Просвечивающий электронный микроскоп

Поперечный срез клетки бактерии сенной палочки, снятый при помощи аппарата Tecnai T-12. Масштаб шкалы — 200 нм.

Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ) — это устройство, в котором изображение от ультратонкого образца (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (ПЗС-матрице).

История

Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской 9 марта 1931 года. Первый практический просвечивающий электронный микроскоп был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. Эрнсту Руске за его открытие в 1986 году присуждена Нобелевская премия по физике.

Основы

Первый практический ПЭМ, на экспозиции в немецком музее в Мюнхене, Германия

Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено длиной волны фотонов, используемых для освещения образца и угловой апертурой оптической системы (так называемый барьер Аббе).

$d=\frac{\lambda}{2n \sin\alpha} \approx \frac{\lambda}{2\,\textrm{NA}}$

В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400—700 нанометров) путём использования электронов. Электроны эмитируются в электронном микроскопе посредством термоэлектронной эмиссии из нити накаливания (вольфрамовая проволока или монокристалл гексаборида лантана), либо посредством полевой эмиссии. Затем электроны ускоряются высокой разностью потенциалов и фокусируются на образце электромагнитными (или реже — электростатическими) линзами. Прошедший через образец луч содержит информацию об электронной плотности, фазе и периодичности; которые используются при формировании изображения.

Компоненты

ПЭМ состоит из нескольких компонентов:

• вакуумная система;
• предметный столик;
• источник электронов (электронный прожектор, электронная пушка) для генерирования электронного потока;
• источник высокого напряжения для ускорения электронов;
• набор электромагнитных линз и электростатических пластин для управления и контроля электронного луча;
• апертуры;
• экран, на который проецируется увеличенное электронное изображение (постепенно выходит из употребления, заменяясь детекторами цифрового изображения)

Вакуумная система

Для увеличения длины свободного пробега электрона воздух из колонны обычного ПЭМ откачивается до низкого давления, обычно до 10⁻⁴ Па. Это делается по двум причинам: первая — возможность создания значительной разности потенциалов между катодом и землей без возникновения электрической дуги, и вторая — уменьшение частоты столкновения электронов с атомами газа до незначительного уровня (см. Длина свободного пробега). Составляющие ПЭМ, такие как держатель образца и картриджи пленок, должны рутинным образом вводиться и заменяться по необходимости с возможностью переоткачки. ПЭМы оснащены несколькими системами откачки и шлюзов и, по существу, герметичны не постоянно.

Вакуумная система откачки ПЭМ до рабочего давления состоит из нескольких ступеней. Сперва с помощью роторного или мембранного насоса достигается низкий вакуум позволяющего работать турбомолекулярному или диффузионному (англ.) насосу, который доводит вакуум до необходимой рабочей величины.

Части ПЭМ могут быть разделены специально апертурой (pressure-limiting aperture), пропускающей электроный пучок, но затрудняющей обмен остаточными газами между частями вакуумной системы. Это может быть полезным для создания в отдельных областях различного уровня вакуума, например, высокого вакуума от 10⁻⁴ до 10⁻⁷ Па и выше в электронной пушке в ПЭМ высокого разрешения или с автоэмиссией (область электронной пушки может иметь отдельную систему откачки посредством гетероионных насосов).

Предметный столик

Сетка для поддержки образцов ПЭМ со срезом, полученным с помощью ультрамикротома

Конструкция предметного столика включает шлюзы, позволяющие ввод держателя образца в вакуумную среду микроскопа с минимальным увеличением давления. Держатели образца приспособлены как для для фиксации сеток стандартных размеров на которые помещаются образцы, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Стандартный диаметр ПЭМ сетки — 3.05 мм.

Электронная пушка

Принципиально электронные пушки разделяются по принципу работы на термоэлектронные и автоэмиссионные.

Термоэлектронная электронная пушка

Термоэлектронная пушка состоит из трех элементов: катода, Венельта и анода. Венельт имеет более отрицательный потенциал, нежели чем катод, — напряжение смещения. Напряжение смещение может изменяться и используется для контроля эмиссии катода. Высокое напряжение смещения ограничивает до малых размеров область с которой происходит эмиссия, таки образом уменьшая общий эмитируемый ток, в то время как уменьшение напряжения смещения приводит к обратному.

Эмитированные электроны, прошедшие через Венельт, образуют кроссовер между катодом и анодом. Данный кроссовер по сути является источником электронов для оптической системы микроскопа.

Автоэмиссионная электронная пушка

Автоэмиссионная электронная пушка бывает двух типов: с катодом холодной автоэмиссии и с катодом Шоттки

Апертуры

Апертуры представляют собой металлические пластины с отверстиями, через которые могут пройти электроны, которые отклоняются от оптической оси не более чем на фиксированный угол.

См. также

• Растровый электронный микроскоп
• Сфокусированный ионный пучок
• Дифракция отраженных электронов
• Линии Кикучи
• Электронный микроскоп
• Преобразование Фурье

Литература

• Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов, Л. Н. Расторгуев. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 1982, 632 с.
• Д. Синдо. Т. Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2006, 256 с. ISBN 5-94836-064-4.

Ссылки

• The National Center for Electron Microscopy, Berkeley California USA
• The National Center for Macromolecular Imaging, Houston Texas USA
• The National Resource for Automated Molecular Microscopy, La Jolla California USA
• Manufacturer of TEM’s (FEI Company)
• Delong Group
• Tutorial courses in Transmission Electron Microscopy
• Cambridge University Teaching and Learning Package on TEM
• Лаборатория электронной микроскопии ЦКП МГУ им. Ломоносова
• Центр коллективного пользования электронной микроскопии ИБВВ РАН