Растровый микроскоп: устройство и принцип работы

Растровый микроскоп – прибор, предназначенный для получения увеличенного в несколько тысяч раз изображения объекта с огромным пространственным разрешением. При работе с этим устройством учёные смогут получить информацию о структуре, строении и составе исследуемой поверхности. Изображение формируется при взаимодействии электронного пучка с образцом.

Режимы работы

Конструкция растрового электронного микроскопа позволяет получать информацию о поверхностной структуре с помощью обратно-рассеянных (ОЭ) или вторичных электронов (ВЭ). Контраст вторичных электронов определяется поверхностным рельефом, а отраженные частицы содержат информацию о распределении электронной плотности. На изображении области с элементами, имеющими большие атомные номера, будут выглядеть намного ярче.

Как правило,  растровый микроскоп имеет следующие  функции:

1. 
   Детектирование ВЭ.
2. 
   Детектирование ОЭ.
3. Элементный микроанализ. При этом типе анализа выявляется рентгеновское излучение вещества, возникающее при электронном облучении.
4. 
   Анализ при низких ускоряющих напряжениях. Устройство способно функционировать при ускоряющем напряжении до 200 вольт. При наличии приложения замедляющего потенциала этот показатель можно уменьшить до 10 вольт. При таком анализе можно достичь равновесия между количеством эмитированных и поглощенных электронов. На образец для исследования не нужно наносить проводящее покрытие.
5. 
   Переменный вакуум. Современные модели микроскопов оборудованы системой поддержки высокого и сверхвысокого вакуума. При таком анализе образец пребывает в разряженной, но плотной для нейтрализации поверхностного заряда среде. В итоге наблюдение можно осуществлять без проводящего покрытия. При наличии охлаждающего держателя прибор сможет работать с водой и влажными образцами.

Во время анализа прибор сразу использует вторичные и обратно-рассеянные электронные. Такая комбинация частиц позволяет получить более полную информацию об исследуемом объекте.

Принцип работы растрового микроскопа

Историческая схема растрового электронного микроскопа отличается от современных моделей. Сам принцип работы особых изменений не претерпел:

1. 
   Электронный пучок направляется на исследуемый образец.
2. 
   Во время работы образуются вторичные электроны, собираемые специальным детектором.
3. 
   Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, а затем фокусируется линзами. Отклоняют его сканирующие катушки во взаимоперпендикулярных направлениях.
4. 
   Получаемые изображения регистрируются в виде нулей и единиц, а затем преобразовываются в цифровую картинку.

Работа растрового электронного микроскопа завершается, когда весь образец будет просканирован. В старых моделях изображение формировалось за счет синхронизации электронного пучка в кинескопе с электронным пучком микроскопа. Готовое изображение появлялось на кинескопе. При необходимости его можно было перенести на фотопленку.  

Стандартное устройство растрового электронного микроскопа:

• 
  электронная пушка;
• 
  первый конденсор;
• 
  второй конденсор;
• 
  отклоняющие катушки;
• 
  микрозонд;
• 
  объектив;
• 
  детектор ОЭ;
• детектор ВЭ;
• 
  вакуумный насос.

Кроме перечисленных элементов, в прибор входят разные типы детекторов. Они способны генерировать и выявлять следующие типы сигналов:

• 
  дифракции отраженных электронных частиц;
• 
  потери тока на образце;
• 
  ток, проходящий через образец;
• 
  световой сигнал;
• 
  рентгеновское излучение с определенным характеристиками;
• 
  прошедшие через образец электронные элементы.

Все типы детекторов в одном микроскопе встречаются редко. Кроме стандартного анализа ВЭ и ОЭ, прибор может поддерживать 2-3 дополнительные опции.

Разрешение микроскопа

Разрешение метода получения изображения растровой электронной микроскопии ограничено длиной волны падающего излучения – в случае электронного микроскопа это (помимо ряда других факторов, например, диаметра пятна на образце) длина волны электронов сфокусированного пучка, падающего на образец. Мощный растровый электронный микроскоп можно использовать для просмотра деталей 0,3-0,4 нм. У оптических приборов этот показатель равен всего 0,2 мкм. Для просмотра более мелких деталей придётся сократить длину волны, которая направлена на исследуемый объект.

Пространственное разрешение оборудования определяется его электронно-оптической системой. Также оно ограничивается размером области взаимодействия объекта с зондом. Самые высокое разрешение при использовании ВЭ, а самое низкое – при рентгеновском излучении. В отличие от просвечивающих устройств, растровое обеспечивает визуализацию большей площади объекта и возможность исследования больших образцов.

Области применения растровой электронной микроскопии

Сканирующий растровый микроскоп позволяет исследовать микроморфологию и тонкую структуру поверхности крупных образцов. Этот прибор применяется во всех областях науки: химии, физике, биологии, геологии, материаловедении, криминалистики. С помощью растровых микроскопов можно:

• 
  изучать структуру и строение микрокристаллов;
• 
  исследовать структуру материалов при нагреве и охлаждении;
• 
  осуществлять качественный и количественный элементный анализ;
• 
  исследовать структуру образцов при механическом воздействии;
• 
  анализировать токи, вызванные электронным пучком;
• 
  осуществлять электронно-лучевую литографию;
• 
  составлять карты распределения элементов по площади исследуемого объекта.

В техническом описании микроскопа указывают разрешение в режиме высокого и низкого вакуума, ток пучка электронов, увеличение, ионный источник, ток пучка ионов.

Как работает микроскоп?

Чуть-чуть истории

Галилей не изобрел телескоп, но был первым, кто открыл огромную Вселенную, направив телескоп вверх. Также и Антон ван Левенгук – он не изобрел микроскоп, но открыл вселенную очень малого, когда посмотрел через микроскоп туда, куда до него еще никто не смотрел. Левенгук исследовал микромир, открывал крошечных животных, растения и бактерии в капле воды. Изучал клетки крови и их движение, развитие и жизненный цикл насекомых. Поэтому Левенгука часто называют «отцом микроскопии».

Как это работает

В микроскопе используется то же явление, что и в телескопе-рефракторе – световые лучи преломляются при прохождении сквозь стекло. Цель телескопа – собрать пучок параллельных лучей от очень далекого объекта в маленькую точку – фокус, а уже оттуда через окуляр свет попадет в глаз. В микроскопе же сначала расходящийся пучок световых лучей превращается в параллельный, а потом он преломляется в окуляре, чтобы сфокусироваться в глазе наблюдателя.

Чтобы было более понятно, давайте что-нибудь увеличим. Например, пылевого клеща – крошечного жучка (точнее, паукообразное), который живет в вашей подушке и питается отмершими чешуйками вашей кожи.

Для начала нужно клеща подсветить. Сделаем это с помощью зеркальца в нижней части микроскопа. Свет отражается от зеркальца, проходит через клеща и стекло вокруг него и попадает в объектив. Объектив собирает часть расходящихся лучей от клеща в параллельный пучок световых лучей, который идет вверх по тубусу микроскопа и достигает линзы окуляра. Окуляр преломляет лучи и собирает их на сетчатке глаза, и мы может видеть клеща как будто бы «вблизи» и очень подробно.
Увеличение микроскопа зависит от того, насколько сильно каждая линза преломляет свет. Обычно увеличение написано прямо на корпусе прибора. Например, надпись «40х» означает, что изображение в микроскопе в 40 раз крупнее, чем при наблюдении невооруженным глазом.

Немного подробностей

В большинстве микроскопов объектив и окуляр состоят не из одной линзы, а из двух или более. Таким способом можно ослабить влияние так называемой хроматической аберрации – оптического искажения изображения, которое связано с тем, что разные цвета преломляются в линзе немного по-разному.

Наше тело (как и тела всех других живых существ) состоит из маленьких частичек, называемых клетками. Это стало известно, когда Роберт Гук рассмотрел под микроскопом срезы пробкового дуба. Пробковая древесина имеет очень выраженные клеточные стенки, и выглядит как будто сделанной из множества маленьких комнат или клеток. Различные типы микроскопов помогали наблюдать клетки тела человека, определять минералы, раскрывать преступления, видеть, как замораживание влияет на пищевые продукты, изучать металлы и находить причины заболеваний растений. И в медицине микроскоп – незаменимый инструмент. Он помог определить причины множества смертельных болезней, как, например, малярия или туберкулез. Часто микроскоп помогает определить, от чего умер человек или животное. Ученые могут при помощи микроскопа определить происхождение наркотических веществ. В частности, рассматривая кристаллы опиума с большим увеличением, можно заметить, что их форма различна для разных мест произрастания мака.

Пища для ума

Также как астрономы используют для исследования космоса не только лучи видимого света, так и исследователи микромира не ограничиваются только светом. К примеру, можно использовать электроны. Прибор, называемый электронным микроскопом, может «увидеть» отдельные атомы, что в принципе невозможно сделать с помощью световых лучей.

Также как световые лучи, электронные пучки тоже могут преломляться. В отличие от света, электроны не преломляются в стекле, для этой цели используются магниты. Объекты, «рассматриваемые» под сканирующим электронным микроскопом, должны обладать высокой электропроводностью и выдерживать вакуум. Для удовлетворения этим требованиям образцы для электронной микроскопии нередко покрывают тонким слоем золота.

Конечно, необязательно иметь электронный микроскоп и горшок золота, чтобы делать удивительные открытия. Даже простой, с малым увеличением, микроскоп может открыть целый новый мир. Попробуйте посмотреть на растения, бумагу, ткань, сахар, воду из пруда или случайную букашку. В магазинах, где продают товары для аквариумистов, часто имеются маленькие рачки – артемии, которые очень интересно выглядят под микроскопом. Возможности применения микроскопа практически не поддаются перечислению, и, как знать, может быть, именно Вы сможете найти что-то новое, что назовут потом Вашим именем!

Рекомендуемые товары

Другие обзоры и статьи о микроскопах, микропрепаратах и микромире:

• Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: видеосравнение фильтрованной и нефильтрованной воды (канал MAD SCIENCE, Youtube.com)
• Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: жизнь в капле воды с болота (канал MAD SCIENCE, Youtube. com)
• Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: видео радиоактивной воды (канал MAD SCIENCE, Youtube.com)
• Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: видеообзор (канал MAD SCIENCE, Youtube.com)
• Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: видео соленой воды (канал MAD SCIENCE, Youtube.com)
• Медицинские микроскопы Levenhuk MED: обзорная статья на сайте levenhuk.ru
• Видео! Портативный микроскоп Bresser National Geographic 20–40x и другие детские приборы линейки: видеообзор (канал «Татьяна Михеева», Youtube.com)
• Книги знаний издательства Levenhuk Press: подробный обзор на сайте levenhuk.ru
• Видео! Книга знаний в 2 томах. «Космос. Микромир»: видеопрезентация (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Видео! Видео бактерий под микроскопом Levenhuk Rainbow 2L PLUS (канал «Микромир под микроскопом», Youtube.ru)
• Обзор микроскопа Levenhuk Rainbow 50L PLUS на сайте levenhuk.ru
• Видео! Подробный обзор серии детских микроскопов Levenhuk LabZZ M101 (канал Kent Channel TV, Youtube. ru)
• Обзор набора оптической техники Levenhuk LabZZ MTВ3 (микроскоп, телескоп и бинокль) на сайте levenhuk.ru
• Видео! Микроскоп Levenhuk DTX 90: распаковка и видеообзор цифрового микроскопа (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Видеопрезентация увлекательной и красочной книги для детей «Невидимый мир» (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Видео! Большой обзор биологического микроскопа Levenhuk 3S NG (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Микроскопы Levenhuk Rainbow 2L PLUS
• Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow и LabZZ (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Микроскоп Levenhuk Rainbow 2L PLUS Lime\Лайм. Изучаем микромир
• Выбираем лучший детский микроскоп
• Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow 2L: видеообзор серии микроскопов (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow 2L PLUS: видеообзор серии микроскопов (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow 50L: видеообзор серии микроскопов (канал LevenhukOnline, Youtube. ru)
• Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow 50L PLUS: видеообзор серии микроскопов (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Видео! Микроскоп Levenhuk Rainbow D2L: видеообзор цифрового микроскопа (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Видео! Микроскоп Levenhuk Rainbow D50L PLUS: видеообзор цифрового микроскопа (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Обзор биологического микроскопа Levenhuk Rainbow 50L
• Видео! Видеообзор школьных микроскопов Levenhuk Rainbow 2L и 2L PLUS: лучший подарок ребенку (канал KentChannelTV, Youtube.ru)
• Видео! Как выбрать микроскоп: видеообзор для любителей микромира (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Галерея фотографий! Наборы готовых микропрепаратов Levenhuk
• Микроскопия: метод темного поля
• Видео! «Один день инфузории-туфельки»: видео снято при помощи микроскопа Levenhuk 2L NG и цифровой камеры Levenhuk (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Видео! Обзор микроскопа Levenhuk Rainbow 2L NG Azure на телеканале «Карусель» (канал LevenhukOnline, Youtube. ru)
• Обзор микроскопа Levenhuk Фиксики Файер
• Совместимость микроскопов Levenhuk с цифровыми камерами Levenhuk
• Как работает микроскоп
• Как настроить микроскоп
• Как ухаживать за микроскопом
• Типы микроскопов
• Техника приготовления микропрепаратов
• Галерея фотографий! Что можно увидеть в микроскопы Levenhuk Rainbow 50L, 50L PLUS, D50L PLUS
• Сетка или шкала. Микроскоп и возможность проведения точных измерений
• Обычные предметы под объективом микроскопа
• Насекомые под микроскопом: фото с названиями
• Инфузории под микроскопом
• Изобретение микроскопа
• Как выбрать микроскоп
• Как выглядят лейкоциты под микроскопом
• Что такое лазерный сканирующий микроскоп?
• Микроскоп люминесцентный: цена высока, но оправданна
• Микроскоп для пайки микросхем
• Иммерсионная система микроскопа
• Измерительный микроскоп
• Микроскопы от самых больших профессиональных моделей до простых детских
• Микроскоп профессиональный цифровой
• Силовой микроскоп: для серьезных исследований и развлечений
• Лечение зубов под микроскопом
• Кровь человека под микроскопом
• Галогенные лампы для микроскопов
• Французские опыты – микроскопы и развивающие наборы от Bondibon
• Наборы препаратов для микроскопа
• Юстировка микроскопа
• Микроскоп для ремонта электроники
• Операционный микроскоп: цена, возможности, сферы применения
• «Шкаловой микроскоп» – какой оптический прибор так называют?
• Бородавка под микроскопом
• Вирусы под микроскопом
• Принцип работы темнопольного микроскопа
• Покровные стекла для микроскопа – купить или нет?
• Увеличение оптического микроскопа
• Оптическая схема микроскопа
• Схема просвечивающего электронного микроскопа
• Устройство оптического микроскопа у теодолита
• Грибок под микроскопом: фото и особенности исследования
• Зачем нужна цифровая камера для микроскопа?
• Предметный столик микроскопа – что это и зачем он нужен?
• Микроскопы проходящего света
• Органоиды, обнаруженные с помощью электронного микроскопа
• Паук под микроскопом: фото и особенности изучения
• Из чего состоит микроскоп?
• Как выглядят волосы под микроскопом?
• Глаз под микроскопом: фото насекомых
• Микроскоп из веб-камеры своими руками
• Микроскопы светлого поля
• Механическая система микроскопа
• Объектив и окуляр микроскопа
• USB-микроскоп для компьютера
• Универсальный микроскоп – существует ли такой?
• Песок под микроскопом
• Муравей через микроскоп: изучаем и фотографируем
• Растительная клетка под световым микроскопом
• Цифровой промышленный микроскоп
• ДНК человека под микроскопом
• Как сделать микроскоп в домашних условиях
• Первые микроскопы
• Микроскоп стерео: купить или нет?
• Как выглядит раковая клетка под микроскопом?
• Металлографический микроскоп: купить или не стоит?
• Флуоресцентный микроскоп: цена и особенности
• Что такое «ионный микроскоп»?
• Грязь под микроскопом
• Как выглядит клещ под микроскопом
• Как выглядит червяк под микроскопом
• Как выглядят дрожжи под микроскопом
• Что можно увидеть в микроскоп?
• Зачем нужны исследовательские микроскопы?
• Бактерии под микроскопом: фото и особенности наблюдения
• На что влияет апертура объектива микроскопа?
• Аскариды под микроскопом: фото и особенности изучения
• Как использовать микропрепараты для микроскопа
• Изучаем ГОСТ: микроскопы, соответствующие стандартам
• Микроскоп инструментальный – купить или нет?
• Где купить отсчетный микроскоп и зачем он нужен?
• Атом под электронным микроскопом
• Как кусает комар под микроскопом
• Как выглядит муха под микроскопом
• Амеба: фото под микроскопом
• Подкованная блоха под микроскопом
• Вша под микроскопом
• Плесень хлеба под микроскопом
• Зубы под микроскопом: фото и особенности наблюдения
• Снежинка под микроскопом
• Бабочка под микроскопом: фото и особенности наблюдений
• Самый мощный микроскоп – как выбрать правильно?
• Рот пиявки под микроскопом
• Мошка под микроскопом: челюсти и строение тела
• Микробы на руках под микроскопом – как увидеть?
• Вода под микроскопом
• Как выглядит глист под микроскопом
• Клетка под световым микроскопом
• Клетка лука под микроскопом
• Мозги под микроскопом
• Кожа человека под микроскопом
• Кристаллы под микроскопом
• Основное преимущество световой микроскопии перед электронной
• Конфокальная флуоресцентная микроскопия
• Зондовый микроскоп
• Принцип работы сканирующего зондового микроскопа
• Почему трудно изготовить рентгеновский микроскоп?
• Макровинт и микровинт микроскопа – что это такое?
• Что такое тубус в микроскопе?
• Главная плоскость поляризатора
• На что влияет угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора?
• Назначение поляризатора и анализатора
• Метод изучения – микроскопия на практике
• Микроскопия осадка мочи: расшифровка
• Анализ «Микроскопия мазка»
• Сканирующая электронная микроскопия
• Методы световой микроскопии
• Оптическая микроскопия (световая)
• Световая, люминесцентная, электронная микроскопия – разные методы исследований
• Темнопольная микроскопия
• Фазово-контрастная микроскопия
• Поляризаторы естественного света
• Шотландский физик, придумавший поляризатор
• Механизм фокусировки в микроскопе
• Что такое полевая диафрагма?
• Микроскоп Микромед: инструкция по эксплуатации
• Микроскоп Микмед: инструкция по эксплуатации
• Где найти инструкцию микроскопа «ЛОМО»?
• Микроскопы Micros: руководство пользователя
• Какую функцию выполняют зажимы на микроскопе
• Рабочее расстояние объектива микроскопа
• Микропрепарат для микроскопа своими руками
• Метод висячей капли
• Метод раздавленной капли
• Тихоходка под микроскопом
• Аппарат Гольджи под микроскопом
• Чем занять детей дома?
• Чем заняться на карантине дома?
• Чем заняться школьникам на карантине?
• Выбираем микроскоп: отзывы имеют значение?
• Микроскоп для школьника: какой выбрать?
• Немного об оптовой закупке микроскопов и иной оптической техники
• Во сколько увеличивает лупа?
• Где купить лампу-лупу – косметологическую модель с подсветкой?
• Какую купить лампу-лупу для маникюра?
• Можно ли купить лампу-лупу для наращивания ресниц в интернет-магазине?
• Лампа-лупа косметологическая на штативе: купить домой или нет?
• Лупа бинокулярная с принадлежностями
• Как выглядит лупа для нумизмата?
• Лупа-лампа – лупа для рукоделия с подсветкой
• «Лупа на стойке» – что это за оптический прибор?
• Лупа – проектор для увеличенного изображения
• Делаем лупу своими руками
• Основные функции лупы
• Где найти лупу?
• Лупа бинокулярная – цена возможностей
• Лупа канцелярская: выбираем оптическую технику для офиса
• Как выглядит коронавирус под микроскопом?
• Как называется главная часть микроскопа?
• Где купить блоки питания для микроскопа?
• Строение объектива микроскопа
• Как выглядят продукты под микроскопом
• Что покажет музей микроминиатюр
• Особенности и применение методов окрашивания клеток

Электронный микроскоп в гараже / Хабр

Позвонил мне как-то друг и говорит: нашёл интересную штуку, нужно привезти к тебе, весит полтонны. Так у меня появилась колонна от сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-50A. Её давно списали из какого-то НИИ и вывезли в металлолом. Электронику потеряли, а вот электронно-оптическую колонну вместе с вакуумной частью удалось спасти.

До этого момента я не имел дела с подобным научным оборудованием, не говоря уже о том, чтобы уметь им пользоваться и представлять, как оно работает. Чтобы восстановить этот микроскоп хотя бы до состояния «рисуем электронным лучом на люминесцентном экране» потребуется:

• Понять основы работы электронных микроскопов
• Разобраться в том, что такое вакуум, какой он бывает
• Как измеряют вакуум, как его получают
• Как работают высоковакуумные насосы
• Минимально разобраться в химии (какие растворители использовать для очистки вакуумной камеры, какое масло использовать для смазки вакуумных деталей)
• Освоить металлообработку (токарные и фрезерные работы) для изготовления всевозможных переходников и инструментов
• Разобраться с микроконтроллерами, схемотехникой их подключения

Имея на вооружении научный метод я попробую освоить совершенно новые области, которыми никогда не занимался ранее. Приглашаю сделать это вместе со мной.

Восстановление микроскопа после как минимум десятка лет — под катом.

DISCLAIMER: Помните, безопасность превыше всего! Я не несу никакой ответственности за то, что вы случайно нанесёте вред своему здоровью или создадите чёрную дыру, используя знания из этой статьи

Интересно не просто запустить старую железяку в рабочее состояние, но и проверить, возможно ли используя научный метод освоить совершенно новые области.

Поэтому прежде, чем что-то делать, всегда полезно понять, как оно работает.

Принципы работы электронных микроскопов

Есть два типа электронных микроскопов:

Просвечивающий электронный микроскоп

ПЭМ очень похож на обычный оптический, только исследуемый образец облучается не светом (фотонами), как в оптическом микроскопе, а электронами.

Длина волны электронного луча намного меньше, чем фотонного, поэтому можно получить существенно большее разрешение.

Фокусировка и управление электронным лучом осуществляется с помощью электромагнитных или электростатических линз. Им даже присущи те же искажения (хроматические аберрации), что и оптическим линзам, хотя природа физического взаимодействия совершенно иная. Она, кстати, добавляет ещё и новых искажений (закручивание электронов в линзе вдоль оси электронного пучка, чего не происходит с фотонами в оптическом микроскопе).

У ПЭМ есть недостатки: исследуемые образцы должны быть очень тонкие, тоньше 1 микрона, что не всегда удобно в домашних условиях. Например, чтобы посмотреть свой волос на просвет, его нужно разрезать вдоль хотя бы на 50 слоёв. Это связано с тем, что проникающая способность электронного луча гораздо хуже фотонного. К тому же, ПЭМ за редким исключением достаточно громоздки. Вот этот аппарат, изображённый ниже, вроде бы и не такой большой (хотя выше человеческого роста, и имеет цельную чугунную станину), но к нему идёт ещё блок питания размером с большой шкаф, итого занимая целую комнату.

Но разрешение ПЭМ — наивысшее. С помощью него (если сильно постараться) можно увидеть отдельные атомы вещества. (Фото

отсюда

).

Особо полезно такое разрешение для идентификации возбудителя вирусного заболевания. Вся вирусная аналитика 20 века была построена на базе ПЭМ, и только с появлением более дешёвых методов диагностики популярных вирусов (напр.

ПЦР

), рутинное использование ПЭМов для этой цели уже не встречается.

Например, вот как выглядит грипп h2N1 «на просвет»: (фото отсюда)

Сканирующий электронный микроскоп

SEM применяется в основном для исследования поверхности образцов с очень высоким разрешением (увеличение в миллион крат, против 2 тысяч у оптических). А это уже гораздо полезнее в хозяйстве 🙂

К примеру, кто-то смотрит на новую зубную щётку:

В сканирующем микроскопе узко сфокусированный электронный луч «сканирует» поверхность образца точка-за-точкой, а всевозможные датчики улавливают то, что вылетает из образца после ударов электронами.

Вылетать могут:

— электроны с различными энергиями

— оптическое излучение видимого, инфракрасного, ультрафиолеотового диапазонов

— рентгеновское излучение

— неведомая хрень

Принцип работы сканирующего электронного микроскопа немного похож на работу электронно-лучевой трубки телевизора (в которой есть и глубокий вакуум, и электронная пушка, и система фокусирующих и отклоняющих линз). Вот, кстати, как он работает при съёмке 1000 кадр/с:

То же самое должно происходить и в электронно-оптической колонне микроскопа, только облучается образец, а не люминофор экрана, и изображение формируется на основе информации с датчиков (вторичных электронов, упруго-отражённых электронов, и прочих).

И кинескоп телевизора, и электронно-оптическая колонна микроскопа работают только под вакуумом.

Вдохновившись картинками, приступаем к работе.

Электронно-оптическая колонна

Электронно-оптическая колонна микроскопа — это вакуумная камера, в которой расположены:

• электронная пушка, испускающая электронный луч
• система электромагнитных линз, фокусирующих, сдвигающих, раскручивающих и перемещающих луч
• держатель для образца, с возможностью его перемещения и наклона по разным осям
• детекторы излучения различной природы — электронов, рентгеновского, светового диапазонов
• порты для подключения дополнительных устройств
• система управления вакуумом

Электронная пушка (со снятым

цилиндром Венельта

):

Управляемый предметный столик (расположен внутри колонны, доступ к нему через специальный шлюз, снаружи его расположение можно узнать по обилию ручек для перемещения и наклона)

I.

Разборка, очистка, покраска

Самое первое, что захотелось сделать — это всё основательно отмыть и покрасить поржавевшие детали. Защитные кожухи сверху и сбоку были сняты, под ними оказалось ещё больше пыли, а сталь успела местами соржаветь от действия влаги и воздуха. Хорошо, что сама колонна сделана из нержавейки и так легко не окисляется.

Вакуумная часть (под колонной) в процессе разборки выглядела как-то так:

Снимаем снизу всю вакуумную арматуру, остатки блока управления вакуумом, диффузионный насос, зачищаем и красим дно полуматовой чёрной краской, чтобы было красиво. Сверху снимаем защитные кожухи, видим тридцатилетнюю пыль, всё моем, шкурим и красим. Вот было/стало для сравнения:

Разобравшись с железяками я разблокировал антивибрационную пружинную подвеску колонны и попробовал вывесить колонну в рабочее положение (двухсантиметровый стальной лист и несколько утяжелителей обеспечивают солидность покачивания).

Все части проекта:

А также смотрите видео на моём канале.

Жду ваших комментариев и вопросов, до встречи в следующих сериях!

Что такое цифровой микроскоп? | Что такое цифровой микроскоп?

Если вы когда-либо работали в лаборатории, то знаете, что в оптическом микроскопе для увеличения мелких объектов используется окуляр и объектив. Но с развитием технологий все большую популярность набирают цифровые микроскопы.

В этом выпуске нашего блога мы расскажем о том, что из себя представляет цифровой микроскоп, как он работает, обсудим его преимущества и приведем несколько примеров использования. Ниже представлены ответы на некоторые часто задаваемые вопросы о цифровых микроскопах.

Что такое цифровой микроскоп?

Простыми словами, цифровой микроскоп — это микроскоп, в котором вместо окуляра используется цифровая камера. Цифровые микроскопы подключаются к компьютерному монитору для отображения результатов в реальном времени.

Как работает цифровой микроскоп?

В цифровом микроскопе используется оптика и цифровая камера для вывода захваченных изображений на компьютерный монитор. Они варьируются по сложности устройства от простых ручных моделей то высокотехнологичных систем, предлагающих широкий набор методов наблюдения и измерительных функций.

Многие цифровые микроскопы используют компьютерное программное обеспечение, способное выполнять расширенные задачи. Например, в некоторых версиях программного обеспечения имеются функции для записи видео, настройки изображений, редактирования видеороликов, анализа 3D изображений, выполнения измерений и создания отчетов.

Каковы преимущества использования цифрового микроскопа?

Цифровой микроскоп способен выполнять те же задачи, что и оптический микроскоп, но с некоторыми усовершенствованиями. Вот шесть примеров:

• Сотрудничество: Поскольку изображения с цифровых микроскопов выводятся на
  экран, вы сможете легко делиться данными с коллегами.
• Комфорт: Прошли те дни, когда образец нужно было часами разглядывать через
  окуляр. Теперь вы можете сидеть в комфортной для себя позе и рассматривать
  образец на дисплее монитора. Таким образом повышается эргономичность рабочей
  среды.
• Увеличение: Некоторые цифровые микроскопы имеют гораздо больший коэффициент
  увеличения, чем многие оптические микроскопы. Причина в том, что цифровые
  микроскопы учитывают размер компьютерного монитора для определения степени
  увеличения изображения. Кроме того, оптические микроскопы также определяют
  увеличение, умножая коэффициент увеличения объектива на коэффициент
  увеличения окуляра. Например, наш цифровой микроскоп DSX1000 имеет диапазон увеличения от 20Х до 7000Х с
  оптическим зумом, что позволяет более детально рассматривать образец и
  захватывать более четкие цифровые изображения, чем при использовании
  стандартного цифрового зумирования.
• Более высокое качество изображений: Цифровые микроскопы обеспечивают
  высокое качество изображения, поскольку проецируют изображение
  непосредственно на камеру. Другие функции, — такие как антиблик для уменьшения
  ореолов, расширенный динамический диапазон (HDR) для улучшения контраста и глубины
  цвета, возможность создания полностью сфокусированных изображений за
  пределами поля зрения и опции подсветки под углом, — обеспечивают большую
  текстурированность изображений, чем при наблюдении через окуляр, и
  непревзойденную гибкость для решения самых разных задач.
• Хранение изображений: Изображения, полученные с помощью цифрового
  микроскопа, можно сохранять на жестком диске компьютера или съемном
  запоминающем устройстве. Пользователи могут анализировать и использовать
  изображения для создания подробных отчетов.
• Простое управление: Цифровые микроскопы более просты в управлении, чем
  традиционные оптические микроскопы. Благодаря этому вы можете быстро и просто
  приступить к работе.

Для чего используется цифровой микроскоп?

Цифровой микроскоп является эффективным инструментом для контроля и анализа разнообразных предметов, от готовых микро изделий до крупных электронных устройств. Цифровые микроскопы используются в широком спектре отраслей: образовательной, научно-исследовательской, медицинской, криминалистической и промышленно-производственной. Вот некоторые примеры использования:

Качество имеет значение

Следует понимать, что не все цифровые микроскопы сконструированы одинаково. Чтобы получить максимум преимуществ от цифрового микроскопа, подберите модель с функциями, необходимыми в вашей конкретной области применения.

Например, цифровой микроскоп Olympus DSX1000 позволяет переключать метод наблюдения без необходимости смены объектива. Эта функция помогает сэкономить время при выполнении контроля автомобильных тормозных колодок, поскольку специалисты часто пробуют несколько методов наблюдения для выбора наиболее оптимального.

Узнайте больше о цифровом микроскопе DSX1000, чтобы подобрать модель, наиболее подходящую под ваши потребности.

См. также

Видео: Цифровой микроскоп DSX1000

Обнаружение повреждений на кромке сверла с помощью цифрового микроскопа

Как глубина резкости цифрового микроскопа влияет на контроль качества штыревых разъемов

Связаться с нами

Как работает электронный микроскоп? | Физика простыми словами

В прошлой статье мы рассмотрели принцип работы оптического микроскопа и выяснили, что предельный размер (дифракционный предел) образцов, которые мы можем увидеть в такие микроскопы составляет порядка 200 нанометров. Этот предел обусловлен величиной длины волны используемого излучения. Во второй половине прошлого века стали очевидны перспективы развития таких направлений, как микро- и наноэлектроника. В связи с этим требовалось найти методы, позволяющие увеличить разрешающую способность микроскопов.

Помним, что основные процессы, лежащие в работе любого микроскопа, использующего излучение, — это отражение, преломление и дифракция. С первыми двумя все более или менее понятно. Напомню, что такое дифракция. Простыми словами дифракцией можно называть огибание волной препятствия, если размеры этого препятствия соизмеримы с длиной волны. Для нас это означает, что в оптическом микроскопе волны с длиной волны из видимого человеческим глазом диапазона длин будут огибать (или, как говорят, дифрагировать) на исследуемом объекте.

Раз так, то очевидным шагом будет шаг в сторону уменьшения длины волны используемого излучения. Согласно известному из школьного курса физики корпускулярно-волновому дуализму электрона (проще говоря, электрон одновременно и частица, и волна) и тому факту, что длины таких волн значительно меньше видимого излучения, было предложено использование пучка электронов для изучения поверхности образцов.

Современная электронная микроскопия – это совокупность методов исследования микроструктуры (вплоть до атомно-молекулярного уровня), локального состава образцов и локализированного на их поверхностях или в микрообъемах электрических и магнитных полей с помощью электронных микроскопов. Электронный микроскоп – высоковакуумный высоковольтный прибор, в котором для получения увеличенного изображения используется сфокусированный электронный пучок. Разрешающая способность современных электронных микроскопов по крайне мере в 1000 раз превосходит разрешение современных оптических и может достигать нескольких ангстрем. Если сравнивать электронный микроскоп с оптическим, то в первом вместо светового потока используется высокоэнергетический пучок электронов. Управляют движением электронов магнитные линзы в вакууме при помощи электромагнитного поля. Наиболее часто на практике встречаются растровые (сканирующие) электронные и просвечивающие (трансмиссионные) электронные микроскопы.

В сканирующем электронном микроскопе (Scanning electron microscope – SEM) с помощью электронной пушки в результате термоэмиссии (выход электронов из металлов при высокой температуре) создаётся пучок электронов. Для накала катода, представляющего собой V- образную вольфрамовую нить, используется высокочастотный генератор. Генерируемое им напряжение позволяет получать монохроматический электронный пучок. Далее пучок электронов направляется в поле действия конденсорных линз, которые позволяют в широких пределах изменять его плотность и диаметр. В результате формируется остросфокусированный электронный зонд на поверхности образца. Обязательным условием работы такого микроскопа является высокий вакуум в камере, который достигается с помощью системы насосов.

Фото с сайта www.kvision.nl. Сканирующий электронный микроскоп Zeiss EVO-40.

Фото с сайта www.kvision.nl. Сканирующий электронный микроскоп Zeiss EVO-40.

Современный SEM имеет детекторы, позволяющие отобрать и проанализировать излучение, возникшее в процессе взаимодействия, и частицы, изменившие энергию в результате взаимодействия электронного зонда с образцом. Анализ информации, полученной с таких детекторов, позволяет говорить не только о поверхностных свойствах, но и визуализировать информацию о подповерхностной структуре.

При взаимодействии электронов зонда с веществом возникают ответные сигналы различной физической природы (отраженные и вторичные электроны, Оже-электроны, рентгеновское излучение, свет, поглощенный ток и пр.), которые используются для синхронного построения изображения на экране монитора. Разрешение, достигаемое в SEM, ограничено размером области в образце, возбуждаемой электронным зондом.

Handbook of microscopy for nanotechnology // Ed. by Nan Yao, Zhong Lin Wang. Схема сканирующего электронного микроскопа: Specimen – образец; PE – первичные электроны; OL – объективные магнитные линзы; SED – детектор вторичных электронов; BED – детектор отраженных электронов; XEDS – рентгеновский энергодисперсионный спектрометр; WDS – дисперсионный спектрометр длины волны; EBSD – детектор дифракции обратно рассеянных электронов; SE – вторичные электроны; BFD и ADFD STEM detectors – детекторы просвечивающего электронного микроскопа.

Handbook of microscopy for nanotechnology // Ed. by Nan Yao, Zhong Lin Wang. Схема сканирующего электронного микроскопа: Specimen – образец; PE – первичные электроны; OL – объективные магнитные линзы; SED – детектор вторичных электронов; BED – детектор отраженных электронов; XEDS – рентгеновский энергодисперсионный спектрометр; WDS – дисперсионный спектрометр длины волны; EBSD – детектор дифракции обратно рассеянных электронов; SE – вторичные электроны; BFD и ADFD STEM detectors – детекторы просвечивающего электронного микроскопа.

Принцип работы электронного микроскопа накладывает ограничения на исследуемые образцы. Например, диэлектрические образцы перед исследованием подвергают специальной обработке, заключающейся в напылении тонкого слоя токопроводящего материала. В качестве объектов исследования нельзя использовать магнитные образцы, так как они будут оказывать свое влияние на электронный зонд, и мелкодисперсные порошки, которые могут повредить турбомолекулярный насос. Кроме того, следует учитывать, что образец будет помещен в вакуум.

Примеры изображений, полученных с помощью электронного микроскопа:

Взято с сайта indicator. ru. Средняя кишка пчелы, изображение которой получили при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Взято с сайта indicator.ru. Средняя кишка пчелы, изображение которой получили при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Photo: Ohio State University. Изображение клеща.

Photo: Ohio State University. Изображение клеща.

А вот так выглядит пылинка на острие зонда сканирующего зондового микроскопа, о котором я расскажу в следующей статье:

Если понравилась статья, ставь лайк. Если что-то непонятно, спроси в комментариях 🙂

Электронный микроскоп. Электронная оптическая схема

https://www.microsystemy.ru/catalog/devices/item/8500-fe-sem/

Как известно, в основе нашего зрения лежит формирование изображения объекта на сетчатке глаза световыми волнами, отраженными от этого объекта. Если, прежде чем попасть в глаз, свет проходит сквозь оптическую систему микроскопа, мы видим увеличенное изображение. При этом ходом световых лучей умело управляют линзы, составляющие объектив и окуляр прибора.

Для подробного ознакомления с Сканирующий электронный микроскоп 8500 FESEM Agilent или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

 Но как же можно получить изображение объекта, причём с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц?

Ответ очень прост. Известно, что на траекторию и скорость электронов существенно влияют внешние электромагнитные поля, с помощью которых можно эффективно управлять движением электронов.

Наука о движении электронов в электромагнитных полях и о расчёте устройств, формирующих нужные поля, называется электронной оптикой. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Поэтому в электронном микроскопе устройства фоку-сировки и рассеивания электронного пучка называют “электронными линзами”.  Магнитное поле катушки действует как собирающая или рассеивающая линза. Чтобы сконцентрировать магнитное поле, катушку закрывают магнитной «броней» из специального ни-кель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор во внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10–100 тыс. раз сильнее, чем магнитное поле Земли!

К сожалению, наш глаз не может непосредственно воспринимать электронные пучки. Поэтому они используются для “рисования” изображения на люминесцентных экранах (которые светятся при попадании электронов). Кстати, тот же принцип лежит в основе работы мониторов и осцил-лографов. Существует большое количество различных типов электронных микроскопов, среди которых наиболее популярен растровый электронный микроскоп (РЭМ). Мы получим его упрощенную схему, если поместим изучаемый объект внутрь электронно-лучевой трубки обыкновенного телевизора между экраном и источником электронов. В таком микроскопе тонкий луч электронов (диаметр пучка около 10 нм) обегает (как бы сканируя) образец по горизонтальным строчкам, точку за точкой, и синхронно передает сигнал на кинескоп. Весь процесс аналогичен работе телевизора в процессе развертки. Источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого при нагревании в результате термоэлектронной эмиссии испускаются электроны.

Схема работы растрового электронного микроскопа

Термоэлектронная эмиссия – выход электронов с поверхности проводников. Число вышедших электронов мало при Т=300K и экспоненциально растет с повышением температуры.

При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие- изза столкновений с электронами атомов, а третьи проходят сквозь него. В некоторых случаях испускаются вторичные электроны, индуцируется рентгенов-ское излучение и т.п. Все эти процессы регистрируются специальными детекторами и в преобразованном виде выводятся на экран, создавая увеличенную картинку изучаемого объекта.

Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. В связи с тем, что длина волны электрона на порядки меньше, чем фотона, в современных РЭМ это увеличение может достигать 10 миллионов15, соответствуя разрешению в единицы нанометров, что позволяет визуализировать отдельные атомы.

Главный недостаток электронной микроскопии – необходимость работы в полном вакууме, ведь наличие какоголибо газа внутри камеры микроскопа может привести к ионизации его атомов и существенно исказить результаты. Кроме того, электроны оказывают разрушительное воздействие на биологические объекты, что делает их неприменимыми для исследования во многих областях биотехнологии.

История создания электронного микроскопа – замечательный пример достижения, основанного на междисциплинарном подходе, когда самостоятельно развивающиеся области науки и техники, объединившись, создали новый мощный инструмент научных исследований.

Вершиной классической физики была теория электромагнитного поля, которая объяснила распространение света, электричество и магнетизм как распространение электромагнитных волн. Волновая оптика объяснила явление дифракции, механизм формирования изображения и игру факторов, определяющих разрешение в световом микроскопе. Успехам квантовой физики мы обязаны открытием электрона с его специфическими корпускулярноволновыми свойствами. Эти отдельные и, казалось бы, независимые пути развития привели к созданию электронной оптики, одним из важнейших изобретений которой в 1930х годах стал электронный микроскоп.

Но и на этом ученые не успокоились. Длина волны электрона, ускоренного электрическим полем, составляет несколько нанометров. Это неплохо, если мы хотим увидеть молекулу или даже атомную решетку. Но как заглянуть внутрь атома? На что похожа химическая связь? Как выглядит процесс отдельной химической реакции? Для этого сегодня в разных странах ученые разрабатывают нейтронные микроскопы.

Нейтроны обычно входят в состав атомных ядер наряду с протонами и имеют почти в 2000 раз большую массу, чем электрон. Те, кто не забыл формулу де Бройля из квантовой главы,сразу сообразят, что и длина волны у нейтрона во столько же раз меньше, то есть составляет пикометры тысячные доли нанометра! Тогдато атом и предстанет исследователям не как расплывчатое пятнышко, а во всей своей красе.

Нейтронный микроскоп имеет много плюсов – в частности, нейтроны хорошо отображают атомы водорода и легко проникают в толстые слои образцов. Однако и построить его очень трудно: нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому преспокойно игнорируют магнитные и электрические поля и так и норовят ускользнуть от датчиков. К тому же не так-то просто выгнать большие неповоротливые нейтроны из атомов. Поэтому сегодня первые прототипы нейтронного микроскопа еще весьма далеки от совершенства.

Существуют три основных вида электронных микроскопов

Обычный просвечивающий электронный микроскоп (появился в 1930-х годах), растровый (сканирующий) электронный микроскоп (1950-е годы), растровый туннельный микроскоп (1980-е годы).

Электронная оптика

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется схемой (рис. 1). 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.

Обычный просвечивающий электронный микроскоп

Обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ) во многом схож со световым микроскопом. Отличие между ними в том, что для освещения образцов в ОПЭМ используется не свет, а пучок электронов. В состав обычного просвечивающего электронного микроскопа входят: 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 является нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Чтобы создавать такое поле, катод поддерживают под потенциалом порядка 100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора носит название электронного прожектора. В колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть обеспечен вакуум, так как электроны сильно рассеиваются веществом. Здесь поддерживается давление не выше чем одна миллиардная атмосферного давления.

Рассмотрим схему работы обычного просвечивающего электронного микроскопа. Ряд конденсорных линз фокусирует электронный пучок на образце. 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 ОПЭМ, от которой зависит максимально возможное разрешение микроскопа. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой аналогично тому, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100). Дополнительное увеличение промежуточных и проекционных линз лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000. Соответственно, используя современные ОПЭМ, можно получить увеличение от менее 1000 до ~1 000 000. Любопытно будет узнать, что при увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли. Объект исследования, как правило, помещают на очень мелкую сетку, вкладываемую в специальный держатель. Держатель механическим или электрическим способом плавно перемещается вверх-вниз и вправо-влево.

Для изучения нанообъектов разрешения оптических микроскопов (даже использующих ультрафиолет) явно недостаточно. В связи с этим в 1930х гг. возникла идея использовать вместо света электроны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз меньше, чем у фотонов.

Схема работы растрового электронного микроскопа

Термоэлектронная эмиссия – выход электронов с поверхности проводников. Число вышедших электронов мало при Т=300K и экспоненциально растет с повышением температуры.

При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие- из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят сквозь него. В некоторых случаях испускаются вторичные электроны, индуцируется рентгеновское излучение и т.п. Все эти процессы регистрируются специальными детекторами и в преобразованном виде выводятся на экран, создавая увеличенную картинку изучаемого объекта.

Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. В связи с тем, что длина волны электрона на порядки меньше, чем фотона, в современных РЭМ это увеличение может достигать 10 миллионов15, соответствуя разрешению в единицы нанометров, что позволяет визуализировать отдельные атомы.

Главный недостаток электронной микроскопии – необходимость работы в полном вакууме, ведь наличие какоголибо газа внутри камеры микроскопа может привести к ионизации его атомов и существенно исказить результаты. Кроме того, электроны оказывают разрушительное воздействие на биологические объекты, что делает их неприменимыми для исследования во многих областях биотехнологии.

История создания электронного микроскопа – замечательный пример достижения, основанного на междисциплинарном подходе, когда самостоятельно развивающиеся области науки и техники, объединившись, создали новый мощный инструмент научных исследований.

Вершиной классической физики была теория электромагнитного поля, которая объяснила распространение света, электричество и магнетизм как распространение электромагнитных волн. Волновая оптика объяснила явление дифракции, механизм формирования изображения и игру факторов, определяющих разрешение в световом микроскопе. Успехам квантовой физики мы обязаны открытием электрона с его специфическими корпускулярноволновыми свойствами. Эти отдельные и, казалось бы, независимые пути развития привели к созданию электронной оптики, одним из важнейших изобретений которой в 1930х годах стал электронный микроскоп.

Но и на этом ученые не успокоились. Длина волны электрона, ускоренного электрическим полем, составляет несколько нанометров. Это неплохо, если мы хотим увидеть молекулу или даже атомную решетку. Но как заглянуть внутрь атома? На что похожа химическая связь? Как выглядит процесс отдельной химической реакции? Для этого сегодня в разных странах ученые разрабатывают нейтронные микроскопы.

Нейтроны обычно входят в состав атомных ядер наряду с протонами и имеют почти в 2000 раз большую массу, чем электрон. Те, кто не забыл формулу де Бройля из квантовой главы,сразу сообразят, что и длина волны у нейтрона во столько же раз меньше, то есть составляет пикометры тысячные доли нанометра! Тогдато атом и предстанет исследователям не как расплывчатое пятнышко, а во всей своей красе.

Нейтронный микроскоп имеет много плюсов – в частности, нейтроны хорошо отображают атомы водорода и легко проникают в толстые слои образцов. Однако и построить его очень трудно: нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому преспокойно игнорируют магнитные и электрические поля и так и норовят ускользнуть от датчиков. К тому же не так-то просто выгнать большие неповоротливые нейтроны из атомов. Поэтому сегодня первые прототипы нейтронного микроскопа еще весьма далеки от совершенства.

Просвечивающие микроскопы

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) предполагает изучение тонких образцов с помощью пучка электронов, проходящих сквозь них и взаимодействующих с ними. Электроны, прошедшие сквозь образец, фокусируются на устройстве формирования изображения: флюоресцентном экране, фотопластинке или сенсоре ПЗС-камеры.

Благодаря меньшей чем у света длине волны электронов ПЭМ позволяет изучать образцы с разрешением в десятки тысяч раз превосходящим разрешение самого совершенного светооптического микроскопа. С помощью ПЭМ возможно изучение объектов даже на атомарном уровне. ПЭМ является одним из основных методов исследования в целом ряде прикладных областей: физике, биологии, материаловедении и т.д.

На относительно малых увеличениях контраст на ПЭМ возникает из-за поглощения электронов материалом исследуемого образца. На высоких увеличениях сложное взаимодействие волн формирует изображение, требующее более сложной интерпретации.

Современные ПЭМ имеют режимы работы, позволяющие изучать элементный состав образцов, ориентацию кристаллов, фазовый сдвиг электронов и т.п. Для исследований в области материаловедения, металлургии, кристаллографии, физики полупроводников созданы современные высоковольтные (до 300 кэВ) ПЭМ высокого разрешения, позволяющие в обычном режиме получать изображения атомов. С дополнительными аналитическими приставками (рентгеновские энергодисперсионные спектрометры, спектрометры потерь энергии электронов) они позволяют определять элементный состав областей менее 0.5 нм в диаметре.

Для подробного ознакомления с медицинской и исследовательской техникой основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — система образец + игла, к которым приложена разность потенциалов. Электроны из образца туннелируют на иглу, создавая туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1-1000 пА при расстояниях около 1 Å.

В процессе сканирования игла движется вдоль образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.

Ограничения на использование метода накладываются:

Во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²),

Во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей.

Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях всегда имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на объективность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике призмы будет большим преувеличением.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) может исследовать как проводящие так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает на атомарном уровне по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом и Кристофом Гербером в США. Атомно-силовой микроскоп применяется для фотографированя профиля поверхности и для изменения её рельефа, а также для манипулирования: перемещения, добавления, удаления микроэлементов на поверхности объекта

Принцип работы

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) представляет собой систему образец + игла. На малых расстояниях между двумя атомами, один на подложке, другой на острие, при расстоянии около одного ангстрема действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Величина этого усилия экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Отклонения зонда при действии близко расположенных атомов регистрируются при помощи измерителя наноперемещений, в частности используют оптические, ёмкостные или туннельные сенсоры. Добавив к этой системе устройство развёртки по осям X и Y, получают сканирующий АСМ. Принимая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, то при сканировании поверхности образца в направлении X или Y с одновременным измерением выходного аналогового сигнала по направлению Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне в системе координат XYZ, т.е. 3D виде.

Основные технические сложности при создании микроскопа:

• Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров
• Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема
• Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения
• Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема
• Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью

Преимущества и недостатки

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдо трёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150×150 микрон. Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.

Обычный АСМ не в состоянии сканировать изображения так же быстро, как это делает РЭМ. Для получения АСМ-скана, как правило, требуется несколько минут, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Достаточно медленная скорость развёртки АСМ часто приводит к появлению на изображении искажений, вызываемых тепловым дрейфом, ограничивая тем самым возможности микроскопа при точном измерении элементов сканируемого рельефа. Однако было предложено несколько быстродействующих конструкций, чтобы увеличить производительность сканирования микроскопа, включая зондовый микроскоп, который был впоследствии назван видеоАСМ (удовлетворительного качества изображения были получены на видеоАСМ с частотой телевизионной развёртки, т.е. быстрее, чем на обычном РЭМ). Для коррекции искажений от термодрейфа было также предложено несколько методов.

Изображения, полученные на АСМ, могут быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера (Lapshin, 1995), а также перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z элементами сканера, что может потребовать программной коррекции. Современные АСМ используют программное обеспечение, которое вносит исправления в реальном масштабе времени (например, особенность-ориентированное сканирование, особенность-ориентированное позиционирование, Lapshin, 2004, 2007), либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, которые практически устраняют данные проблемы. Некоторые АСМ вместо пьезотрубки используют XY и Z элементы сканера механически несвязанные друг с другом, что также позволяет исключить часть паразитных связей.

АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке.

Сканирующий электронный микроскоп

Сканирующий электронный микроскоп — прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением (менее 1 микрометра). Применение дополнительных систем позволяет получать информацию о химическом составе приповерхностных слоёв.

Принцип работы

Исследуемый образец в условиях промышленного вакуума сканируется сфокусированным электронным пучком средних энергий. В зависимости от механизма регистрирования сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электронного микроскопа: режим отражённых электронов, режим вторичных электронов, режим катодолюминесценции и т. д. Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхности образца, но и визуализировать и получать информацию о свойствах подповерхностных структур.

Разрешающая способность

Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который в свою очередь зависит от электронно-оптической системы, фокусирующей пучок. Разрешение также ограничено размером области взаимодействия электронного зонда с образцом, т. е. от материала мишени. Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами мишени, таким образом, разрешение сканирующего электронного микроскопа не настолько велико, чтобы отображать атомарные масштабы, как это возможно, например, в просвечивающем электронном микроскопе. Однако, сканирующий электронный микроскоп имеет свои преимущества, включая способность визуализировать сравнительно большую область образца, способность исследовать массивные мишени (а не только тонкие пленки), а также разнообразие аналитических методов, позволяющих измерять фундаментальные характеристики материала мишени. В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, может быть получено разрешение от десятков до единиц нанометров.

Применение

Сканирующие микроскопы применяются в первую очередь как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии. В основном это получение картинки исследуемого образца, которая может сильно меняться в зависимости от применяемого типа детектора. Эти различия позволяют делать вывод о физике поверхности, проводить исследование рельефа поверхности. Электронный микроскоп практически единственный прибор, который может дать изображение поверхности современной микросхемы или промежуточной стадии фотолитографического процесса.

Растровый просвечивающий электронный микроскоп

Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ) – это особый вид РЭМ. Он рассчитан на тонкие образцы, такие же, как и исследуемые в ОПЭМ. Схема РПЭМ отличается от схемы на рис. 3 только тем, что в ней нет детекторов, расположенных выше образца. Поскольку изображение формируется бегущим пучком (а не пучком, освещающим весь исследуемый участок образца), требуется высокоинтенсивный источник электронов, чтобы изображение можно было зарегистрировать за приемлемое время. В РПЭМ высокого разрешения используются автоэлектронные эмиттеры высокой яркости. В таком источнике электронов создается очень сильное электрическое поле (ок.  В/см) вблизи поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого диаметра. Это поле буквально вытягивает миллиарды электронов из проволочки без всякого нагрева. Яркость такого источника почти в 10 000 раз больше, чем источника с нагреваемой вольфрамовой проволокой (см. выше), а испускаемые им электроны могут быть сфокусированы в пучок диаметром менее 1 нм. Были даже получены пучки, диаметр которых близок к 0,2 нм.

Автоэлектронные источники могут работать только в условиях сверхвысокого вакуума (при давлениях ниже Па), в которых полностью отсутствуют такие загрязнения, как пары углеводородов и воды, и становится возможным получение изображений с высоким разрешением. Благодаря таким сверхчистым условиям можно исследовать процессы и явления, недоступные ЭМ с обычными вакуумными системами.

Исследования в РПЭМ проводятся на сверхтонких образцах. Электроны проходят сквозь такие образцы почти без рассеяния. Электроны, рассеянные на углы более нескольких градусов без замедления, регистрируются, попадая на кольцевой электрод, расположенный под образцом. Сигнал, снимаемый с этого электрода, сильно зависит от атомного номера атомов в той области, через которую проходят электроны, – более тяжелые атомы рассеивают больше электронов в направлении детектора, чем легкие. Если электронный пучок сфокусирован в точку диаметром менее 0,5 нм, то можно получить изображение отдельных атомов. Реально удается различать на изображении, полученном в РПЭМ, отдельные атомы с атомной массой железа (т.е. 26 и более).

Электроны, не претерпевшие рассеяния в образце, а также электроны, замедлившиеся в результате взаимодействия с образцом, проходят в отверстие кольцевого детектора. Энергетический анализатор, расположенный под этим детектором, позволяет отделить первые от вторых. Измеряя энергию, потерянную электронами при рассеянии, можно получить важную информацию об образце. Потери энергии, связанные с возбуждением рентгеновского излучения или выбиванием вторичных электронов из образца, позволяют судить о химических свойствах вещества в области, через которую проходит электронный пучок.

Для подробного ознакомления с медицинской и исследовательской техникой основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

Обзор Электронные микроскопы, устройство, строение, виды

Электронные микроскопы

Как известно, для создания изображений световой микроскоп использует поток фотонов, проходящих через образец и собирающийся системой линз. В отличие от светового микроскопа электронный для этого использует пучок ускоренных электронов. Такой пучок создаётся системой электромагнитов из электронов, выходящих из металла вследствие его высокотемпературного нагрева. Вместо стеклянных линз в электронном микроскопе используются электромагнитные поля. Хотя электроны и фотоны имеют свойства как волны, так и частицы, их длины волн различаются примерно в 1000 раз. Длина волны электрона в пучке намного короче, чем у фотона. Поэтому разрешающая способность и увеличение электронного микроскопа намного выше, чем у обычного светового. Это позволяет электронным микроскопам «увидеть» структуры объектов размером около 10^-12 м (1 пикометр).

С тех пор как был разработан первый электронный микроскоп прошло уже почти 100 лет, и современные модели способны давать увеличение до 50 млн крат, однако они все ещё работают по тому же принципу, что и 100 лет назад, и имеют связь между длиной волны электрона и разрешением. Электронные микроскопы имеют несколько ключевых особенностей в сравнении со световыми «коллегами»:

·         цена изготовления и обслуживании очень высока;

·         должны быть размещены в специальных помещениях, с отсутствием какого-либо магнитного поля;

·         объекты исследования должны находиться в вакууме;

·         в качестве объектов исследования нельзя использовать магнитные образцы;

·         в качестве объектов исследования нельзя использовать мелкодисперсные порошки, которые могут повредить насос, создающий вакуум;

·         образцы, не проводящие ток, перед исследованием подвергают специальной обработке, заключающейся в напылении тонкого слоя токопроводящего материала.

Электронные микроскопы делятся на 2 основных типа:

1. Просвечивающий (трансмиссионный)

Используется для исследования образцов, через которые могут проходить электроны. Поэтому образцы должны быть тонкими (менее 100 нанометров (10^-9 м)). Изображение создается в результате прохождения пучка электронов через образец и их взаимодействия. Современные трансмиссионные электронные микроскопы могут достичь разрешения в 50*10^-12 м (50 пикометров) с увеличением, более чем в 50 млн крат.

2. Растровый (сканирующий)

Создаёт изображения поверхности образца, при отражении от неё пучка электронов. Также от такого взаимодействия можно получить представление о составе образца. Поскольку эти микроскопы отображают только внешнюю часть образца, они обеспечивают более низкое разрешение изображения, чем просвечивающие. Однако по сравнению со световыми микроскопами, они могут обеспечить высокое качество трехмерных изображений поверхности образца.

3. Электронный цифровой микроскоп.

Оптический микроскоп, объектив которого соединен с электронной системой оцифровки изображения и вывода его на экран или программное обеспечение компьютера. Такой прибор не имеет привычных окуляров и производит прямую передачу изображения на дисплей.

Ознакомиться с ценами и купить электронные цифровые микроскопы можно в разделах: 

» Микроскопы для пайки и ремонта электроники »  

и

» Цифровые микроскопы и сканеры »

 каталога товаров.

Как работают электронные микроскопы?

Как работают электронные микроскопы? — Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 26 июля 2020 г.

Какая самая маленькая вещь из тех, что у вас когда-либо были?
видимый? Может быть, волосы, булавочная головка или пыль? Если вы поменяли глаза на
пару самых мощных микроскопов в мире, вы сможете увидеть
вещи в 100 миллионов раз меньше: бактерии, вирусы, молекулы — даже
атомы в кристаллах были бы вам хорошо видны!

Обычные оптические микроскопы (световые микроскопы), подобные тем, которые вы найдете в школе
lab, далеко не достаточно хороши, чтобы рассмотреть вещи в таких деталях.Это
требуется гораздо более мощный электронный микроскоп — с использованием лучей
электроны вместо лучей света — чтобы увести нас в
наноразмеры. Возьмем
присмотритесь к электронным микроскопам и принципам их работы!

Фото: Электронный микроскоп в Аргонне.
Национальная лаборатория
может создавать изображения в 1000 раз резче, чем любой обычный оптический
(световой) микроскоп.
Предоставлено Министерством энергетики США.

Зрение электронами

Фото: Внутри атома: электроны — частицы
в оболочках (орбиталях) вокруг ядра (центра).

Мы можем видеть объекты в мире вокруг нас, потому что
световые лучи (либо от Солнца, либо от другого источника света, например
настольная лампа) отражаются от них в наши глаза. На самом деле никто не знает
что такое свет, но ученые пришли к выводу, что это
имеет своего рода раздвоение личности. Им нравится называть это
дуальность волна-частица , но основная идея
проще, чем кажется. Иногда свет ведет себя как поезд
волн — подобно волнам, бегущим по морю.В других случаях это
больше похоже на
устойчивый поток частиц — бомбардировка микроскопическими пушечными ядрами, если
тебе нравится. Вы можете прочитать эти слова на экране компьютера, потому что
легкие частицы выходят из дисплея
в твои глаза в
этакий массовый, горизонтальный град! Мы называем этих людей
частицы света фотонов : каждая из них
крошечный пакет электромагнитной энергии.

Видеть фотонами — это хорошо, если вы хотите смотреть на
вещи, которые намного больше, чем атомы. Но если вы хотите увидеть вещи
фотоны меньшего размера оказываются довольно неуклюжими и бесполезными.Только представьте, если бы вы были мастером резьбы по дереву, известным во всем мире
мебель, которую вы сделали с тонкой резьбой. Чтобы вырезать такие мелкие детали,
вам понадобятся маленькие, острые, точные инструменты меньшего размера
чем узоры, которые вы хотели сделать. Если бы у вас были только кувалда и
лопатой, вырезать замысловатую мебель было бы невозможно. Основное правило
в том, что инструменты, которые вы используете, должны быть меньше, чем то, что вы
используя их.

То же самое и с наукой. Самое маленькое, что можно увидеть в микроскоп
определяется (частично) светом, который проходит через него.Обычный световой микроскоп
использует фотоны света, которые эквивалентны волнам с длиной волны
примерно 400–700 нанометров.
Это нормально для изучения чего-то вроде человеческого волоса,
В 100 раз больше (50 000–100 000 нанометров в диаметре).
Но как насчет бактерий размером 200 нанометров?
или белок длиной всего 10 нанометров?
Если вы хотите видеть мелкие детали, которые «меньше света»
(меньше длины волны фотонов), нужно использовать частицы
которые имеют даже более короткую длину волны, чем фотоны: в других
Словом, нужно использовать электронов .Как вы, наверное, знаете, электроны — это мельчайшие заряженные частицы, которые
занимают внешние области атомов. (Это также частицы, которые
переносить электричество по цепям.)
в электронном микроскопе поток электронов заменяет луч света.
Электрон имеет эквивалентную длину волны чуть более 1 нанометра, что
позволяет нам видеть вещи меньше, чем сам свет
(меньше длины волны фотонов света).

Рекламные ссылки

Как работают электронные микроскопы

Если вы когда-либо использовали обычный микроскоп, вы
знайте, что основная идея проста.Внизу есть свет, который
светит вверх через тонкий срез образца. Вы смотрите сквозь
окуляр и мощный объектив, чтобы видеть значительно увеличенное
изображение образца (обычно в 10–200 раз больше). Здесь
по сути, четыре важные части обычного микроскопа:

1. Источник света.
2. Экземпляр.
3. Линзы, которые увеличивают образец.
4. Увеличенное изображение образца, который вы видите.

В электронном микроскопе эти четыре вещи
немного отличается.

1. Источник света заменен лучом
   очень быстро движущиеся электроны.
2. Образец обычно должен быть специально
   подготовлены и удерживаются внутри вакуумной камеры, из которой воздух
   был откачан (потому что электроны не очень далеко перемещаются в воздухе).
3. Линзы заменены серией
   электромагниты в форме катушек, через которые проходит электронный луч.
   В обычном микроскопе стеклянные линзы изгибают (или преломляют)
   световые лучи, проходящие через них, производят увеличение.В
   В электронном микроскопе катушки изгибают электронные лучи таким же образом.
4. Изображение сформировано в виде фотографии (называемой электронным
   микрофотография ) или в виде изображения на телевизоре
   экран.

Это основная общая идея электронного микроскопа. Но есть
на самом деле довольно много разных типов электронов
микроскопы, и все они работают по-разному. Три самых
знакомые типы называются просвечивающими электронными микроскопами (ПЭМ), сканирующими
электронные микроскопы (СЭМ) и сканирующие туннельные микроскопы
(СТМ).

Фото: 1) Изучение образца с помощью просвечивающего электронного микроскопа.
Электронная пушка находится в высокой серой трубке вверху.
Предоставлено НАСА
Исследовательский центр Гленна. 2) Типичный растровый электронный микроскоп.
Основное оборудование микроскопа находится на крайнем левом углу.
Вы можете увидеть изображение на двух экранах.
Предоставлено НАСА
Исследовательский центр Лэнгли.

Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ)

ТЕМ имеет много общего с обычным оптическим
микроскоп.Вы должны подготовить тонкий срез образца достаточно
осторожно (это довольно трудоемкий процесс) и посидите в вакууме
камера в середине машины. Когда вы это сделаете, вы выстрелите
пучок электронов через образец из гигантской электронной пушки
на вершине. В пистолете используются электромагнитные катушки и высокое напряжение.
(обычно от 50 000 до нескольких миллионов вольт) для ускорения
электроны до очень высоких скоростей. Благодаря нашему старому другу волна-частица
двойственность, электроны (которые мы обычно
воспринимаются как частицы) могут вести себя как волны (как волны света
могут вести себя как частицы).Чем быстрее они движутся, тем меньше
волны, которые они образуют, и тем более детализированными изображениями они появляются. Имея
достигнув максимальной скорости, электроны проникают сквозь образец и выходят наружу.
с другой стороны, где больше катушек фокусируют их, чтобы сформировать изображение на
экран (для немедленного просмотра) или на фотопластинке (для изготовления
постоянная запись изображения). ПЭМ — самые мощные электронные
микроскопы: мы можем использовать их, чтобы видеть вещи всего на 1 нанометр в
размер, поэтому они эффективно увеличиваются в миллион раз и более.

Как работает просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)

Просвечивающий электронный микроскоп испускает пучок электронов с по на образец для получения увеличенного изображения.
изображение объекта.

1. Катод питается от источника высокого напряжения.
2. Катод представляет собой нагретую нить накала, немного похожую на электронную пушку в старомодном телевизоре с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Он генерирует луч
   электронов, который работает аналогично лучу света в оптическом микроскопе.
3. Электромагнитная катушка (первая линза) концентрирует электроны в более мощный луч.
4. Другая электромагнитная катушка (вторая линза) фокусирует луч на определенную часть образца.
5. Образец помещается на медную сетку в середине основной трубки микроскопа. Луч проходит через образец и «улавливает»
   изображение этого.
6. Линза проектора (третья линза) увеличивает изображение.
7. Изображение становится видимым, когда электронный луч попадает на флуоресцентный экран в основании устройства.Это аналогично
   люминофорный экран перед старомодным телевизором.
8. Изображение можно просматривать напрямую (через портал просмотра), в бинокль сбоку или на телеэкран
   прикреплен к усилителю изображения (что облегчает просмотр слабых изображений).

Сканирующие электронные микроскопы (СЭМ)

Большинство забавных изображений, полученных с помощью электронного микроскопа,
увидеть в книгах такие вещи, как осы, держащие микрочипы в своих
рты — сделаны не с помощью просвечивающего электронного микроскопа, а с помощью сканирующих электронных микроскопов.
(SEM), которые предназначены для получения изображений поверхностей
из
крошечные объекты.Как и в ПЭМ, вершина ПЭМ — это мощный
электронная пушка, которая стреляет электронным лучом в образец. А
ряд электромагнитных катушек тянут луч вперед и назад,
сканирование медленно и систематически по поверхности образца.
Вместо того, чтобы проходить через образец, электронный луч
эффективно отскакивает прямо от него. Отраженные электроны
от образца (так называемые вторичные электроны) направлены на
экран, похожий на экран электронно-лучевого телевизора,
где они создают телевизионную картинку.SEM обычно около 10
в разы менее мощные, чем ТЕА (поэтому мы можем использовать их, чтобы узнать о
Размером 10 нанометров). С другой стороны, они создают очень четкое 3D-изображение.
изображения (по сравнению с плоскими изображениями, полученными с помощью ПЭМ) и их
образцы требуют меньше подготовки.

Фото: типичные изображения, полученные с помощью SEM.
1) Искусственно окрашенная микрофотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа, на которой видна сальмонелла.
typhimurium (красный), проникающий в культивируемые клетки человека.
2) Сканирующая электронная микрофотография бактерий Escherichia coli.
(Э.coli). Фотографии любезно предоставлены лабораторией Rocky Mountain Laboratories,
Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний США (NIAID),
и Национальный институт здоровья США.

Как работает растровый электронный микроскоп (СЭМ)

Сканирующий электронный микроскоп сканирует пучок электронов поверх образца для получения увеличенного изображения.
изображение объекта. Это полностью отличается от ПЭМ, где пучок электронов проходит сквозь образец.

1. Электроны стреляют в машину.
2. Основная часть машины (где сканируется объект) находится внутри герметичной вакуумной камеры, потому что точные электронные лучи не могут эффективно проходить через воздух.
3. Положительно заряженный электрод (анод) притягивает электроны и ускоряет их в энергетический пучок.
4. Электромагнитная катушка очень точно фокусирует электронный луч, как линза.
5. Другая катушка, расположенная ниже, направляет электронный луч из стороны в сторону.
6. Луч систематически сканирует просматриваемый объект.
7. Электроны от луча ударяются о поверхность объекта и отскакивают от нее.
8. Детектор регистрирует эти рассеянные электроны и превращает их в картинку.
9. Сильно увеличенное изображение объекта отображается на экране телевизора.

Сканирующие туннельные микроскопы (СТМ)

Фото: СТМ-изображение атомов на поверхности
солнечная батарея.
Любезно предоставлено США
Министерство энергетики / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL).

Среди новейших электронных микроскопов СТМ были
изобретен Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. В отличие от ПЭМ, которые производят изображения
внутренности материалов и SEM, которые показывают трехмерные поверхности, STM
предназначен для получения подробных изображений атомов или молекул на
поверхность чего-то вроде кристалла. Они работают иначе, чем ТЕА
и SEM тоже: у них есть чрезвычайно острый металлический зонд, который сканирует
вперед и назад по поверхности образца. При этом
электроны пытаются вывернуться из образца и перепрыгнуть через зазор,
в зонд с помощью необычного квантового явления, называемого «туннелирование».»Чем ближе зонд к
поверхность, тем легче электронам туннелировать в нее, тем
больше электронов улетает, и тем больше туннельный ток. В
микроскоп постоянно перемещает зонд вверх или вниз с помощью крошечных
суммы, чтобы поддерживать постоянный туннельный ток. Записывая, как
зонд должен двигаться, он эффективно измеряет пики и
впадины на поверхности образца. Компьютер превращает эту информацию
в карту образца, которая показывает его подробные
атомная структура. Один большой недостаток обычных электронных микроскопов
в том, что они создают удивительные детали, используя пучки электронов высокой энергии,
которые имеют тенденцию повреждать объекты, которые они изображают.СТМ избегают этого
проблема с использованием гораздо более низких энергий.

Иллюстрация: Как работает СТМ: 1) Образец (синий) запечатан внутри вакуумной камеры. 2) Камера охлаждается
вплоть до почти абсолютного нуля с помощью криогенного источника, такого как холодильник с жидким гелием.
3) Насос создает в камере очень высокий вакуум. 4) Сканируемый образец служит одним электродом.
5) Наконечник зонда, расположенный на невероятно маленьком расстоянии выше, служит другим электродом. Два электрода
могут сканироваться друг за другом с помощью привода, который движется в трех измерениях.6) Туннельный ток на выходе зонда анализируется измерительным устройством. 7) Результаты могут отображаться на экране или плоттере,
показывая (в данном случае) узор атомов на поверхности образца. Рисунок (значительно упрощенный!), Основанный на устройстве STM, описанном в патенте США 4343993: Сканирующий туннельный микроскоп Герда Биннига и Генриха Рорера, IBM Corporation,
запатентовано 10 августа 1982 г.

Атомно-силовые микроскопы (АСМ)

Если вы считаете СТМ удивительными, то АСМ (атомно-силовые микроскопы), также изобретенные Гердом Биннигом, даже лучше!
Одним из больших недостатков СТМ является то, что они полагаются на электрические токи.
(потоки электронов) проходят через материалы, поэтому они могут создавать изображения только проводников.AFM не страдают от этой проблемы, потому что, хотя они и используют туннелирование, они не
полагаться на ток, протекающий между образцом и проблемой, поэтому мы можем использовать их для создания изображений в атомном масштабе таких материалов, как пластмассы, которые не проводят электричество.

АСМ — это микроскоп с маленькой ручкой, называемой кантилевером, с острием на конце.
который сканирует поверхность образца. Когда наконечник скользит по поверхности, сила между атомами, из которых он сделан
и атомы на поверхности постоянно меняются, заставляя кантилевер изгибаться на незначительные величины.Степень изгиба кантилевера определяется отражением лазерного луча от его поверхности.
Измеряя, как далеко проходит лазерный луч, мы можем измерить, насколько кантилевер изгибается и силы
действуя в соответствии с ним от момента к моменту, и эту информацию можно использовать для выяснения и построения графика
контуры поверхности. Другие версии АСМ (например, показанная здесь) создают изображение, измеряя ток, который «туннелирует» между сканирующим зондом и туннельным зондом, установленным сразу за ним.
АСМ могут создавать изображения вещей на атомном уровне, а также их можно использовать для манипулирования отдельными атомами и
молекулы — одна из ключевых идей нанотехнологии.

Изображение: как работал оригинальный AFM Герда Биннига — значительно упрощено.
Сканируемый образец (1) установлен на приводном механизме (2), который может перемещать его в трех измерениях. Для предотвращения нежелательных вибраций этот механизм закреплен на резиновой подушке (3), установленной на прочном алюминиевом основании (4), которое дополнительно смягчается несколькими слоями алюминиевых пластин и резиновых прокладок (не показаны). Для создания изображения образец медленно перемещается вокруг четкой фиксированной точки изображения (5), которая установлена ​​на пружинном кантилевере из тонкой золотой фольги (6), прикрепленном к
пьезоэлектрический кристалл (7) и закреплен на том же алюминиевом основании.На другом конце устройства туннельный зонд (8) перемещается очень близко (с точностью до 0,3 нм) к кантилеверу пружины с помощью второго приводного механизма (9), изолированного другой резиновой подушкой (10). По мере того как образец (1) перемещается вокруг точки визуализации (5), ток, проходящий между пружинным кантилевером (6) и туннельным наконечником (8), постоянно измеряется. Эти измерения преобразуются в данные, которые можно использовать для построения подробной карты поверхности образца.
На основе оригинального рисунка из патента США 4724318 Герда Биннига: атомно-силовой микроскоп и метод построения изображений поверхностей с атомным разрешением.

Кто изобрел электронные микроскопы?

Вот краткая история ключевых моментов электронной микроскопии — до сих пор!

• 1924: французский физик Луи де Бройль
  (1892–1987) понимает, что электронные пучки имеют волнообразную природу, как и
  зажечь. Пять лет спустя за эту работу он получает Нобелевскую премию по физике.
• 1931: немецкие ученые Макс Нолл
  (1897–1969) и его ученик Эрнст Руска (1906–1988) построили первый
  экспериментальный ПЭМ в Берлине.
• 1933: Эрнст Руска создает первый электронный микроскоп,
  мощнее оптического микроскопа.
• 1935: Max Knoll строит первый неочищенный SEM.
• 1935: Работа в Университете Торонто, James Hillier и Albert Prebus , основанные на работе Ruska по производству первого коммерчески успешного ТЕА для RCA в Северной Америке.
• 1941: Немецкие инженеры-электрики Манфред фон Арденне и Бодо фон Боррис патентуют «электронный сканирующий микроскоп» (SEM).
• 1965: Cambridge Instrument Company
  производит первый коммерческий SEM в Англии.
• 1981: Герд Бинниг (1947–) и Генрих Рорер (1933–) из Цюрихской исследовательской лаборатории IBM изобрели
  СТМ и производят детальные изображения атомов на поверхности кристалла золота.
• 1985: Бинниг и его коллега Кристоф Гербер создают первый атомно-силовой микроскоп (АСМ)
  прикрепив бриллиант к кусочку золотой фольги.
• 1986: Бинниг и Рорер делят Нобелевскую премию по физике с первым пионером
  электронные микроскопы, Ernst Ruska.
• 1989: Первый коммерческий AFM произведен на Sang-il Park (основатель Park Systems в Пало-Альто, Калифорния).

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

Сайты

Для младших читателей

• Bugscope: Электронная микроскопия для школ.

Для читателей постарше

• Mic-UK: Веб-сайт для энтузиастов микроскопов, включая отличную страницу, посвященную микроскопии, под названием «Самая маленькая страница в Интернете».
• Эрнст Руска: Мемориальный комплекс, посвященный жизни и деятельности пионера электронного микроскопа (на немецком и английском языках).
• Жизнь сквозь линзу: история усилий Эрнста Руска по созданию электронного микроскопа.

Фотографии с электронного микроскопа

• FEI: Галерея изображений электронного микроскопа: FEI — ведущий производитель электронных микроскопов, и на его веб-сайте есть галерея потрясающих фотографий, сделанных с его оптическими прицелами!
• Flickr: Сканирующая электронная микроскопия: Группа Flickr, состоящая из нескольких сотен изображений, полученных с помощью SEM.Некоторые из них защищены авторским правом, другие публикуются под различными лицензиями Creative Commons, что позволяет вам повторно использовать их при определенных условиях.

Видео

• Атомно-силовой микроскоп (АСМ) в действии !: Отличное небольшое видео, показывающее кантилевер и наконечник атомно-силового микроскопа (АСМ) в действии. Обратите внимание на зеленую шкалу линейки слева, которая показывает вам
  масштаб, в котором мы работаем при увеличении и уменьшении масштаба.

Книги

Легкое чтение

• Небеса и Земля: невидимые невооруженным глазом:
  Дэвид Малин, Кэтрин Руку.Phaidon Press, 2007. Множество потрясающих фотографий очень больших и очень маленьких в
  эта превосходная книга журнального столика.
• Cool Stuff и как это работает:
  Крис Вудфорд и др. Дорлинг Киндерсли, 2005. Одна из моих собственных книг, она объясняет всевозможные предметы повседневного обихода.
  с потрясающей фотографией (и немало электронных микрофотографий).
• Cool Stuff 2.0 (Книга гаджетов):
  Крис Вудфорд и Джон Вудкок. Дорлинг Киндерсли, 2007. Продолжение Cool Stuff с более потрясающими фотографиями (и еще несколькими электронными микрофотографиями).

Более подробная техническая информация

История

• Эволюция микроскопа С. Брэдбери.
  Elsevier, 2014. Переиздание книги 1967 года. Ранняя история, очевидно, все еще применима, но последняя глава об электронных микроскопах теперь немного устарела.

Статьи

Патенты

Патентный поиск — хороший способ найти более подробные технические детали и чертежи. Вот несколько ключевых патентов для начинающих:

• Патент США 2234281: Экранированный электронный микроскоп Эрнста Руска, поданный 4 февраля 1939 г.Это один из усовершенствованных микроскопов Ruska конца 1930-х годов. Многочисленные более ранние патенты охватывают его различные усовершенствования электронных ламп и его систем для отклонения катодных лучей и отклонения электронных лучей с помощью электрических и магнитных полей.
• Патент США 3,191,028: Электронный сканирующий микроскоп.
  Manfred Von Ardenne и Bodo von Borries, запатентовано 13 мая 1941 года. Я думаю, что это оригинальный патент на SEM, основанный на более ранней работе Ruska и Knoll.
• Патент США 3,191,028: Растровый электронный микроскоп.
  Альберта В.Крю, Комиссия по атомной энергии США, запатентована 22 июня 1965 года. СЭМ с большим увеличением и разрешением, созданный в середине 1960-х годов. Это гораздо более подробное описание, чем в патенте Арденн, с некоторыми отличными техническими чертежами.
• Патент США 4343993: Сканирующий туннельный микроскоп Герда Биннига и Генриха Рорера, корпорация IBM, запатентован 10 августа 1982 года. Оригинальный патент Биннига и Рорера на STM.
• Патент США 4724318: Атомно-силовой микроскоп и метод построения изображений поверхностей с атомным разрешением Герда Биннига, корпорация IBM, запатентован 9 февраля 1988 г.Прекрасное техническое описание новаторского (и получившего Нобелевскую премию) AFM Биннига.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2007, 2020.Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2007/2020) Электронные микроскопы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/electronmicroscopes.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Как работают электронные микроскопы?

Как работают электронные микроскопы? — Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 26 июля 2020 г.

Какая самая маленькая вещь из тех, что у вас когда-либо были?
видимый? Может быть, волосы, булавочная головка или пыль? Если вы поменяли глаза на
пару самых мощных микроскопов в мире, вы сможете увидеть
вещи в 100 миллионов раз меньше: бактерии, вирусы, молекулы — даже
атомы в кристаллах были бы вам хорошо видны!

Обычные оптические микроскопы (световые микроскопы), подобные тем, которые вы найдете в школе
lab, далеко не достаточно хороши, чтобы рассмотреть вещи в таких деталях.Это
требуется гораздо более мощный электронный микроскоп — с использованием лучей
электроны вместо лучей света — чтобы увести нас в
наноразмеры. Возьмем
присмотритесь к электронным микроскопам и принципам их работы!

Фото: Электронный микроскоп в Аргонне.
Национальная лаборатория
может создавать изображения в 1000 раз резче, чем любой обычный оптический
(световой) микроскоп.
Предоставлено Министерством энергетики США.

Зрение электронами

Фото: Внутри атома: электроны — частицы
в оболочках (орбиталях) вокруг ядра (центра).

Мы можем видеть объекты в мире вокруг нас, потому что
световые лучи (либо от Солнца, либо от другого источника света, например
настольная лампа) отражаются от них в наши глаза. На самом деле никто не знает
что такое свет, но ученые пришли к выводу, что это
имеет своего рода раздвоение личности. Им нравится называть это
дуальность волна-частица , но основная идея
проще, чем кажется. Иногда свет ведет себя как поезд
волн — подобно волнам, бегущим по морю.В других случаях это
больше похоже на
устойчивый поток частиц — бомбардировка микроскопическими пушечными ядрами, если
тебе нравится. Вы можете прочитать эти слова на экране компьютера, потому что
легкие частицы выходят из дисплея
в твои глаза в
этакий массовый, горизонтальный град! Мы называем этих людей
частицы света фотонов : каждая из них
крошечный пакет электромагнитной энергии.

Видеть фотонами — это хорошо, если вы хотите смотреть на
вещи, которые намного больше, чем атомы. Но если вы хотите увидеть вещи
фотоны меньшего размера оказываются довольно неуклюжими и бесполезными.Только представьте, если бы вы были мастером резьбы по дереву, известным во всем мире
мебель, которую вы сделали с тонкой резьбой. Чтобы вырезать такие мелкие детали,
вам понадобятся маленькие, острые, точные инструменты меньшего размера
чем узоры, которые вы хотели сделать. Если бы у вас были только кувалда и
лопатой, вырезать замысловатую мебель было бы невозможно. Основное правило
в том, что инструменты, которые вы используете, должны быть меньше, чем то, что вы
используя их.

То же самое и с наукой. Самое маленькое, что можно увидеть в микроскоп
определяется (частично) светом, который проходит через него.Обычный световой микроскоп
использует фотоны света, которые эквивалентны волнам с длиной волны
примерно 400–700 нанометров.
Это нормально для изучения чего-то вроде человеческого волоса,
В 100 раз больше (50 000–100 000 нанометров в диаметре).
Но как насчет бактерий размером 200 нанометров?
или белок длиной всего 10 нанометров?
Если вы хотите видеть мелкие детали, которые «меньше света»
(меньше длины волны фотонов), нужно использовать частицы
которые имеют даже более короткую длину волны, чем фотоны: в других
Словом, нужно использовать электронов .Как вы, наверное, знаете, электроны — это мельчайшие заряженные частицы, которые
занимают внешние области атомов. (Это также частицы, которые
переносить электричество по цепям.)
в электронном микроскопе поток электронов заменяет луч света.
Электрон имеет эквивалентную длину волны чуть более 1 нанометра, что
позволяет нам видеть вещи меньше, чем сам свет
(меньше длины волны фотонов света).

Рекламные ссылки

Как работают электронные микроскопы

Если вы когда-либо использовали обычный микроскоп, вы
знайте, что основная идея проста.Внизу есть свет, который
светит вверх через тонкий срез образца. Вы смотрите сквозь
окуляр и мощный объектив, чтобы видеть значительно увеличенное
изображение образца (обычно в 10–200 раз больше). Здесь
по сути, четыре важные части обычного микроскопа:

1. Источник света.
2. Экземпляр.
3. Линзы, которые увеличивают образец.
4. Увеличенное изображение образца, который вы видите.

В электронном микроскопе эти четыре вещи
немного отличается.

1. Источник света заменен лучом
   очень быстро движущиеся электроны.
2. Образец обычно должен быть специально
   подготовлены и удерживаются внутри вакуумной камеры, из которой воздух
   был откачан (потому что электроны не очень далеко перемещаются в воздухе).
3. Линзы заменены серией
   электромагниты в форме катушек, через которые проходит электронный луч.
   В обычном микроскопе стеклянные линзы изгибают (или преломляют)
   световые лучи, проходящие через них, производят увеличение.В
   В электронном микроскопе катушки изгибают электронные лучи таким же образом.
4. Изображение сформировано в виде фотографии (называемой электронным
   микрофотография ) или в виде изображения на телевизоре
   экран.

Это основная общая идея электронного микроскопа. Но есть
на самом деле довольно много разных типов электронов
микроскопы, и все они работают по-разному. Три самых
знакомые типы называются просвечивающими электронными микроскопами (ПЭМ), сканирующими
электронные микроскопы (СЭМ) и сканирующие туннельные микроскопы
(СТМ).

Фото: 1) Изучение образца с помощью просвечивающего электронного микроскопа.
Электронная пушка находится в высокой серой трубке вверху.
Предоставлено НАСА
Исследовательский центр Гленна. 2) Типичный растровый электронный микроскоп.
Основное оборудование микроскопа находится на крайнем левом углу.
Вы можете увидеть изображение на двух экранах.
Предоставлено НАСА
Исследовательский центр Лэнгли.

Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ)

ТЕМ имеет много общего с обычным оптическим
микроскоп.Вы должны подготовить тонкий срез образца достаточно
осторожно (это довольно трудоемкий процесс) и посидите в вакууме
камера в середине машины. Когда вы это сделаете, вы выстрелите
пучок электронов через образец из гигантской электронной пушки
на вершине. В пистолете используются электромагнитные катушки и высокое напряжение.
(обычно от 50 000 до нескольких миллионов вольт) для ускорения
электроны до очень высоких скоростей. Благодаря нашему старому другу волна-частица
двойственность, электроны (которые мы обычно
воспринимаются как частицы) могут вести себя как волны (как волны света
могут вести себя как частицы).Чем быстрее они движутся, тем меньше
волны, которые они образуют, и тем более детализированными изображениями они появляются. Имея
достигнув максимальной скорости, электроны проникают сквозь образец и выходят наружу.
с другой стороны, где больше катушек фокусируют их, чтобы сформировать изображение на
экран (для немедленного просмотра) или на фотопластинке (для изготовления
постоянная запись изображения). ПЭМ — самые мощные электронные
микроскопы: мы можем использовать их, чтобы видеть вещи всего на 1 нанометр в
размер, поэтому они эффективно увеличиваются в миллион раз и более.

Как работает просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)

Просвечивающий электронный микроскоп испускает пучок электронов с по на образец для получения увеличенного изображения.
изображение объекта.

1. Катод питается от источника высокого напряжения.
2. Катод представляет собой нагретую нить накала, немного похожую на электронную пушку в старомодном телевизоре с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Он генерирует луч
   электронов, который работает аналогично лучу света в оптическом микроскопе.
3. Электромагнитная катушка (первая линза) концентрирует электроны в более мощный луч.
4. Другая электромагнитная катушка (вторая линза) фокусирует луч на определенную часть образца.
5. Образец помещается на медную сетку в середине основной трубки микроскопа. Луч проходит через образец и «улавливает»
   изображение этого.
6. Линза проектора (третья линза) увеличивает изображение.
7. Изображение становится видимым, когда электронный луч попадает на флуоресцентный экран в основании устройства.Это аналогично
   люминофорный экран перед старомодным телевизором.
8. Изображение можно просматривать напрямую (через портал просмотра), в бинокль сбоку или на телеэкран
   прикреплен к усилителю изображения (что облегчает просмотр слабых изображений).

Сканирующие электронные микроскопы (СЭМ)

Большинство забавных изображений, полученных с помощью электронного микроскопа,
увидеть в книгах такие вещи, как осы, держащие микрочипы в своих
рты — сделаны не с помощью просвечивающего электронного микроскопа, а с помощью сканирующих электронных микроскопов.
(SEM), которые предназначены для получения изображений поверхностей
из
крошечные объекты.Как и в ПЭМ, вершина ПЭМ — это мощный
электронная пушка, которая стреляет электронным лучом в образец. А
ряд электромагнитных катушек тянут луч вперед и назад,
сканирование медленно и систематически по поверхности образца.
Вместо того, чтобы проходить через образец, электронный луч
эффективно отскакивает прямо от него. Отраженные электроны
от образца (так называемые вторичные электроны) направлены на
экран, похожий на экран электронно-лучевого телевизора,
где они создают телевизионную картинку.SEM обычно около 10
в разы менее мощные, чем ТЕА (поэтому мы можем использовать их, чтобы узнать о
Размером 10 нанометров). С другой стороны, они создают очень четкое 3D-изображение.
изображения (по сравнению с плоскими изображениями, полученными с помощью ПЭМ) и их
образцы требуют меньше подготовки.

Фото: типичные изображения, полученные с помощью SEM.
1) Искусственно окрашенная микрофотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа, на которой видна сальмонелла.
typhimurium (красный), проникающий в культивируемые клетки человека.
2) Сканирующая электронная микрофотография бактерий Escherichia coli.
(Э.coli). Фотографии любезно предоставлены лабораторией Rocky Mountain Laboratories,
Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний США (NIAID),
и Национальный институт здоровья США.

Как работает растровый электронный микроскоп (СЭМ)

Сканирующий электронный микроскоп сканирует пучок электронов поверх образца для получения увеличенного изображения.
изображение объекта. Это полностью отличается от ПЭМ, где пучок электронов проходит сквозь образец.

1. Электроны стреляют в машину.
2. Основная часть машины (где сканируется объект) находится внутри герметичной вакуумной камеры, потому что точные электронные лучи не могут эффективно проходить через воздух.
3. Положительно заряженный электрод (анод) притягивает электроны и ускоряет их в энергетический пучок.
4. Электромагнитная катушка очень точно фокусирует электронный луч, как линза.
5. Другая катушка, расположенная ниже, направляет электронный луч из стороны в сторону.
6. Луч систематически сканирует просматриваемый объект.
7. Электроны от луча ударяются о поверхность объекта и отскакивают от нее.
8. Детектор регистрирует эти рассеянные электроны и превращает их в картинку.
9. Сильно увеличенное изображение объекта отображается на экране телевизора.

Сканирующие туннельные микроскопы (СТМ)

Фото: СТМ-изображение атомов на поверхности
солнечная батарея.
Любезно предоставлено США
Министерство энергетики / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL).

Среди новейших электронных микроскопов СТМ были
изобретен Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. В отличие от ПЭМ, которые производят изображения
внутренности материалов и SEM, которые показывают трехмерные поверхности, STM
предназначен для получения подробных изображений атомов или молекул на
поверхность чего-то вроде кристалла. Они работают иначе, чем ТЕА
и SEM тоже: у них есть чрезвычайно острый металлический зонд, который сканирует
вперед и назад по поверхности образца. При этом
электроны пытаются вывернуться из образца и перепрыгнуть через зазор,
в зонд с помощью необычного квантового явления, называемого «туннелирование».»Чем ближе зонд к
поверхность, тем легче электронам туннелировать в нее, тем
больше электронов улетает, и тем больше туннельный ток. В
микроскоп постоянно перемещает зонд вверх или вниз с помощью крошечных
суммы, чтобы поддерживать постоянный туннельный ток. Записывая, как
зонд должен двигаться, он эффективно измеряет пики и
впадины на поверхности образца. Компьютер превращает эту информацию
в карту образца, которая показывает его подробные
атомная структура. Один большой недостаток обычных электронных микроскопов
в том, что они создают удивительные детали, используя пучки электронов высокой энергии,
которые имеют тенденцию повреждать объекты, которые они изображают.СТМ избегают этого
проблема с использованием гораздо более низких энергий.

Иллюстрация: Как работает СТМ: 1) Образец (синий) запечатан внутри вакуумной камеры. 2) Камера охлаждается
вплоть до почти абсолютного нуля с помощью криогенного источника, такого как холодильник с жидким гелием.
3) Насос создает в камере очень высокий вакуум. 4) Сканируемый образец служит одним электродом.
5) Наконечник зонда, расположенный на невероятно маленьком расстоянии выше, служит другим электродом. Два электрода
могут сканироваться друг за другом с помощью привода, который движется в трех измерениях.6) Туннельный ток на выходе зонда анализируется измерительным устройством. 7) Результаты могут отображаться на экране или плоттере,
показывая (в данном случае) узор атомов на поверхности образца. Рисунок (значительно упрощенный!), Основанный на устройстве STM, описанном в патенте США 4343993: Сканирующий туннельный микроскоп Герда Биннига и Генриха Рорера, IBM Corporation,
запатентовано 10 августа 1982 г.

Атомно-силовые микроскопы (АСМ)

Если вы считаете СТМ удивительными, то АСМ (атомно-силовые микроскопы), также изобретенные Гердом Биннигом, даже лучше!
Одним из больших недостатков СТМ является то, что они полагаются на электрические токи.
(потоки электронов) проходят через материалы, поэтому они могут создавать изображения только проводников.AFM не страдают от этой проблемы, потому что, хотя они и используют туннелирование, они не
полагаться на ток, протекающий между образцом и проблемой, поэтому мы можем использовать их для создания изображений в атомном масштабе таких материалов, как пластмассы, которые не проводят электричество.

АСМ — это микроскоп с маленькой ручкой, называемой кантилевером, с острием на конце.
который сканирует поверхность образца. Когда наконечник скользит по поверхности, сила между атомами, из которых он сделан
и атомы на поверхности постоянно меняются, заставляя кантилевер изгибаться на незначительные величины.Степень изгиба кантилевера определяется отражением лазерного луча от его поверхности.
Измеряя, как далеко проходит лазерный луч, мы можем измерить, насколько кантилевер изгибается и силы
действуя в соответствии с ним от момента к моменту, и эту информацию можно использовать для выяснения и построения графика
контуры поверхности. Другие версии АСМ (например, показанная здесь) создают изображение, измеряя ток, который «туннелирует» между сканирующим зондом и туннельным зондом, установленным сразу за ним.
АСМ могут создавать изображения вещей на атомном уровне, а также их можно использовать для манипулирования отдельными атомами и
молекулы — одна из ключевых идей нанотехнологии.

Изображение: как работал оригинальный AFM Герда Биннига — значительно упрощено.
Сканируемый образец (1) установлен на приводном механизме (2), который может перемещать его в трех измерениях. Для предотвращения нежелательных вибраций этот механизм закреплен на резиновой подушке (3), установленной на прочном алюминиевом основании (4), которое дополнительно смягчается несколькими слоями алюминиевых пластин и резиновых прокладок (не показаны). Для создания изображения образец медленно перемещается вокруг четкой фиксированной точки изображения (5), которая установлена ​​на пружинном кантилевере из тонкой золотой фольги (6), прикрепленном к
пьезоэлектрический кристалл (7) и закреплен на том же алюминиевом основании.На другом конце устройства туннельный зонд (8) перемещается очень близко (с точностью до 0,3 нм) к кантилеверу пружины с помощью второго приводного механизма (9), изолированного другой резиновой подушкой (10). По мере того как образец (1) перемещается вокруг точки визуализации (5), ток, проходящий между пружинным кантилевером (6) и туннельным наконечником (8), постоянно измеряется. Эти измерения преобразуются в данные, которые можно использовать для построения подробной карты поверхности образца.
На основе оригинального рисунка из патента США 4724318 Герда Биннига: атомно-силовой микроскоп и метод построения изображений поверхностей с атомным разрешением.

Кто изобрел электронные микроскопы?

Вот краткая история ключевых моментов электронной микроскопии — до сих пор!

• 1924: французский физик Луи де Бройль
  (1892–1987) понимает, что электронные пучки имеют волнообразную природу, как и
  зажечь. Пять лет спустя за эту работу он получает Нобелевскую премию по физике.
• 1931: немецкие ученые Макс Нолл
  (1897–1969) и его ученик Эрнст Руска (1906–1988) построили первый
  экспериментальный ПЭМ в Берлине.
• 1933: Эрнст Руска создает первый электронный микроскоп,
  мощнее оптического микроскопа.
• 1935: Max Knoll строит первый неочищенный SEM.
• 1935: Работа в Университете Торонто, James Hillier и Albert Prebus , основанные на работе Ruska по производству первого коммерчески успешного ТЕА для RCA в Северной Америке.
• 1941: Немецкие инженеры-электрики Манфред фон Арденне и Бодо фон Боррис патентуют «электронный сканирующий микроскоп» (SEM).
• 1965: Cambridge Instrument Company
  производит первый коммерческий SEM в Англии.
• 1981: Герд Бинниг (1947–) и Генрих Рорер (1933–) из Цюрихской исследовательской лаборатории IBM изобрели
  СТМ и производят детальные изображения атомов на поверхности кристалла золота.
• 1985: Бинниг и его коллега Кристоф Гербер создают первый атомно-силовой микроскоп (АСМ)
  прикрепив бриллиант к кусочку золотой фольги.
• 1986: Бинниг и Рорер делят Нобелевскую премию по физике с первым пионером
  электронные микроскопы, Ernst Ruska.
• 1989: Первый коммерческий AFM произведен на Sang-il Park (основатель Park Systems в Пало-Альто, Калифорния).

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

Сайты

Для младших читателей

• Bugscope: Электронная микроскопия для школ.

Для читателей постарше

• Mic-UK: Веб-сайт для энтузиастов микроскопов, включая отличную страницу, посвященную микроскопии, под названием «Самая маленькая страница в Интернете».
• Эрнст Руска: Мемориальный комплекс, посвященный жизни и деятельности пионера электронного микроскопа (на немецком и английском языках).
• Жизнь сквозь линзу: история усилий Эрнста Руска по созданию электронного микроскопа.

Фотографии с электронного микроскопа

• FEI: Галерея изображений электронного микроскопа: FEI — ведущий производитель электронных микроскопов, и на его веб-сайте есть галерея потрясающих фотографий, сделанных с его оптическими прицелами!
• Flickr: Сканирующая электронная микроскопия: Группа Flickr, состоящая из нескольких сотен изображений, полученных с помощью SEM.Некоторые из них защищены авторским правом, другие публикуются под различными лицензиями Creative Commons, что позволяет вам повторно использовать их при определенных условиях.

Видео

• Атомно-силовой микроскоп (АСМ) в действии !: Отличное небольшое видео, показывающее кантилевер и наконечник атомно-силового микроскопа (АСМ) в действии. Обратите внимание на зеленую шкалу линейки слева, которая показывает вам
  масштаб, в котором мы работаем при увеличении и уменьшении масштаба.

Книги

Легкое чтение

• Небеса и Земля: невидимые невооруженным глазом:
  Дэвид Малин, Кэтрин Руку.Phaidon Press, 2007. Множество потрясающих фотографий очень больших и очень маленьких в
  эта превосходная книга журнального столика.
• Cool Stuff и как это работает:
  Крис Вудфорд и др. Дорлинг Киндерсли, 2005. Одна из моих собственных книг, она объясняет всевозможные предметы повседневного обихода.
  с потрясающей фотографией (и немало электронных микрофотографий).
• Cool Stuff 2.0 (Книга гаджетов):
  Крис Вудфорд и Джон Вудкок. Дорлинг Киндерсли, 2007. Продолжение Cool Stuff с более потрясающими фотографиями (и еще несколькими электронными микрофотографиями).

Более подробная техническая информация

История

• Эволюция микроскопа С. Брэдбери.
  Elsevier, 2014. Переиздание книги 1967 года. Ранняя история, очевидно, все еще применима, но последняя глава об электронных микроскопах теперь немного устарела.

Статьи

Патенты

Патентный поиск — хороший способ найти более подробные технические детали и чертежи. Вот несколько ключевых патентов для начинающих:

• Патент США 2234281: Экранированный электронный микроскоп Эрнста Руска, поданный 4 февраля 1939 г.Это один из усовершенствованных микроскопов Ruska конца 1930-х годов. Многочисленные более ранние патенты охватывают его различные усовершенствования электронных ламп и его систем для отклонения катодных лучей и отклонения электронных лучей с помощью электрических и магнитных полей.
• Патент США 3,191,028: Электронный сканирующий микроскоп.
  Manfred Von Ardenne и Bodo von Borries, запатентовано 13 мая 1941 года. Я думаю, что это оригинальный патент на SEM, основанный на более ранней работе Ruska и Knoll.
• Патент США 3,191,028: Растровый электронный микроскоп.
  Альберта В.Крю, Комиссия по атомной энергии США, запатентована 22 июня 1965 года. СЭМ с большим увеличением и разрешением, созданный в середине 1960-х годов. Это гораздо более подробное описание, чем в патенте Арденн, с некоторыми отличными техническими чертежами.
• Патент США 4343993: Сканирующий туннельный микроскоп Герда Биннига и Генриха Рорера, корпорация IBM, запатентован 10 августа 1982 года. Оригинальный патент Биннига и Рорера на STM.
• Патент США 4724318: Атомно-силовой микроскоп и метод построения изображений поверхностей с атомным разрешением Герда Биннига, корпорация IBM, запатентован 9 февраля 1988 г.Прекрасное техническое описание новаторского (и получившего Нобелевскую премию) AFM Биннига.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2007, 2020.Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2007/2020) Электронные микроскопы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/electronmicroscopes.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Как работают электронные микроскопы?

Как работают электронные микроскопы? — Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 26 июля 2020 г.

Какая самая маленькая вещь из тех, что у вас когда-либо были?
видимый? Может быть, волосы, булавочная головка или пыль? Если вы поменяли глаза на
пару самых мощных микроскопов в мире, вы сможете увидеть
вещи в 100 миллионов раз меньше: бактерии, вирусы, молекулы — даже
атомы в кристаллах были бы вам хорошо видны!

Обычные оптические микроскопы (световые микроскопы), подобные тем, которые вы найдете в школе
lab, далеко не достаточно хороши, чтобы рассмотреть вещи в таких деталях.Это
требуется гораздо более мощный электронный микроскоп — с использованием лучей
электроны вместо лучей света — чтобы увести нас в
наноразмеры. Возьмем
присмотритесь к электронным микроскопам и принципам их работы!

Фото: Электронный микроскоп в Аргонне.
Национальная лаборатория
может создавать изображения в 1000 раз резче, чем любой обычный оптический
(световой) микроскоп.
Предоставлено Министерством энергетики США.

Зрение электронами

Фото: Внутри атома: электроны — частицы
в оболочках (орбиталях) вокруг ядра (центра).

Мы можем видеть объекты в мире вокруг нас, потому что
световые лучи (либо от Солнца, либо от другого источника света, например
настольная лампа) отражаются от них в наши глаза. На самом деле никто не знает
что такое свет, но ученые пришли к выводу, что это
имеет своего рода раздвоение личности. Им нравится называть это
дуальность волна-частица , но основная идея
проще, чем кажется. Иногда свет ведет себя как поезд
волн — подобно волнам, бегущим по морю.В других случаях это
больше похоже на
устойчивый поток частиц — бомбардировка микроскопическими пушечными ядрами, если
тебе нравится. Вы можете прочитать эти слова на экране компьютера, потому что
легкие частицы выходят из дисплея
в твои глаза в
этакий массовый, горизонтальный град! Мы называем этих людей
частицы света фотонов : каждая из них
крошечный пакет электромагнитной энергии.

Видеть фотонами — это хорошо, если вы хотите смотреть на
вещи, которые намного больше, чем атомы. Но если вы хотите увидеть вещи
фотоны меньшего размера оказываются довольно неуклюжими и бесполезными.Только представьте, если бы вы были мастером резьбы по дереву, известным во всем мире
мебель, которую вы сделали с тонкой резьбой. Чтобы вырезать такие мелкие детали,
вам понадобятся маленькие, острые, точные инструменты меньшего размера
чем узоры, которые вы хотели сделать. Если бы у вас были только кувалда и
лопатой, вырезать замысловатую мебель было бы невозможно. Основное правило
в том, что инструменты, которые вы используете, должны быть меньше, чем то, что вы
используя их.

То же самое и с наукой. Самое маленькое, что можно увидеть в микроскоп
определяется (частично) светом, который проходит через него.Обычный световой микроскоп
использует фотоны света, которые эквивалентны волнам с длиной волны
примерно 400–700 нанометров.
Это нормально для изучения чего-то вроде человеческого волоса,
В 100 раз больше (50 000–100 000 нанометров в диаметре).
Но как насчет бактерий размером 200 нанометров?
или белок длиной всего 10 нанометров?
Если вы хотите видеть мелкие детали, которые «меньше света»
(меньше длины волны фотонов), нужно использовать частицы
которые имеют даже более короткую длину волны, чем фотоны: в других
Словом, нужно использовать электронов .Как вы, наверное, знаете, электроны — это мельчайшие заряженные частицы, которые
занимают внешние области атомов. (Это также частицы, которые
переносить электричество по цепям.)
в электронном микроскопе поток электронов заменяет луч света.
Электрон имеет эквивалентную длину волны чуть более 1 нанометра, что
позволяет нам видеть вещи меньше, чем сам свет
(меньше длины волны фотонов света).

Рекламные ссылки

Как работают электронные микроскопы

Если вы когда-либо использовали обычный микроскоп, вы
знайте, что основная идея проста.Внизу есть свет, который
светит вверх через тонкий срез образца. Вы смотрите сквозь
окуляр и мощный объектив, чтобы видеть значительно увеличенное
изображение образца (обычно в 10–200 раз больше). Здесь
по сути, четыре важные части обычного микроскопа:

1. Источник света.
2. Экземпляр.
3. Линзы, которые увеличивают образец.
4. Увеличенное изображение образца, который вы видите.

В электронном микроскопе эти четыре вещи
немного отличается.

1. Источник света заменен лучом
   очень быстро движущиеся электроны.
2. Образец обычно должен быть специально
   подготовлены и удерживаются внутри вакуумной камеры, из которой воздух
   был откачан (потому что электроны не очень далеко перемещаются в воздухе).
3. Линзы заменены серией
   электромагниты в форме катушек, через которые проходит электронный луч.
   В обычном микроскопе стеклянные линзы изгибают (или преломляют)
   световые лучи, проходящие через них, производят увеличение.В
   В электронном микроскопе катушки изгибают электронные лучи таким же образом.
4. Изображение сформировано в виде фотографии (называемой электронным
   микрофотография ) или в виде изображения на телевизоре
   экран.

Это основная общая идея электронного микроскопа. Но есть
на самом деле довольно много разных типов электронов
микроскопы, и все они работают по-разному. Три самых
знакомые типы называются просвечивающими электронными микроскопами (ПЭМ), сканирующими
электронные микроскопы (СЭМ) и сканирующие туннельные микроскопы
(СТМ).

Фото: 1) Изучение образца с помощью просвечивающего электронного микроскопа.
Электронная пушка находится в высокой серой трубке вверху.
Предоставлено НАСА
Исследовательский центр Гленна. 2) Типичный растровый электронный микроскоп.
Основное оборудование микроскопа находится на крайнем левом углу.
Вы можете увидеть изображение на двух экранах.
Предоставлено НАСА
Исследовательский центр Лэнгли.

Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ)

ТЕМ имеет много общего с обычным оптическим
микроскоп.Вы должны подготовить тонкий срез образца достаточно
осторожно (это довольно трудоемкий процесс) и посидите в вакууме
камера в середине машины. Когда вы это сделаете, вы выстрелите
пучок электронов через образец из гигантской электронной пушки
на вершине. В пистолете используются электромагнитные катушки и высокое напряжение.
(обычно от 50 000 до нескольких миллионов вольт) для ускорения
электроны до очень высоких скоростей. Благодаря нашему старому другу волна-частица
двойственность, электроны (которые мы обычно
воспринимаются как частицы) могут вести себя как волны (как волны света
могут вести себя как частицы).Чем быстрее они движутся, тем меньше
волны, которые они образуют, и тем более детализированными изображениями они появляются. Имея
достигнув максимальной скорости, электроны проникают сквозь образец и выходят наружу.
с другой стороны, где больше катушек фокусируют их, чтобы сформировать изображение на
экран (для немедленного просмотра) или на фотопластинке (для изготовления
постоянная запись изображения). ПЭМ — самые мощные электронные
микроскопы: мы можем использовать их, чтобы видеть вещи всего на 1 нанометр в
размер, поэтому они эффективно увеличиваются в миллион раз и более.

Как работает просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)

Просвечивающий электронный микроскоп испускает пучок электронов с по на образец для получения увеличенного изображения.
изображение объекта.

1. Катод питается от источника высокого напряжения.
2. Катод представляет собой нагретую нить накала, немного похожую на электронную пушку в старомодном телевизоре с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Он генерирует луч
   электронов, который работает аналогично лучу света в оптическом микроскопе.
3. Электромагнитная катушка (первая линза) концентрирует электроны в более мощный луч.
4. Другая электромагнитная катушка (вторая линза) фокусирует луч на определенную часть образца.
5. Образец помещается на медную сетку в середине основной трубки микроскопа. Луч проходит через образец и «улавливает»
   изображение этого.
6. Линза проектора (третья линза) увеличивает изображение.
7. Изображение становится видимым, когда электронный луч попадает на флуоресцентный экран в основании устройства.Это аналогично
   люминофорный экран перед старомодным телевизором.
8. Изображение можно просматривать напрямую (через портал просмотра), в бинокль сбоку или на телеэкран
   прикреплен к усилителю изображения (что облегчает просмотр слабых изображений).

Сканирующие электронные микроскопы (СЭМ)

Большинство забавных изображений, полученных с помощью электронного микроскопа,
увидеть в книгах такие вещи, как осы, держащие микрочипы в своих
рты — сделаны не с помощью просвечивающего электронного микроскопа, а с помощью сканирующих электронных микроскопов.
(SEM), которые предназначены для получения изображений поверхностей
из
крошечные объекты.Как и в ПЭМ, вершина ПЭМ — это мощный
электронная пушка, которая стреляет электронным лучом в образец. А
ряд электромагнитных катушек тянут луч вперед и назад,
сканирование медленно и систематически по поверхности образца.
Вместо того, чтобы проходить через образец, электронный луч
эффективно отскакивает прямо от него. Отраженные электроны
от образца (так называемые вторичные электроны) направлены на
экран, похожий на экран электронно-лучевого телевизора,
где они создают телевизионную картинку.SEM обычно около 10
в разы менее мощные, чем ТЕА (поэтому мы можем использовать их, чтобы узнать о
Размером 10 нанометров). С другой стороны, они создают очень четкое 3D-изображение.
изображения (по сравнению с плоскими изображениями, полученными с помощью ПЭМ) и их
образцы требуют меньше подготовки.

Фото: типичные изображения, полученные с помощью SEM.
1) Искусственно окрашенная микрофотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа, на которой видна сальмонелла.
typhimurium (красный), проникающий в культивируемые клетки человека.
2) Сканирующая электронная микрофотография бактерий Escherichia coli.
(Э.coli). Фотографии любезно предоставлены лабораторией Rocky Mountain Laboratories,
Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний США (NIAID),
и Национальный институт здоровья США.

Как работает растровый электронный микроскоп (СЭМ)

Сканирующий электронный микроскоп сканирует пучок электронов поверх образца для получения увеличенного изображения.
изображение объекта. Это полностью отличается от ПЭМ, где пучок электронов проходит сквозь образец.

1. Электроны стреляют в машину.
2. Основная часть машины (где сканируется объект) находится внутри герметичной вакуумной камеры, потому что точные электронные лучи не могут эффективно проходить через воздух.
3. Положительно заряженный электрод (анод) притягивает электроны и ускоряет их в энергетический пучок.
4. Электромагнитная катушка очень точно фокусирует электронный луч, как линза.
5. Другая катушка, расположенная ниже, направляет электронный луч из стороны в сторону.
6. Луч систематически сканирует просматриваемый объект.
7. Электроны от луча ударяются о поверхность объекта и отскакивают от нее.
8. Детектор регистрирует эти рассеянные электроны и превращает их в картинку.
9. Сильно увеличенное изображение объекта отображается на экране телевизора.

Сканирующие туннельные микроскопы (СТМ)

Фото: СТМ-изображение атомов на поверхности
солнечная батарея.
Любезно предоставлено США
Министерство энергетики / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL).

Среди новейших электронных микроскопов СТМ были
изобретен Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. В отличие от ПЭМ, которые производят изображения
внутренности материалов и SEM, которые показывают трехмерные поверхности, STM
предназначен для получения подробных изображений атомов или молекул на
поверхность чего-то вроде кристалла. Они работают иначе, чем ТЕА
и SEM тоже: у них есть чрезвычайно острый металлический зонд, который сканирует
вперед и назад по поверхности образца. При этом
электроны пытаются вывернуться из образца и перепрыгнуть через зазор,
в зонд с помощью необычного квантового явления, называемого «туннелирование».»Чем ближе зонд к
поверхность, тем легче электронам туннелировать в нее, тем
больше электронов улетает, и тем больше туннельный ток. В
микроскоп постоянно перемещает зонд вверх или вниз с помощью крошечных
суммы, чтобы поддерживать постоянный туннельный ток. Записывая, как
зонд должен двигаться, он эффективно измеряет пики и
впадины на поверхности образца. Компьютер превращает эту информацию
в карту образца, которая показывает его подробные
атомная структура. Один большой недостаток обычных электронных микроскопов
в том, что они создают удивительные детали, используя пучки электронов высокой энергии,
которые имеют тенденцию повреждать объекты, которые они изображают.СТМ избегают этого
проблема с использованием гораздо более низких энергий.

Иллюстрация: Как работает СТМ: 1) Образец (синий) запечатан внутри вакуумной камеры. 2) Камера охлаждается
вплоть до почти абсолютного нуля с помощью криогенного источника, такого как холодильник с жидким гелием.
3) Насос создает в камере очень высокий вакуум. 4) Сканируемый образец служит одним электродом.
5) Наконечник зонда, расположенный на невероятно маленьком расстоянии выше, служит другим электродом. Два электрода
могут сканироваться друг за другом с помощью привода, который движется в трех измерениях.6) Туннельный ток на выходе зонда анализируется измерительным устройством. 7) Результаты могут отображаться на экране или плоттере,
показывая (в данном случае) узор атомов на поверхности образца. Рисунок (значительно упрощенный!), Основанный на устройстве STM, описанном в патенте США 4343993: Сканирующий туннельный микроскоп Герда Биннига и Генриха Рорера, IBM Corporation,
запатентовано 10 августа 1982 г.

Атомно-силовые микроскопы (АСМ)

Если вы считаете СТМ удивительными, то АСМ (атомно-силовые микроскопы), также изобретенные Гердом Биннигом, даже лучше!
Одним из больших недостатков СТМ является то, что они полагаются на электрические токи.
(потоки электронов) проходят через материалы, поэтому они могут создавать изображения только проводников.AFM не страдают от этой проблемы, потому что, хотя они и используют туннелирование, они не
полагаться на ток, протекающий между образцом и проблемой, поэтому мы можем использовать их для создания изображений в атомном масштабе таких материалов, как пластмассы, которые не проводят электричество.

АСМ — это микроскоп с маленькой ручкой, называемой кантилевером, с острием на конце.
который сканирует поверхность образца. Когда наконечник скользит по поверхности, сила между атомами, из которых он сделан
и атомы на поверхности постоянно меняются, заставляя кантилевер изгибаться на незначительные величины.Степень изгиба кантилевера определяется отражением лазерного луча от его поверхности.
Измеряя, как далеко проходит лазерный луч, мы можем измерить, насколько кантилевер изгибается и силы
действуя в соответствии с ним от момента к моменту, и эту информацию можно использовать для выяснения и построения графика
контуры поверхности. Другие версии АСМ (например, показанная здесь) создают изображение, измеряя ток, который «туннелирует» между сканирующим зондом и туннельным зондом, установленным сразу за ним.
АСМ могут создавать изображения вещей на атомном уровне, а также их можно использовать для манипулирования отдельными атомами и
молекулы — одна из ключевых идей нанотехнологии.

Изображение: как работал оригинальный AFM Герда Биннига — значительно упрощено.
Сканируемый образец (1) установлен на приводном механизме (2), который может перемещать его в трех измерениях. Для предотвращения нежелательных вибраций этот механизм закреплен на резиновой подушке (3), установленной на прочном алюминиевом основании (4), которое дополнительно смягчается несколькими слоями алюминиевых пластин и резиновых прокладок (не показаны). Для создания изображения образец медленно перемещается вокруг четкой фиксированной точки изображения (5), которая установлена ​​на пружинном кантилевере из тонкой золотой фольги (6), прикрепленном к
пьезоэлектрический кристалл (7) и закреплен на том же алюминиевом основании.На другом конце устройства туннельный зонд (8) перемещается очень близко (с точностью до 0,3 нм) к кантилеверу пружины с помощью второго приводного механизма (9), изолированного другой резиновой подушкой (10). По мере того как образец (1) перемещается вокруг точки визуализации (5), ток, проходящий между пружинным кантилевером (6) и туннельным наконечником (8), постоянно измеряется. Эти измерения преобразуются в данные, которые можно использовать для построения подробной карты поверхности образца.
На основе оригинального рисунка из патента США 4724318 Герда Биннига: атомно-силовой микроскоп и метод построения изображений поверхностей с атомным разрешением.

Кто изобрел электронные микроскопы?

Вот краткая история ключевых моментов электронной микроскопии — до сих пор!

• 1924: французский физик Луи де Бройль
  (1892–1987) понимает, что электронные пучки имеют волнообразную природу, как и
  зажечь. Пять лет спустя за эту работу он получает Нобелевскую премию по физике.
• 1931: немецкие ученые Макс Нолл
  (1897–1969) и его ученик Эрнст Руска (1906–1988) построили первый
  экспериментальный ПЭМ в Берлине.
• 1933: Эрнст Руска создает первый электронный микроскоп,
  мощнее оптического микроскопа.
• 1935: Max Knoll строит первый неочищенный SEM.
• 1935: Работа в Университете Торонто, James Hillier и Albert Prebus , основанные на работе Ruska по производству первого коммерчески успешного ТЕА для RCA в Северной Америке.
• 1941: Немецкие инженеры-электрики Манфред фон Арденне и Бодо фон Боррис патентуют «электронный сканирующий микроскоп» (SEM).
• 1965: Cambridge Instrument Company
  производит первый коммерческий SEM в Англии.
• 1981: Герд Бинниг (1947–) и Генрих Рорер (1933–) из Цюрихской исследовательской лаборатории IBM изобрели
  СТМ и производят детальные изображения атомов на поверхности кристалла золота.
• 1985: Бинниг и его коллега Кристоф Гербер создают первый атомно-силовой микроскоп (АСМ)
  прикрепив бриллиант к кусочку золотой фольги.
• 1986: Бинниг и Рорер делят Нобелевскую премию по физике с первым пионером
  электронные микроскопы, Ernst Ruska.
• 1989: Первый коммерческий AFM произведен на Sang-il Park (основатель Park Systems в Пало-Альто, Калифорния).

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

Сайты

Для младших читателей

• Bugscope: Электронная микроскопия для школ.

Для читателей постарше

• Mic-UK: Веб-сайт для энтузиастов микроскопов, включая отличную страницу, посвященную микроскопии, под названием «Самая маленькая страница в Интернете».
• Эрнст Руска: Мемориальный комплекс, посвященный жизни и деятельности пионера электронного микроскопа (на немецком и английском языках).
• Жизнь сквозь линзу: история усилий Эрнста Руска по созданию электронного микроскопа.

Фотографии с электронного микроскопа

• FEI: Галерея изображений электронного микроскопа: FEI — ведущий производитель электронных микроскопов, и на его веб-сайте есть галерея потрясающих фотографий, сделанных с его оптическими прицелами!
• Flickr: Сканирующая электронная микроскопия: Группа Flickr, состоящая из нескольких сотен изображений, полученных с помощью SEM.Некоторые из них защищены авторским правом, другие публикуются под различными лицензиями Creative Commons, что позволяет вам повторно использовать их при определенных условиях.

Видео

• Атомно-силовой микроскоп (АСМ) в действии !: Отличное небольшое видео, показывающее кантилевер и наконечник атомно-силового микроскопа (АСМ) в действии. Обратите внимание на зеленую шкалу линейки слева, которая показывает вам
  масштаб, в котором мы работаем при увеличении и уменьшении масштаба.

Книги

Легкое чтение

• Небеса и Земля: невидимые невооруженным глазом:
  Дэвид Малин, Кэтрин Руку.Phaidon Press, 2007. Множество потрясающих фотографий очень больших и очень маленьких в
  эта превосходная книга журнального столика.
• Cool Stuff и как это работает:
  Крис Вудфорд и др. Дорлинг Киндерсли, 2005. Одна из моих собственных книг, она объясняет всевозможные предметы повседневного обихода.
  с потрясающей фотографией (и немало электронных микрофотографий).
• Cool Stuff 2.0 (Книга гаджетов):
  Крис Вудфорд и Джон Вудкок. Дорлинг Киндерсли, 2007. Продолжение Cool Stuff с более потрясающими фотографиями (и еще несколькими электронными микрофотографиями).

Более подробная техническая информация

История

• Эволюция микроскопа С. Брэдбери.
  Elsevier, 2014. Переиздание книги 1967 года. Ранняя история, очевидно, все еще применима, но последняя глава об электронных микроскопах теперь немного устарела.

Статьи

Патенты

Патентный поиск — хороший способ найти более подробные технические детали и чертежи. Вот несколько ключевых патентов для начинающих:

• Патент США 2234281: Экранированный электронный микроскоп Эрнста Руска, поданный 4 февраля 1939 г.Это один из усовершенствованных микроскопов Ruska конца 1930-х годов. Многочисленные более ранние патенты охватывают его различные усовершенствования электронных ламп и его систем для отклонения катодных лучей и отклонения электронных лучей с помощью электрических и магнитных полей.
• Патент США 3,191,028: Электронный сканирующий микроскоп.
  Manfred Von Ardenne и Bodo von Borries, запатентовано 13 мая 1941 года. Я думаю, что это оригинальный патент на SEM, основанный на более ранней работе Ruska и Knoll.
• Патент США 3,191,028: Растровый электронный микроскоп.
  Альберта В.Крю, Комиссия по атомной энергии США, запатентована 22 июня 1965 года. СЭМ с большим увеличением и разрешением, созданный в середине 1960-х годов. Это гораздо более подробное описание, чем в патенте Арденн, с некоторыми отличными техническими чертежами.
• Патент США 4343993: Сканирующий туннельный микроскоп Герда Биннига и Генриха Рорера, корпорация IBM, запатентован 10 августа 1982 года. Оригинальный патент Биннига и Рорера на STM.
• Патент США 4724318: Атомно-силовой микроскоп и метод построения изображений поверхностей с атомным разрешением Герда Биннига, корпорация IBM, запатентован 9 февраля 1988 г.Прекрасное техническое описание новаторского (и получившего Нобелевскую премию) AFM Биннига.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2007, 2020.Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2007/2020) Электронные микроскопы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/electronmicroscopes.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Сканирующая электронная микроскопия — инструменты для нанотехнологий

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) сканирует сфокусированный электронный луч по поверхности для создания изображения. Электроны в пучке взаимодействуют с образцом, создавая различные сигналы, которые можно использовать для получения информации о топографии и составе поверхности.

Посмотрите наши веб-семинары по запросу, чтобы узнать больше

Почему в микроскопе используют электроны вместо света?

При достаточном освещении человеческий глаз может различать две точки 0.На расстоянии 2 мм друг от друга без дополнительных линз. Это расстояние называется разрешающей способностью или разрешающей способностью глаза. Можно использовать линзу или набор линз (микроскоп), чтобы увеличить это расстояние и позволить глазу видеть точки даже ближе друг к другу, чем на 0,2 мм.

Современный световой микроскоп имеет максимальное увеличение около 1000x. Разрешающая способность микроскопа ограничивалась не только количеством и качеством линз, но и длиной волны света, используемого для освещения.Белый свет имеет длину волны от 400 до 700 нанометров (нм). Средняя длина волны составляет 550 нм, что дает теоретический предел разрешения (не видимости) светового микроскопа в белом свете около 200-250 нм. На рисунке ниже показаны две точки на пределе обнаружения, и эти две отдельные точки все еще можно различить. Правое изображение показывает две точки так близко друг к другу, что центральные точки перекрываются.

Две точки, показывающие пределы обнаружения

Электронный микроскоп был разработан, когда длина волны стала ограничивающим фактором в световых микроскопах.Электроны имеют гораздо более короткие длины волн, что обеспечивает лучшее разрешение.

Сравните оптический микроскоп и сканирующий электронный микроскоп

Поскольку размеры материалов и устройств уменьшаются, многие структуры уже нельзя охарактеризовать с помощью световой микроскопии. Например, чтобы определить целостность слоя нановолокна для фильтрации, как показано здесь, для характеристики образца требуется электронная микроскопия.

Изображение нановолокон в оптическом микроскопе

Изображение того же нановолокна на растровом электронном микроскопе при 4000-кратном увеличении

Как работает растровый электронный микроскоп

Основные компоненты SEM включают:

• Источник электронов
• Столбец, по которому движутся электроны с электромагнитными линзами
• Детектор электронов
• Камера для проб
• Компьютер и дисплей для просмотра изображений

Электроны образуются в верхней части колонны, ускоряются вниз и проходят через комбинацию линз и отверстий для получения сфокусированного пучка электронов, который попадает на поверхность образца.Образец устанавливается на предметный столик в области камеры, и, если микроскоп не предназначен для работы при низком вакууме, и колонка, и камера откачиваются с помощью комбинации насосов. Уровень вакуума будет зависеть от конструкции микроскопа.

Схема растрового электронного микроскопа

Положение электронного луча на образце контролируется сканирующими катушками, расположенными над линзой объектива. Эти катушки позволяют сканировать луч по поверхности образца.Растрирование или сканирование луча, как следует из названия микроскопа, позволяет собирать информацию об определенной области на образце. В результате взаимодействия электрона с образцом возникает ряд сигналов. Эти сигналы затем обнаруживаются соответствующими детекторами.

Взаимодействие образца с электроном

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) создает изображения путем сканирования образца пучком электронов высокой энергии. Когда электроны взаимодействуют с образцом, они производят вторичные электроны, обратно рассеянные электроны и характерные рентгеновские лучи.Эти сигналы собираются одним или несколькими детекторами для формирования изображений, которые затем отображаются на экране компьютера. Когда электронный луч попадает на поверхность образца, он проникает в образец на глубину нескольких микрон, в зависимости от ускоряющего напряжения и плотности образца. Многие сигналы, такие как вторичные электроны и рентгеновские лучи, возникают в результате этого взаимодействия внутри образца.

Схема взаимодействия электронного пучка.

Максимальное разрешение, получаемое в SEM, зависит от множества факторов, таких как размер электронного пятна и объем взаимодействия электронного луча с образцом.Хотя он не может обеспечить атомное разрешение, некоторые СЭМ могут достигать разрешения менее 1 нм. Как правило, современные полноразмерные SEM обеспечивают разрешение от 1 до 20 нм, тогда как настольные системы могут обеспечивать разрешение от 20 нм и более.

Что такое электронные микроскопы?

Что такое электронные микроскопы?

Что такое электронные микроскопы?

Электронные микроскопы — это научные инструменты, в которых используется

пучок высокоэнергетических электронов для изучения объектов на очень

мелкая шкала.Этот осмотр может дать следующую информацию:

Топография

Характеристики поверхности объекта или «как он выглядит»,

его текстура; прямая связь между этими функциями и материалами

свойства (твердость, отражательная способность и т. д.)

Морфология

Форма и размер частиц, составляющих объект;

прямая связь между этими конструкциями и свойствами материалов

(пластичность, прочность, реактивность…так далее.)

Состав

Элементы и соединения, из которых состоит объект

и их относительные количества; прямая связь между

состав и свойства материалов (температура плавления, реакционная способность,

твердость … и т. д.)

Кристаллографическая информация

Как атомы расположены в объекте; прямое отношение

между этими устройствами и свойствами материалов (проводимость,

электрические свойства, прочность…так далее.)

Откуда пришли электронные микроскопы?

Электронные микроскопы были разработаны из-за ограничений

световых микроскопов, которые ограничены физикой света

до 500- или 1000-кратного увеличения и разрешением 0,2 микрометра.

В начале 1930-х годов этот теоретический предел был достигнут и

было научное желание увидеть мелкие детали интерьера

структуры органических клеток (ядро, митохондрии…так далее.). Этот

требовалось 10 000-кратное увеличение, что было просто невозможно

с помощью световых микроскопов.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) был первым типом

электронного микроскопа, который должен быть разработан и имеет точный рисунок

на светопропускающем микроскопе, за исключением того, что сфокусированный луч

электронов используется вместо света, чтобы «видеть насквозь»

образец. Он был разработан Максом Кноллем и Эрнстом Руска в

Германия в 1931 году.

Первый сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) дебютировал в 1942 году с

первые коммерческие инструменты около 1965 года. Позднее развитие

было связано с электроникой, задействованной в «сканировании»

пучок электронов поперек образца. Отличная статья была

только что опубликовано в Scanning детализирует историю SEMs

и я бы посоветовал всем заинтересованным прочитать это.

Как работают электронные микроскопы?

Электронные микроскопы (ЭМ) работают точно так же, как их оптические

аналоги, за исключением того, что они используют сфокусированный пучок электронов

вместо света для «изображения» образца и получения информации

относительно его структуры и состава.

Основные этапы всех EM:

1. Формируется поток электронов (Источник электронов)

   и ускоряется к образцу с помощью положительного электрического

   потенциал

2. Этот поток ограничивается и фокусируется с помощью металлических отверстий.

   и магнитные линзы в тонкую,

   сфокусированный, монохромный

   луч.

3. Этот луч фокусируется на образец с помощью магнитной линзы.
4. Взаимодействия происходят внутри облученного

   образец, воздействующий на электронный луч

Эти взаимодействия и эффекты обнаруживаются и преобразуются

в образ

Вышеуказанные шаги выполняются во всех EM независимо от типа.Более конкретный подход к работе двух разных типов

ЭМ описаны более подробно:

Просвечивающий электронный микроскоп

Сканирующий электронный микроскоп

Другие похожие темы

Источник электронов (ПИСТОЛЕТ)

Взаимодействие с образцами

Объем взаимодействия образцов

Как работает лабораторный электронный микроскоп? Excedr объясняет

В недавнем сообщении в блоге мы обсуждали Light vs.электронные микроскопы. Теперь мы копаем немного глубже, чтобы подробнее рассказать о том, что делают электронные микроскопы, о различных типах и принципах их работы.

Что делает электронный микроскоп?

Оптические микроскопы или световые микроскопы недостаточно хороши для обнаружения бактерий, вирусов или молекул. Электронные микроскопы намного мощнее и позволяют нам видеть эти вещи в наноразмерных размерах. Длина волны электронов может быть до 100 000 раз короче длины волны фотонов видимого света, поэтому электронные микроскопы имеют гораздо более высокое разрешение и позволяют видеть структуру более мелких объектов.

Электронные микроскопы чаще всего используются для исследования ультраструктуры биологических и неорганических образцов, таких как образцы биопсии, кристаллы, металлы, микроорганизмы и клетки. Их также можно использовать в промышленных масштабах для помощи в контроле качества и анализе отказов. Современные электронные микроскопы производят микрофотографии с помощью специализированных цифровых камер и устройств захвата кадра для получения изображения образца.

Как работает электронный микроскоп

Как и в оптическом микроскопе, есть четыре важных части, но с некоторыми отличиями.

Вместо источника света электронный микроскоп представляет собой пучок электронов, которые движутся очень быстро.

Образец необходимо подготовить и поместить в вакуумную камеру, где нет воздуха. Электроны легко рассеиваются частицами воздуха, в состав которых входят молекулы газа, такие как кислород и азот, поэтому без вакуума электронный луч был бы сбит с пути. Биологические образцы могут немедленно испаряться в вакууме без предварительной подготовки образца, поэтому важно предпринять некоторые подготовительные шаги.

Вместо линз у вас есть серия электромагнитов, через которые проходит электронный луч. В обычном микроскопе стеклянные линзы либо изгибают, либо преломляют проходящие через них световые лучи, чтобы увеличить образец. В электронном микроскопе электромагниты в форме катушек изгибают лучи таким же образом.

Вместо того, чтобы смотреть в окуляр, чтобы увидеть увеличенный образец, изображение микроскопа формируется в виде фотографии, также известной как электронная микрофотография, или отображается на экране компьютера.

На рынке представлены различные типы электронных микроскопов, каждый из которых работает по-своему. Все они создают изображения с высоким разрешением, хотя некоторые типы лучше подходят для определенных материалов, чем другие.

Типы электронных микроскопов

Просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ)

ТЕМ также известен как оригинальный электронный микроскоп. Он использует высоковольтный электронный луч для освещения образца и получения плоского изображения.Луч создается электронной пушкой, которая обычно заполнена вольфрамовой нитью в качестве источника. Они обычно используются в режиме дифракции электронов, но часто требуют невероятно тонких участков толщиной около 100 нанометров для прохождения электронов. Создание таких тонких образцов часто бывает чрезвычайно трудным и технически сложным. Некоторым образцам может потребоваться обезвоживание или химическая фиксация, прежде чем станет возможным разрезание на тонкие ломтики. Некоторые также, возможно, придется окрасить для большей видимости.

Электронный микроскоп с последовательным разделением (ssEM)

SSEM — это подмножество TEM. Он последовательно создает изображения множества шлифов.

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)

Электронный микроскоп SEM похож на копировальный аппарат для ключей. Когда вы копируете ключ, машина отслеживает исходный ключ, чтобы вырезать точную копию на заготовке. Копия не создается сразу, а прослеживается от одного конца до другого.Исследуемый образец можно считать оригинальным ключом.

SEM использует электронный луч для отслеживания объекта и создания точной копии оригинала на мониторе. Вместо того, чтобы просто обрисовать плоский контур ключа, SEM выдает трехмерное изображение с канавками и гравировкой.

Когда луч проходит по объекту и взаимодействует с поверхностями, вытесняя вторичные электроны с поверхности образца в виде узоров. Вторичный детектор притягивает эти электроны.Количество электронов, которые достигают детектора электронов, влияет на уровень яркости, отображаемый на мониторе.

Отражающий электронный микроскоп (REM)

При использовании REM электронный пучок находится на поверхности, но вместо использования пропускающих или вторичных электронов обнаруживается пучок упруго рассеянных электронов. Этот тип микроскопии используется для наблюдения за процессами, происходящими на поверхности образца. Упруго рассеянные электроны попадают на образец под разными углами скольжения, что, в свою очередь, создает изображение.

Сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM)

STEM создает изображения с помощью сфокусированного пучка электронов на невероятно малой площади образца, обычно от 0,05 до 0,2 нанометра. Затем он сканируется по образцу в растровой системе освещения, так что образец освещается в каждой точке лучом, параллельным оптической оси.

Электронная микроскопия этого типа подходит для аналитических методов. Типичный STEM-микроскоп — это обычный TEM-микроскоп, который имеет дополнительные сканирующие катушки, детекторы и схемы, позволяющие ему переключаться между работой в режиме STEM и стандартным TEM.Однако также можно найти специализированные STEM.

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

Микроскопы

STM создают подробные изображения молекул или атомов на поверхности образца. Они работают иначе, чем ТЕМ и РЭМ. Они используют чрезвычайно острый металлический зонд, который сканирует взад и вперед по поверхности образца. Электроны пытаются выйти из образца и перепрыгнуть через зазор в зонд. Чем ближе зонд находится к поверхности, тем легче электронам перемещаться в него, и чем больше электронов вылетает, тем больше становится туннельный ток.

Микроскоп постоянно перемещает зонд вверх и вниз на незначительные расстояния, чтобы туннелирование оставалось постоянным. Записывая, сколько нужно перемещать зонду, он измеряет пики и впадины по всей поверхности образца. Компьютер преобразует эту информацию в карту образца, которая раскрывает его детальную атомную структуру. Обычные электронные микроскопы используют пучки электронов высокой энергии для получения высокодетализированных изображений, но их интенсивность имеет тенденцию к повреждению объекта, который они изображают.STM использует более низкие энергии, чтобы снизить вероятность повреждения.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ)

Одним из недостатков СТМ является то, что они полагаются на электрические токи, проходящие через материалы, для создания своих изображений. Если объект не является проводником электричества, микроскоп не может создать изображение. АСМ-микроскопы не имеют этой проблемы, потому что, хотя они все еще используют туннелирование, они не зависят от тока, протекающего между зондом и образцом.Использование этого типа микроскопа позволяет создавать изображения пластиков и других материалов, не проводящих электричество, в атомном масштабе.

Криоэлектронная микроскопия

Также известный как крио-ЭМ, это включает использование замороженных образцов с более мягкими электронными пучками для работы с образцами, несовместимыми с условиями высокого вакуума и интенсивными электронными пучками. Недавно был разработан специальный метод замораживания образцов ПЭМ на водной основе, при котором вода создает неупорядоченное стекло вместо кристаллического льда.Кристаллы льда дифрагируют электронный луч и скрывают информацию о молекулах. Крио-ЭМ устраняет эту проблему и позволяет использовать просвечивающую электронную микроскопию с образцами, несовместимыми с вакуумной средой.

Сколько стоят электронные микроскопы?

Невозможно назвать точную сумму стоимости электронных микроскопов. Цена варьируется в зависимости от типа, который вы покупаете, а также от того, для чего вы собираетесь его использовать, и от вашей окончательной конфигурации.Доступны различные детекторы и разрешения, которые могут вам понадобиться, а могут и не понадобиться, в зависимости от вашего приложения. В нижней части диапазона довольно простой настольный SEM будет стоить от 50 000 до 70 000 долларов. Обычный SEM с источником вольфрама может легко стоить от 80 000 до 120 000 долларов. Другие виды еще дороже.

Лизинг и покупка электронных микроскопов

Для многих лабораторий такие деньги за единицу оборудования нереальны.Аренда оборудования через Excedr дает вам электронные микроскопы, необходимые для вашей лаборатории, без крупных авансовых вложений и помогает сэкономить еще больше, поскольку техническое обслуживание и ремонт включены в стоимость аренды.

Кроме того, если вашей лаборатории нужны другие типы микроскопов, мы также сдаем в аренду рентгеновские микроскопы, инфракрасные микроскопы, конфокальные микроскопы, флуоресцентные микроскопы, рамановские микроскопы и многофотонные микроскопы.

Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше о том, как наша программа лизинга оборудования может вам помочь.

Что такое электронная микроскопия? — Медицинское училище УМАСС

Электронная микроскопия (ЭМ) — это метод получения изображений с высоким разрешением биологических и небиологических образцов. Он используется в биомедицинских исследованиях для детального изучения структуры тканей, клеток, органелл и макромолекулярных комплексов. Высокое разрешение ЭМ-изображений является результатом использования электронов (которые имеют очень короткие длины волн) в качестве источника освещающего излучения. Электронная микроскопия используется в сочетании с различными вспомогательными методами (например,г. тонкие срезы, иммуно-маркировка, отрицательное окрашивание), чтобы ответить на конкретные вопросы. ЭМ-изображения предоставляют ключевую информацию о структурных основах функции клеток и клеточных заболеваний.

Существует два основных типа электронных микроскопов — просвечивающая ЭМ (ПЭМ) и сканирующая ЭМ (СЭМ). Просвечивающий электронный микроскоп используется для просмотра тонких образцов (срезов тканей, молекул и т. Д.), Через которые могут проходить электроны, создавая проекционное изображение. ТЕМ во многом аналогичен обычному (составному) световому микроскопу.ПЭМ используется, среди прочего, для изображения внутренней части клеток (в шлифах), структуры белковых молекул (контрастирующей с металлическими тенями), организации молекул в вирусах и филаментов цитоскелета (полученных методом отрицательного окрашивания), и расположение белковых молекул в клеточных мембранах (путем замораживания-разрушения).

Обычная сканирующая электронная микроскопия зависит от испускания вторичных электронов с поверхности образца. Из-за большой глубины резкости сканирующий электронный микроскоп является электромагнитным аналогом светового стереомикроскопа.Он обеспечивает подробные изображения поверхности клеток и целых организмов, которые невозможно получить с помощью ПЭМ. Его также можно использовать для подсчета частиц и определения размера, а также для управления технологическим процессом. Он называется сканирующим электронным микроскопом, потому что изображение формируется путем сканирования сфокусированным электронным лучом на поверхность образца в виде растрового изображения. Взаимодействие первичного электронного пучка с атомами у поверхности вызывает испускание частиц в каждой точке растра (например,, вторичные электроны низкой энергии, электроны обратного рассеяния высокой энергии, рентгеновские лучи и даже фотоны). Их можно собирать с помощью различных детекторов, а их относительное количество переводится в яркость в каждой эквивалентной точке электронно-лучевой трубки. Поскольку размер растра на образце намного меньше, чем размер экрана ЭЛТ, окончательное изображение представляет собой увеличенное изображение образца.