ил.