в каком году изобрели электронный микроскоп
Электронный микроскоп
Электро́нный микроско́п (ЭМ) — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10 6 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока пучка электронов с энергиями 200 В ÷ 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ).
Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение 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.
Содержание
История создания электронного микроскопа
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.
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
Просвечивающая электронная микроскопия
Первоначальная вид электронного микроскопа. 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 +200 кэВ (используются различные напряжения от 20кэВ до 1мэВ), фокусируется системой электростатических линз, проходит через образец так, что часть его проходит рассеиваясь 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.ааааа
Просвечивающая растровая(сканирующая) электронная микроскопия (ПРЭМ)
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
В основе лежит телевизионный принцип развертки тонкого пучка электронов по поверхности образца.
Низковольтная электронная микроскопия
Сферы применения электронных микроскопов
Полупроводники и хранение данных
Биология и биологические науки
Основные мировые производители электронных микроскопов
См. также
Примечания
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Электронный микроскоп» в других словарях:
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП — прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объекта, в к ром вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 1000 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума. Физ … Физическая энциклопедия
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП — прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в к ром вместо световых лучей используются пучки эл нов, ускоренных до больших энергий (30 100 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума. Физ.… … Физическая энциклопедия
Электронный микроскоп — (схема). ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, вакуумный электронно оптический прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, полученного с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий.… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП — ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, МИКРОСКОП, который «освещает» изучаемый объект потоком электронов. Вместо обычных линз в нем имеются магниты, фокусирующие электронный пучок. Это устройство позволяет разглядеть предметы очень малых размеров, потому что… … Научно-технический энциклопедический словарь
электронный микроскоп — Микроскоп для наблюдения и фотографирования многократного (до 106 раз) увелич. изображения объекта, в к ром вместо световых лучей используются пучки эл нов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума (1… … Справочник технического переводчика
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП — прибор, в котором для получения увеличенного изображения используется электронный пучок. Разрешающая способность электронного микроскопа в сотни раз превышает разрешающую способность оптического микроскопа … Большой Энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП — ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, вакуумный электронно оптический прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, полученного с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий. Разрешающая… … Современная энциклопедия
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП — прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп.… … Энциклопедия Кольера
Электронный микроскоп — прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 100 кэв и более) в условиях глубокого… … Большая советская энциклопедия
электронный микроскоп — [electron microscope] микроскоп для наблюдения и фотографирования многократного (до 106 раз) увеличенного изображения объекта, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 100 кэВ и более) в… … Энциклопедический словарь по металлургии
Как ловили электроны: таймлайн развития электронной микроскопии
Эта статья — продолжение серии материалов про электронный микроскоп в гараже. На всякий случай вот ссылка на первый выпуск.
Наш проект подошёл к тому этапу, когда нужен детектор (электронов, вторичных или упруго-отражённых). Но прежде расскажу вам, зачем именно этот детектор нужен и как учёные пришли к его современной конструкции.
Для наглядности сделаем это в виде таймлайна.
1873 — 1878 гг
Рассматривая распространение света как волновой процесс, Ernst Abbe был огорчён невозможностью преодоления дифракционного предела в то время. «Остаётся только утешаться тем, что человеческий гений когда-нибудь найдёт пути и средства для преодоления этого предела. » [1]
1935 г.
К этому моменту учёные поняли, что длина волны электронного луча настолько мала, что позволит построить микроскоп, значительно превосходящий оптический микроскоп.
В этом году Max Knoll (и Ernst Ruska) впервые получил изображение просканировав поверхность образца электронным лучом. Никакой дополнительной системы фокусировки электронного луча не было, поэтому наименьший диаметр луча, который удалось получить составил 100мкм.
[2]
Ток луча измерялся микроамперами, поэтому можно было усиливать сигнал с проводящего образца с помощью уже разработанных тогда электронных ламп. Вот так и появился детектор поглощённого тока (absorbed current / specimen current).
На самом деле Knoll получил настоящее изображение во вторичных электронах. Потому, что поглощённый образцом ток — сколько электронов в него ударилось (сканирующий луч) минус те, что отлетели или были вторично эмитированы.
Увеличение варьировалось от 1х до 10х путём изменения амплитуды колебаний электронного луча в микроскопе (что кстати ранее продемонстрировал В. Зворыкин в оптическом микроскопе, оснащённом телевизионной камерой). Для получения большего увеличения нужно уменьшать диаметр луча.
Изображение ферросилиция из [3].
1937 г.
Разработаны современные электростатические фотоэлектронные умножители, далее для краткости — ФЭУ. Разработка ФЭУ в США велась корпорацией RCA, в которой также работал и В.Зворыкин над электронным микроскопом.
Пример ФЭУ с подключённой электроникой. Тот самый ФЭУ производства RCA, тип 4517.
ФЭУ — это очень чувствительное устройство, пригодное для регистрации отдельных фотонов. Его коэффициент усиления составляет порядка 100 миллионов.
Принцип действия очень простой. Через входное окно из кварцевого стекла фотоны попадают на фотокатод.
Фотокатод эмитирует электроны, которые летят к специальным электродам — динодам, расположенным последовательно. Коэффициент вторичной эмиссии динодов больше единицы: влетел один электрон, а вылетело больше одного. Таким образом получается лавинообразное увеличение количества электронов, которые в конце достигают анода, с которого и снимается полезный сигнал. Между динодами поддерживается разность потенциалов с помощью резистивного делителя, поэтому ФЭУ и называется электростатическим.
В этом ФЭУ диноды расположены нелинейно:
1938 г.
Manfred von Ardenne применил уже открытые электростатические и электромагнитные линзы (на рисунке сверху они показаны для фокусировки луча в электронно-лучевой трубке) для уменьшения диаметра электронного луча вплоть до 4 нм.
Но ток луча стал таким маленьким ( 
A, т.е. около 0.1 пА), что усилить его с помощью тёплого лампового усилителя было невозможно: полезный сигнал был гораздо меньше шума.
Пришлось записывать получаемое изображение на просвет (или на отражение) на плёнку, со временем экспозиции около 20 минут. Для наведения фокуса была отдельная система с цельным кристалликом сульфида цинка, рассматриваемого в оптический микроскоп.
1942 г.
В тоже самое время над электронным микроскопом работал Владимир Зворыкин. Он сконструировал сканирующий электронный микроскоп в современном его понимании: электронно-оптическая колонна, камера с образцом, вакуумная система. Сканирование по стандарту на ТВ в то время в США: 441 строка, 30 кадр/с. Но при уменьшении диаметра луча меньше 1 микрона ток становился слишком маленьким и в результате усиления был только шум.
Следующей попыткой было увеличить ток луча и применить катод с полевой эмиссией. Для этого опять пришлось вернуться к запаянной стеклянной трубке забыв о смене образцов. Зато удалось экспериментально получить увеличение 8000х.
Вновь вернувшись к сканирующему электронному микроскопу с отключаемой вакуумной системой, Владимир Козьмич предложил следующее решение:
Расположить люминисцентный экран рядом с образцом, а уже затем детектировать испускаемые им фотоны с помощью ФЭУ (разработкой ФЭУ занималась та же компания, в которой работал Зворыкин).
Преимущество этого решения с двойным преобразованием (электроны — фотоны — электроны) в том, что можно уменьшить скорость сканирования и таким образом увеличить соотношение сигнал/шум до необходимого.
Отсюда пошёл режим медленнего сканирования (slow scan), который есть и в современных электронных микроскопах. Но из-за этого режима изображение больше не выводилось в реальном времени, а записывалось специальным факсимильным аппаратом (видимо, производства той же фирмы). И опять возникает та же проблема с настройкой фокуса, но решение ещё раньше предложил von Ardenne: наблюдая одну линию сканирования на осциллографе настраивать фокус так, чтобы преобладали высокие частоты.
Интересно то, что образец имел потенциал +800В, катод был заземлён, а электроны ускорялись анодом до 10кэВ. Таким образом, в люминисцентный экран электроны врезались с энергией 9.2кэВ. Нужно это было для работы четвёртой, иммерсионной электростатической линзы, которая должна была влиять только на вторичные электроны, а не исходный луч.
1947 г.
Palluel опубликовал работу, в которой экспериментально показал зависимость эмиссии упругоотражённых электронов от атомного номера элемента для электронного луча энергией 20кэВ. Чем больше номер, тем больше эмиссия электронов. Это явилось достаточно важным открытием, но получить первое изображение с контрастом по атомному номеру удалось лишь в 1957 г.
В настоящее время с развитием полупроводниковых детекторов отражённых электронов получить такой контраст не составляет труда. Вот, например, фотография из прошлого видео про антимонид галлия:
Даже при ускоряющем напряжении 15кВ композиционный контраст сильно заметен.
1960 г.
Thomas Everhart и Richard Thornley разработали улучшенный вариант детектора электронов, который и называется в их честь: Детектор Эверхарта-Торнли. Это самый распространённый детектор, используемый в сканирующих электронных микроскопах по сей день. Фактически, сам принцип остался неизменным с 1942 года. Новизна добавилась в детектировании упруго-отражённых электронов, где широко используются полупроводниковые датчики.
Что же такого предложили Everhart и Thornley? Схематично это выглядит так:
В вакуумной камере микроскопа рядом с образцом располагается клетка Фарадея 1. Внутри неё находится люминисцентный экран 3 (сцинтиллятор), излучающий фотоны при попадании электронов. Эти фотоны по световоду 2 выходят за пределы вакуумной камеры и попадают в ФЭУ, где на фотокатоде обратно преобразуются в электроны и многократно усиливаются за счёт эмиссии вторичных электронов на динодах внутри ФЭУ.
Чтобы не делать иммерсионную линзу, как Зворыкин, и не держать предметный столик под потенциалом 800 В, клетка Фарадея 1 выполняет функцию коллектора: на неё подаётся положительный потенциал около 200 — 400 В, который притягивает вторичные электроны с низкими энергиями, но практически не оказывает влияния на основной электронный луч.
Но электроны с энергиями порядка сотен эВ не приведут к возбуждению люминофора и излучению достаточного количества фотонов. Поэтому, на сцинтиллятор 3 (если он металлизирован, если нет, то придётся сделать вокруг него электростатическую линзу) подаётся ускоряющее напряжение порядка +12кВ, что гарантированно возбудит люминофор. Кстати, если бы не было клетки Фарадея 1, то это напряжение оказало бы значительное влияние на основной луч, сильно отклонив его.
Металлизированный сцинтиллятор.
Казалось бы, достаточно много лишних преобразований, но «просто это работает».
В начало статьи я вынес фотографию вакуумной части детектора Эверхарта-Торнли, где можно наглядно видеть клетку Фарадея, металлизированный сцинтиллятор, провода, подводящие ускоряющее напряжение и прочее.
А вот так фотоэлектронный умножитель видит окружающий мир сцинтиллятор: 
В следующих сериях
Теперь можно самостоятельно изготовить детектор Эверхарта-Торнли для нашего JEOL’а, усилитель поглощённого тока, и попробовать сделать полупроводниковый детектор отражённых электронов.
С момента первой публикации прошёл один год. За это время удалось очень многое узнать, во многом разобраться, и поделиться этим с вами. Познакомиться с очень интересными людьми, которые сильно помогли проекту. И, написать десять статей про электронный микроскоп в гараже.
Конечно, хотелось довести проект до получения первого изображения к этой дате, но был очень занят. Тем не менее, на подходе новые статьи про электронику, эксперименты с электронным лучом и много чего ещё — надеюсь, вам нравится! Сразу после выхода каждой статьи я каждые несколько минут проверяю комментарии, кто что пишет, одобряют ли, есть ли неточности, требующие исправления. На протяжении года эта обратная связь — основная мотивация продолжать работу над проектом.
Электронный микроскоп
Д. Д. Галанин («Наука и жизнь» №2, 1934 год)
«Наука и жизнь» №10, 2009
Современная наука имеет глубокие корни. Гораздо более глубокие, чем может показаться на первый взгляд. Журнал «Наука и жизнь», основанный в 1890 году и возобновлённый после перерыва в октябре 1934 года, помогает проследить историю развития научно-технической мысли.
Волны и частицы
Как были открыты электроны
Представление об электронах как отдельных частичках, могущих в пустоте двигаться с большими скоростями, было создано английскими учёными В. Круксом и Дж. Дж. Томсоном в связи с рядом опытов по прохождению электричества через крайне разреженные газы.
Крукс помещал металлическую пластинку внутри стеклянной трубки, из которой выкачивался газ, и заряжал её до большого напряжения отрицательным электричеством. Если напряжение было достаточно велико, из пластинки во все стороны перпендикулярно к её поверхности начинали исходить какие-то лучи, невидимые глазу, но заставляющие стекло трубки светиться зелёным светом. Обнаружить эти лучи было очень легко, ставя между пластинкой и стеклом какой-нибудь предмет, так как на стекле получалась тень, форма которой ясно указывала, что из пластинки по прямым линиям исходят какие-то лучи, заставляющие стекло светиться (рис. 1).
Чтобы исследовать природу этих лучей, был придуман целый ряд необычайно остроумных опытов, и удалось с полной несомненностью доказать, что эти лучи представляют собой летящие с огромной скоростью частицы электричества, названные электронами.
Как можно управлять движением электронов
На рис. 2 схематично изображена стеклянная трубка, из которой выкачан воздух, снабжённая несколькими электродами, к которым можно подводить электрическое напряжение.
Электрод К (катод) заряжен отрицательно по отношению к пластинке А (анод) настолько сильно, что из него будут вылетать электроны. Обычно катод нагревают до высокой температуры, тогда напряжение между катодом и анодом может быть значительно меньше.
Электроны полетят от электрода к пластинке, и их скорость будет всё время возрастать; если в аноде сделано отверстие, то разогнавшиеся электроны, пролетая через отверстие, будут продолжать лететь с достигнутой скоростью по инерции прямолинейным пучком.
Если вдоль пучка расположить пластинку, покрытую веществом, светящимся от ударов электронов, то этот пучок делается видным в виде узкой светящейся полоски, указывающей путь электронов.
Статья об электронном микроскопе, написанная блестящим популяризатором науки, физиком и педагогом Дмитрием Дмитриевичем Галаниным, была опубликована в «Науке и жизни» 75 лет назад. Автор статьи не ошибся в своих предсказаниях: сейчас электронный микроскоп — вполне обычный научный прибор в арсенале физиков, химиков, биологов, благодаря которому можно увидеть отдельные молекулы и даже атомы. Более того, электронный микроскоп стал важнейшим инструментом нанотехнологий.
Вспомним некоторые важные научные вехи в развитии электронной микроскопии.
Поставим сверху и снизу от этого пучка летящих электронов две металлические пластинки и зарядим верхнюю пластинку (M) отрицательно, а нижнюю (N) положительно. Тогда электроны, отталкиваясь от верхней и притягиваясь к нижней, изогнут свой путь. Этот изгиб будет вполне похож на изгиб под влиянием силы тяжести струи воды, вытекающей из горизонтальной трубы. Величина изгиба будет зависеть от величины напряжения между пластинками M и N и от скорости электронов. Понятно, чем скорость будет больше, тем изгиб будет меньше и чем напряжение будет больше, тем больше будет и изгиб.
Придавая пластинкам соответствующую форму и меняя напряжение и скорость электронов, получают возможность управлять движением электронов. Надо только точно рассчитать, как эти пластинки будут влиять на полёт электронов. Это довольно трудная задача, но с ней легко может справиться хороший математик. То же отклонение пучка можно сделать при помощи магнитного поля.
Электронная линза
На рис. 3 изображён опыт с электронной линзой, из которого видно, как хорошо удаётся управлять потоком летящих электронов. Из ряда отверстий с левой стороны рисунка выходят несколько расходящихся пучков электронов, дальше они проходят через так называемую электронную линзу, состоящую из заряженных пластинок. Крайние пластинки линзы заряжены отрицательно, а средняя пластинка — положительно. Пучки электронов отклоняются линзой и пересекаются совершенно так же, как лучи света, проходящие через стеклянное оптическое стекло. На среднем рисунке напряжение сделано меньше, и пучки, отклоняясь, делаются параллельными, а на нижнем рисунке (без напряжения) остаются расходящимися.
На практике оказывается гораздо удобнее пользоваться не заряженными пластинками, а катушками, создающими магнитное поле. Влияние магнитных сил на полёт электрона несколько сложнее, но, по существу, ничем не отличается от влияния электрических сил, и при помощи магнитного поля соответственно подобранной катушки, по которой проходит электрический ток, можно также построить электронную линзу.
Электронный микроскоп
Получив возможность построить электронную линзу, нетрудно осуществить и сложный электронный микроскоп.
С внешней стороны электронный микроскоп изображён на рис. 4. Назначение отдельных частей указано на самом рисунке.
Результаты исследования при помощи электронного микроскопа
На рис. 5 представлен снимок, сделанный электронной линзой с нагретого, покрытого окисью катода, испускающего электроны. На снимке видно, что только отдельные части катода испускают электроны. Расположение этих пятен позволяет изучать структуру слоя окиси, что представляет очень большой интерес, так как такие окисные катоды применяются для катодных радиоламп.
На рис. 6 изображён тоновой снимок решётки из тонкой проволоки, причём расстояние между проволочками равно 0,3 мм. Слева — снимок при помощи электронного микроскопа, а справа — снимок при помощи светового микроскопа. Электронный снимок во всяком случае не хуже, чем световой.
Обычный световой микроскоп не может разделить двух точек или чёрточек, если расстояние между ними меньше четверти длины световой волны. Световые волны имеют заметные размеры, и поэтому «разрешающая способность» светового микроскопа достигает не более чем 0,4 μ (мкм, 10 –6 м. — Ред.), или 4000 Å (Å — ангстрем = 10 –8 см). Предел «разрешающей способности» электронного микроскопа ставится длиной волны того волнового процесса, который, согласно воззрениям современной физики, окружает летящий электрон, — длиной «волн материи» Де-Бройля.
Длина волны материи зависит от скорости летящего электрона и будет тем меньше, чем больше скорость электрона. Поэтому, увеличивая скорость электронов, можно сделать «разрешающую способность» электронного микроскопа почти безграничной. Можно подсчитать, по теории Де-Бройля, что при скорости электронов 750 вольт «разрешающая способность» электронного микроскопа уже достигает 22 ангстрем, а при легко достижимой скорости 75 000 вольт она делается около 2 ангстрем, то есть приближается к размерам атома.
Первые электронные микроскопы были построены всего 2–3 года назад (в начале 1930-х годов. — Ред.), но уже сейчас при их помощи можно получать снимки тонких листочков металла, прозрачных для электронов, с увеличением в 7–12 000 раз.
Электронный микроскоп, возможно, сделается скоро таким же обычным прибором, как световой микроскоп, и трудно сейчас представить, сколь интересные результаты могут быть получены при помощи этого прибора.
* См. статью акад. А. Ф. Иоффе в № 1, 1934 г. (перепечатана в журнале «Наука и жизнь» №10, 2004 год).