Электронный микроскоп

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Электронный микроскоп. Модель 1960-х годов

Электро́нный микроско́п (ЭМ) — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока пучка электронов с энергиями 200 эВ ÷ 400  кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ).

Разрешающая способность электронного микроскопа в 1 000÷10 000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.

История создания электронного микроскопа[править | править исходный текст]

В 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 году М. Кнолль и Э. Руска построили первый прототип современного прибора. Эта работа Э. Руски в 1986 году была отмечена Нобелевской премией по физике, которую присудили ему и изобретателям сканирующего зондового микроскопа Герду Карлу Биннигу и Генриху Рореру. Использование просвечивающего электронного микроскопа для научных исследований было начато в конце 1930-х годов и тогда же появился первый коммерческий прибор, построенный фирмой Siemens.

В конце 1930-х — начале 1940-х годов появились первые растровые электронные микроскопы, формирующие изображение объекта при последовательном перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось в 1960-х годах, когда они достигли значительного технического совершенства.

Значительным скачком (в 70-х гг) в развитии было использование вместо термоэмиссионных катодов — катодов Шоттки и катодов с холодной автоэмиссией, однако их применение требует значительно большего вакуума.

В конце 90х — начале 2000х компьютеризация и использование CCD-детекторов значительно упростили получение изображений в цифровом виде.

В последнее десятилетие в современных передовых просвечивающих электронных микроскопах используются корректоры сферических и хроматических аберраций (что вносят основное искажение в получаемое изображение), однако их применение порой значительно усложняет использование прибора.

Виды электронных микроскопов[править | править исходный текст]

Просвечивающая электронная микроскопия[править | править исходный текст]

В просвечивающем электронном микроскопе используется высокоэнергетический электронный пучок для формирования изображения. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB6, Шоттки или холодной полевой эмиссии). Полученный электронный пучок ускоряется обычно до 80-200 кэВ (используются различные напряжения от 20кэВ до 1МэВ), фокусируется системой магнитных линз (иногда электростатических линз), проходит через образец так, что часть электронов рассеивается на образце, а часть — нет. Таким образом, прошедший через образец электронный пучок несет информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на люминесцентном экране (как правило, из сульфида цинка), фото-пластинке или CCD-камере.

Разрешение ПЭМ лимитируется в основном сферической аберрацией. Некоторые современные ПЭМ имеют корректоры сферической аберрации.

Основными недостатками ПЭМ являются необходимость в очень тонком образце (порядка 100нм) и неустойчивость(разложение) образцов под пучком.

Просвечивающая растровая(сканирующая) электронная микроскопия (ПРЭМ)[править | править исходный текст]

Один из типов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), однако есть приборы работающие исключительно в режиме ПРЭМ. Пучок электронов пропускается через относительно тонкий образец, но, в отличие от обычной просвечивающей электронной микроскопии, электронный пучок фокусируется в точку, которая перемещается по образцу по растру.

Растровая (сканирующая) электронная микроскопия[править | править исходный текст]

В основе лежит телевизионный принцип развертки тонкого пучка электронов по поверхности образца.

Недостатки[править | править исходный текст]

Электронные микроскопы дороги в производстве и обслуживании, но общая и эксплуатационная стоимость конфокального оптического микроскопа сравнима с базовыми электронными микроскопами. Микроскопы высокого разрешения должны содержаться в стабильных (без вибраций) помещениях и без внешних электромагнитных полей.

В большинстве случаев образцы должны наблюдаться под вакуумом, так как молекулы атмосферы иначе будут рассеивать электроны. Впрочем существуют методики, позволяющие частично обойти данное ограничение.

Сферы применения электронных микроскопов[править | править исходный текст]

Полупроводники и хранение данных

  • Редактирование схем
  • Метрология 3D
  • Анализ дефектов
  • Анализ неисправностей

Биология и биологические науки

  • Криобиология
  • Локализация белков
  • Электронная томография
  • Клеточная томография
  • Крио-электронная микроскопия
  • Токсикология
  • Биологическое производство и мониторинг загрузки вирусов
  • Анализ частиц
  • Фармацевтический контроль качества
  • 3D изображения тканей
  • Вирусология
  • Стеклование

Научные исследования

  • Квалификация материалов
  • Подготовка материалов и образцов
  • Создание нанопрототипов
  • Нанометрология
  • Тестирование и снятие характеристик устройств
  • Исследования микроструктуры металлов

Промышленность

  • Создание изображений высокого разрешения
  • Снятие микрохарактеристик 2D и 3D
  • Макрообразцы для нанометрической метрологии
  • Обнаружение и снятие параметров частиц
  • Электронная литография
  • Динамические эксперименты с материалами
  • Подготовка образцов
  • Судебная экспертиза
  • Добыча и анализ полезных ископаемых
  • Химия/Нефтехимия
  • Фрактография

Основные мировые производители электронных микроскопов[править | править исходный текст]

  • Delong Group
  • KYKY — Китай
  • Nion Company — США
  • FOCUS GmbH — Германия
  • ОАО «SELMI» — Украина

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]