Устройство и преимущество сканирующего электронного микроскопа

Электронные микроскопы – это научные приборы, которые исследуют объекты в очень большом масштабе с применением энергетического электронного пучка.

Эти приборы были разработаны еще в начале 1930-х годов, в связи с возникшим научным желанием исследовать мельчайшие детали строения органических клеток, которые требуют более чем 10000-х увеличения.

Ограничения оптических микроскопов стимулируют изобретение электронных микроскопов.

Электронный микроскоп отличается от оптического тем, что использует электростатические и электромагнитные линзы для направления электронного луча и фокусировки его для освещения образца с целью формирования изображения.
Хотя принцип действия электронно-оптических линз кажется схожим со стеклянными линзами с изобретением светового оптического микроскопа, но концепция и форма изображения с электронным  совершенно различны.

Прежде всего, возникает два вопроса: Что такое электронный микроскоп? Чем электронный микроскоп отличается от оптического?

Типы электронных микроскопов

Существует два типа электронных микроскопов:

  • сканирующий электронный микроскоп;
  • просвечивающий электронный микроскоп.

Они имеют общие черты, но есть и различия между ними.

Все виды микроскопов широко используются для диагностики в медицине и ветеринарии, медицинских исследованиях, исследованиях и разработках материалов и новых материалов для промышленности, а также в других науках, таких как археология, металлургия, ботаника, зоология.

Принцип работы

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) – это тип электронного микроскопа, который изображает образец, сканируя его сфокусированным пучком заряженных электронов в растровом сканирующем узоре (прямоугольном узоре захвата и реконструкции изображения). Различные сигналы, которые могут быть обнаружены, когда электроны взаимодействуют с атомами в образце, где сигналы могут быть интерпретированы в информацию о свойствах поверхности образца. Затем положение луча комбинируется с обнаруженным сигналом для получения изображения. СЭМ может достигать разрешения лучше, чем 1 нанометр. Сканирующий электронный микроскоп Образцы можно наблюдать в высоком вакууме, в низком вакууме, во влажных условиях, в окружающей среде, а также в широком диапазоне криогенных или повышенных температур.

Наиболее распространенным режимом СЭМ является обнаружение вторичных электронов, испускаемых атомами, возбужденными электронным пучком. Количество вторичных электронов зависит от угла, под которым пучок встречается с поверхностью образца. При сканировании образца и сборе вторичных электронов с помощью специального детектора создается изображение, отображающее топографию поверхности.

Как следует из названия, СЭМ использует электронную пушку, которая испускает сфокусированный пучок электронов высокой энергии, заменяющий источник света, используемый в оптическом микроскопе.

Достоинства

  • Сила увеличения составляет около 300 000 х по сравнению с несколькими сотнями раз, которые производит оптический.
  • Обеспечивает большую глубину резкости по сравнению с оптическими, что позволяет сложным 3D-объектам оставаться четкими и в фокусе.
  • Можно делать высококачественные цифровые фотографии всего, что видно в это устройство.

Недостатки

  • Недостатки обычного СЭМ заключаются в том, что образец должен быть твердым и небольшим, чтобы он мог поместиться внутри камеры.
  • Очень легкие элементы, такие как H, He, Li и элементы, которые находятся ниже атомного номера 14, не могут быть обнаружены с помощью этого типа.
  • Самые дешевые стоят около десятков тысяч долларов и являются достаточно громоздкими и сложными инструментами, требующими высокой технической экспертизы и подготовки при обращении.

Таким образом, эти факты ограничивают использование при исследованиях и промышленном применении.

Основные компоненты и устройство

Работа сканирующего электронного микроскопа во многом похожа на работу видеокамеры.

Внутренняя часть прибора представляет собой вакуум, чтобы электронные лучи не врезались в молекулы воздуха.

Основные компоненты включают:

Электронная пушка

В верхней части  расположена электронная пушка, испускающая электроны. Как правило, нагретые вольфрамовые нити используются для испускания электронов.Сканирующий электронный микроскоп

Анод притягивает эти электроны и позволяет им проскользнуть через отверстие в нем. Этот луч отклоняется отклоняющими катушками и сканируется над образцом по оси x и y, что очень похоже на то, что мы используем в электронно-лучевой трубке, используемой в старых больших телевизорах.

Линзы: электроны имеют форму пучка, который должен быть сфокусирован на маленьком пятне размером около одной миллиардной метра, прежде чем они достигнут образца. Эта фокусировка осуществляется с помощью электромагнитных линз, которые используют свойство изгиба электрона из-за магнитного поля.

Камера

Исследуемый образец находится в нижней части камеры, которую можно перемещать вдоль направлений x, y и z, а также поворачивать под определенными углами. Она также изолирует СЭМ от вибраций. СЭМ обладает высокой чувствительностью к вибрации, так как она вызывает искажение снимаемого им изображения. Прежде чем образец попадет в камеру, необходимо убедиться, что он свободен от пыли. Чаще всего для шлифования образца используется тонкое покрытие из металла.

Детекторы сигналов

Когда электронный пучок попадает на поверхность образца, генерируется целый ряд сигналов.

Каждый сигнал обнаруживается отдельными детекторами. Вторичные электроны, генерируемые этим электронным пучком, обнаруживаются с помощью сцинтиллятора/фотоумножителя, который является интересным устройством, используемым для обнаружения слабых уровней света. С помощью этого детектора вторичных электронов выявляется поверхностная структура и топологический контраст. Обратное рассеяние электронов регистрируется с помощью твердотельных диодов, и это дает информацию о топологии, атомном номере и кристаллографии образца. Образец также испускает рентгеновские лучи, видимый свет, УФ-и ИК-излучение, которые обнаруживаются другими специфическими детекторами.

Вакуумная камера

Вакуум является важным критерием правильного функционирования.

Как и без вакуума, электроны, генерируемые электронной пушкой, могут подвергаться постоянным помехам, вызванным частицами воздуха, присутствующими внутри камеры. Воздушная частица не только блокирует электроны, испускаемые электронной пушкой, но и может выбивать электроны из образца, тем самым повреждая исследуемый образец. Большая часть сканирующих электронных микроскопов работает при давлении 0,0001 торр, что составляет около 1,315/10000000 атмосферного давления по сравнению с атмосферным давлением уровня моря.

Пульт управления

Пульт управления отвечает за регулировку излучений от электронной пушки, фокусировку электромагнитных линз, потенциал ускорения пучка, размер и скорость сканирования. Электроны, улавливаемые этими детекторами, поступают в монитор, который создает изображение. Увеличение регулируется за счет уменьшения размера сканирования. Высококачественные фотографии можно сделать снизив скорость сканирования.

Сканирующий электронный микроскоп – это очень мощный прибор, который показывает нам картину нового мира в таких огромных деталях, которые невидимы для оптического микроскопа. Он позволяет нам видеть объекты в деталях меньших, чем длина волны самого света.