Электронный микроскоп

Электронный микроскоп

Разрешающая способность оптического микроскопа ограничена длиной световой волны. С его помощью можно наблюдать детали размером 0,1 - 0,2 мкм. Но этого недостаточно, чтобы видеть молекулы, атомы, или другие объекты, размеры которых значительно меньше. С этой задачей легко справляется электронный микроскоп.

Устройство и принцип действия электронного микроскопа

Электронный микроскоп

Чтобы увеличить разрешающую способность микроскопа, нужно уменьшить длину волны, освещающей исследуемый объект. Поэтому вместо световых лучей в электронном микроскопе  используются электроны, длина волны которых в тысячи раз меньше длины волны фотонов. Разрешающая способность электронного микроскопа превосходит разрешение оптического микроскопа в 1000 - 10000 раз.

Принцип получения изображения в электронном микроскопе такой же, как и у оптического. Но в  отличие от оптического микроскопа, где световым лучом управляют линзы, находящиеся в объективе и окуляре, в электронном микроскопе это делается с помощью магнитных линз.

Электронный микроскоп

Магнитные линзы - это электромагниты, создающие сильные неоднородные электромагнитные поля. Изменяя силу тока, можно управлять магнитными полями и менять траекторию электронов, направляя их поток на исследуемый образец. 

В электронном микроскопе поток электронов падает на образец сверху, а изображение получается внизу.

Корпус электронного микроскопа представляет собой металлическую трубу. В её верхней части расположен источник электронов. Это вольфрамовая нить накала, называемая катодом. На неё подаётся высокое напряжение, и начинается излучение электронов с поверхности катода. Пучок электронов ускоряется с помощью высокой разности потенциалов между катодом и анодом. Для этой цели используется напряжение от 20 кВ до 1 мВ. Далее ускоренный поток фокусируется и направляется  системой магнитных линз на исследуемый образец.  Пройдя через него, он попадает в систему увеличивающих магнитных линз. Вся эта система называется электронной колонной.

Так как наш глаз не может воспринимать электронные пучки, то изображение создается на люминесцентном экране либо фиксируется на фотопластинке или цифровой камере.

Чтобы электроны не рассеивались в результате столкновений с молекулами воздуха, внутри колонны создаётся вакуум.

Виды электронных микроскопов

Существует 2 основных вида электронных микроскопов: просвечивающий электронный микроскоп и растровый электронный микроскоп.

Электронный микроскоп 

Просвечивающий, или трансмиссионный, электронный микроскоп создаёт изображение исследуемого ультратонкого образца (толщиной порядка 0,1 мкм), пропуская через него пучок электронов. Часть электронов при этом рассеивается на образце, а часть проходит через него и затем увеличивается магнитными линзами, выполняющими роль объектива. Изображение регистрируется на экране или фиксируется на фотоплёнке.

Пучок электронов создаётся электронной пушкой. Пушки бывают термоэлектронными и автоэмиссионными.

В термоэлектронной пушке электроны вырываются с поверхности катода (вольфрамовой нити накала или заострённого кристалла гексаборида лантана) при нагревании. Причём чем выше температура, тем больше число вырвавшихся электронов.

В автоэмиссионной пушке электроны испускаются с поверхности катода (вольфрамовой нити) под действием внешнего электрического поля.

В растровом электронном микроскопе пучок электронов попадает на исследуемый объект таким же образом, как и в просвечивающем микроскопе. Но в отличие от него узкий электронный луч не проходит сквозь образец, а сканирует (обегает) каждую его точку, перемещаясь последовательно  по горизонтальным строчкам, точка за точкой, строка за строкой. Усиленный сигнал синхронно передаётся на кинескоп. Этот процесс напоминает работу электронно-лучевой трубки в телевизоре. В современных растровых микроскопах изображение выдаётся в цифровой форме.

Электронный микроскоп

В растровом микроскопе, как и в просвечивающем, электронный луч образуется электронной пушкой. В электронной колонне он фокусируется и направляется на объект, расположенный на предметном столике. Столик может вращаться в трёх направлениях.

Попадая на поверхность исследуемого образца, электроны взаимодействуют с ней. Часть электронов отражается от поверхности. А часть, получив энергию от электронного пучка, может оторваться от поверхности. Такие электроны называются вторичными. Информация, которую они несут, используется для анализа поверхности и состава образца.

Применение электронных микроскопов

Патент на первый просвечивающий электронный микроскоп был получен в 1931 г. немецким физиком Р. Рутенбергом. А первый такой прибор создали в 1932 г. Эрнст Август Руска и М. Кнолль. Он давал 400-кратное увеличение, которое было меньшим, чем у оптических микроскопов. Но в его конструкции использовались катушки индуктивности вместо стеклянных линз. Это был прототип современного электронного микроскопа.

В конце 30-х годов фирма Siemens создала первую промышленную модель просвечивающего микроскопа, который позволял исследовать внутреннюю структуру вещества.

Первый растровый микроскоп начали производить в середине 60-х годов прошлого века, хотя изобрели его ещё в 1952 г. С его помощью можно получить информацию о рельефе поверхности, составе частиц и даже о химическом составе вещества.

Благодаря высокой разрешающей способности, электронные микроскопы нашли широкое применение в микробиологии, медицине, фармакологии, вирусологии. Они дали возможность получать 3-хмерные изображения микроскопических структур (электронная томография), контролировать качество лекарственных препаратов, изучать воздействие токсинов на организмы. Незаменимы они в промышленности. Их используют для получения двухмерных и трёхмерных микрохарактеристик образцов, в микротехнологиях: травлении, полировке, легировании, литографии и др.