Elektronmikroszkóp Az elektronmikroszkóp egy olyan eszköz, amely a fényáram helyett az elektronnyaláb használatának köszönhetően akár 10 6-szoros maximális nagyítású képek készítését teszi lehetővé. Az elektronmikroszkóp felbontása 1000÷10000-szer nagyobb, mint a fénymikroszkópé, és a legjobb modern műszerek esetében több angström (10-7 m) is lehet.
Az elektronmikroszkóp megjelenése a 19. század végén és a 20. század elején történt fizikai felfedezések sorozata után vált lehetővé. Ez az elektron felfedezése 1897-ben (J. Thomson) és az elektron hullámtulajdonságainak kísérleti felfedezése 1926-ban (K. Davisson, L. Germer), megerősítve de Broglie 1924-ben a hullámról feltett hipotézisét. - minden típusú anyag részecske kettőssége. 1926-ban a német fizikus, H. Busch megalkotott egy mágneses lencsét, amely lehetővé tette az elektronsugarak fókuszálását, amely előfeltétele volt az első elektronmikroszkóp megalkotásának az 1930-as években. 1931-ben R. Rudenberg szabadalmat kapott egy transzmissziós elektronmikroszkópra, majd 1932-ben M. Knoll és E. Ruska megépítette egy modern eszköz első prototípusát. E. Ruski ezt a munkáját 1986-ban fizikai Nobel-díjjal jutalmazták, amelyet neki és a pásztázó szondás mikroszkóp feltalálóinak, Gerd Karl Binnignek és Heinrich Rohrernek ítéltek oda. 1938-ban Ruska és B. von Borries megépítette egy ipari transzmissziós elektronmikroszkóp prototípusát a németországi Siemens-Halske számára; ez a műszer végül 100 nm-es felbontás elérését tette lehetővé. Néhány évvel később A. Prebus és J. Hiller megépítette az első nagy felbontású OPEM-et a Torontói Egyetemen (Kanada). Az 1930-as évek végén és az 1940-es évek elején jelentek meg az első pásztázó elektronmikroszkópok (SEM), amelyek egy kis keresztmetszetű elektronszonda egymás utáni mozgatásával alkottak egy tárgy képet. Tömeges alkalmazás Ezeket a műszereket az 1960-as években kezdték használni a tudományos kutatásban, amikor jelentős műszaki kiválóságot értek el. A SEM jelenlegi formájában Charles Otley találta fel 1952-ben. Igaz, egy ilyen készülék előzetes verzióit a 30-as években a németországi Knoll, a hatvanas években pedig Zworykin és munkatársai az RCA Corporationnél építette, de csak az Otley készüléke tudott számos műszaki fejlesztés alapjául szolgálni, amelyek csúcspontja lett. az 1960-as évek közepén a SEM ipari változatának bevezetésekor.
Az elektronmikroszkópoknak két fő típusa van. transzmissziós elektronmikroszkóp Az 1930-as években feltalálták a hagyományos transzmissziós elektronmikroszkópot (OPEM), az 1950-es években a raszteres (pásztázó) elektronmikroszkópot - a raszteres (pásztázó) elektronmikroszkópot (SEM)
Transzmissziós elektronmikroszkóp ultravékony tárgyról A transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) egy olyan elrendezés, amelyben egy ultravékony (körülbelül 0,1 µm vastag) tárgyról kép jön létre az elektronsugár és a mintaanyag kölcsönhatásának eredményeként, amelyet nagyítás követ. mágneses lencsékkel (objektív) és fluoreszkáló képernyőn történő rögzítéssel. A transzmissziós elektronmikroszkóp sok tekintetben hasonlít a fénymikroszkóphoz, de fény helyett elektronsugarat használ a minták megvilágítására. Tartalmaz egy elektronikus megvilágítót, egy sor kondenzátorlencsét, egy objektívlencsét és egy vetítőrendszert, amely illeszkedik a szemlencséhez, de a tényleges képet fluoreszkáló képernyőre vagy fényképezőlapra vetíti. Az elektronforrás általában fűtött volfrám vagy lantán-hexaborid katód. A katód elektromosan el van választva az eszköz többi részétől, és az elektronokat erős elektromos tér gyorsítja. Egy ilyen mező létrehozásához a katódot B nagyságrendű potenciálon kell tartani a többi elektródához képest, amelyek az elektronokat keskeny nyalábba fókuszálják. A készülék ezen részét elektronikus spotlámpának nevezik. a légkör egymilliárd része Mivel az elektronokat erősen szórja az anyag, a mikroszkóposzlopban, ahol az elektronok mozognak, vákuumnak kell lennie. Itt a nyomás nem haladja meg a légköri nyomás egy milliárdod részét.
Az áramot hordozó tekercs menetei által létrehozott mágneses tér konvergáló lencseként működik, melynek fókusztávolsága az áram változtatásával változtatható. Az áramot hordozó huzaltekercsek ugyanúgy fókuszálják az elektronsugarat, mint az üveglencse a fénysugarat. Az elektronikus képet az elektromos és mágneses mezők nagyjából ugyanúgy alkotják, mint a fényképet az optikai lencsék. A mágneses lencse működési elvét az alábbi ábra szemlélteti.
HAGYOMÁNYOS ÁTVITELI ELEKTRON MIKROSZKÓP (OPEM). 1 – elektronforrás; 2 – gyorsítórendszer; 3 – membrán; 4 – kondenzátorlencse; 5 – minta; 6 – objektívlencse; 7 – membrán; 8 – vetítőlencse; 9 – képernyő vagy film; 10 – nagyított kép. Az elektronokat mágneses lencsék gyorsítják, majd fókuszálják. A lencsemembránon áthaladó elektronok által létrehozott nagyított képet fluoreszkáló képernyő alakítja látható képpé, vagy rögzíti egy fényképezőlapra. Kondenzátorlencsék sorozata (csak az utolsó látható) az elektronsugarat a mintára fókuszálja. Általában az előbbi nem nagyított képet hoz létre az elektronforrásról, míg az utóbbi szabályozza a megvilágított terület méretét a mintán. Az utolsó kondenzátorlencse rekesznyílása határozza meg a sugár szélességét a tárgysíkban. Minta A mintát egy nagy optikai teljesítményű tárgylencse mágneses mezőjébe helyezzük – ez az OPEM legfontosabb lencséje, amely meghatározza az eszköz lehetséges maximális felbontását. Az objektívlencsék aberrációit a rekesznyílása korlátozza, csakúgy, mint a fényképezőgépben vagy a fénymikroszkópban. A tárgylencse nagyított képet készít egy tárgyról (általában körülbelül 100-as nagyítással); a közbenső és vetítő lencsék által bevezetett további nagyítás 10-nél valamivel többig terjed, így a modern OPEM-ekben elérhető nagyítás 1000-től ~-ig terjed (Milliószoros nagyításnál a grapefruit a a Föld mérete) . A vizsgált tárgyat általában egy speciális tartóba helyezett nagyon finom hálóra helyezik. A tartó mechanikusan vagy elektromosan simán mozgatható fel-le és balra-jobbra.
Végső kinagyítva elektronikus kép lumineszcens képernyővel alakítják láthatóvá, amely elektronbombázás hatására világít. Ezt az általában alacsony kontrasztú képet általában binokuláris fénymikroszkópon keresztül nézik. Ugyanezen fényerő mellett egy ilyen 10-es nagyítású mikroszkóp 10-szer nagyobb képet hozhat létre a retinán, mint szabad szemmel. Néha a gyenge kép fényerejének növelésére elektron-optikai konverterrel ellátott foszfor képernyőt használnak. Ebben az esetben a végső kép egy normál televízió képernyőjén jeleníthető meg. A fényképészeti lemez általában tisztább képet ad, mint a szabad szemmel megfigyelhető vagy videokazettára rögzített, mivel a fényképészeti anyagok általában véve hatékonyabban rögzítik az elektronokat. Resolution.Resolution. Az elektronsugarak tulajdonságai hasonlóak a fénysugarakéhoz. Különösen minden elektront egy meghatározott hullámhossz jellemez. Az EM felbontását az elektronok effektív hullámhossza határozza meg. A hullámhossz az elektronok sebességétől, tehát a gyorsító feszültségtől függ; minél nagyobb a gyorsító feszültség, az nagyobb sebesség elektronok és minél rövidebb a hullámhossz, ami azt jelenti, hogy annál nagyobb a felbontás. Az EM ilyen jelentős előnye a felbontásban azzal magyarázható, hogy az elektronok hullámhossza sokkal rövidebb, mint a fény hullámhossza. De mivel az elektronlencsék nem fókuszálnak olyan jól, mint az optikai lencsék (egy jó elektronlencsék numerikus apertúrája csak 0,09, míg a jó optikai lencsék NA-ja 0,95), az EM felbontása 50-100 elektronhullámhossz. Az elektronmikroszkóp még ilyen gyenge lencsék mellett is ~0,17 nm-es felbontási határt tud elérni, ami lehetővé teszi az egyes atomok megkülönböztetését a kristályokban. Az ilyen sorrend elérése a műszer nagyon körültekintő beállítását igényli; különösen nagy stabilitású tápegységek szükségesek, és maga a készülék (amely ~2,5 m magas és több tonnás is lehet) és annak opcionális felszerelés olyan telepítést igényel, amely kiküszöböli a vibrációt. Az OPEM-ben akár 1 milliós növekedés érhető el. A térbeli (x, y) felbontás határa ~0,17 nm.
Pásztázó elektronmikroszkópia A pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) az elektronsugár és az anyag közötti kölcsönhatás elvén alapuló eszköz, amelyet arra terveztek, hogy nagy térbeli felbontású (több nanométeres) képet készítsen egy tárgy felületéről, valamint információkat kapjon a felszínközeli rétegek összetétele, szerkezete és néhány egyéb tulajdonsága. A pásztázó elektronmikroszkóp térbeli felbontása az elektronsugár keresztirányú méretétől függ, ami viszont a sugarat fókuszáló elektronoptikai rendszertől függ. Jelenleg a modern SEM modelleket számos vállalat gyártja szerte a világon, köztük a következők: Carl Zeiss NTS GmbH Németország FEI Company USA (összevonva a Philips Electron Optics vállalattal) FOCUS GmbH Németország Hitachi Japán JEOL Japán (Japán Electron Optics Laboratory) Tescan Cseh Köztársaság
1 – elektronforrás; 2 – gyorsítórendszer; 3 – mágneses lencse; 4 – eltérítő tekercsek; 5 – minta; 6 – visszavert elektrondetektor; 7 – gyűrűs detektor; 8 – analizátor A SEM-ben elektronlencséket használnak arra, hogy egy elektronsugarat (elektronszondát) egy nagyon kis pontra fókuszáljanak. Lehetőség van a SEM beállítására úgy, hogy a benne lévő folt átmérője ne haladja meg a 0,2 nm-t, hanem általában néhány vagy tíz nanométert. Ez a folt folyamatosan körbefut a minta egy bizonyos területén, hasonlóan egy sugárhoz, amely egy televíziós cső képernyőjén fut körbe. A tárgy nyalábelektronokkal történő bombázása során keletkező elektromos jelből egy televíziós kineszkóp vagy katódsugárcső (CRT) képernyőjén kép keletkezik, melynek pásztázása szinkronizálva van az elektronsugár-eltérítési rendszerrel (ábra). Növekedés ebben az esetben alatt értjük a képernyőn látható kép méretének és a mintán lévő sugár által lefedett terület méretének arányát. Ez a növekedés 10-10 millió elektronoszlop Az elektronlencsék (általában gömb alakú mágnesesek) és az eltérítő tekercsek elektronoszlopnak nevezett rendszert alkotnak. A SEM módszert azonban számos korlát és hátrány jellemzi, amelyek különösen a szubmikronos és nanométeres mérési tartományban jelentkeznek: nem kellően nagy térbeli felbontás; a felület háromdimenziós képeinek elkészítésének nehézsége, elsősorban annak a ténynek köszönhető, hogy a dombormű magasságát a SEM-ben a rugalmas és rugalmatlan elektronszórás hatékonysága határozza meg, és függ a primer elektronok felületbe való behatolási mélységétől réteg; annak szükségessége, hogy egy további áramgyűjtő réteget alkalmazzanak a gyengén vezető felületeken, hogy megakadályozzák a töltés felhalmozódásával kapcsolatos hatásokat; mérések elvégzése csak vákuum körülmények között; a vizsgált felület nagyenergiájú fókuszált elektronsugárral történő károsításának lehetősége.
A nagyon keskeny elektronnyaláb miatt a SEM-ek nagyon nagy mélységélesség (mm), amely két nagyságrenddel magasabb, mint egy optikai mikroszkópé, és lehetővé teszi, hogy tiszta mikrofotókat készítsen, jellegzetes háromdimenziós hatással összetett domborzatú objektumok esetén. Ez a SEM tulajdonság rendkívül hasznos a minta felületi szerkezetének megértéséhez. A virágpor mikroképe bemutatja a SEM képességeit.
Pásztázó szonda mikroszkópok A pásztázó szonda mikroszkópok (SPM Scanning Probe Microscope) a mikroszkópok egy osztálya, amelyek egy objektum jellemzőinek mérésére szolgálnak különböző típusú szondák segítségével. A képalkotó folyamat a felület szondával történő pásztázásán alapul. BAN BEN általános eset Az SPM-ek segítségével háromdimenziós képet készíthet a felületről (topográfia). nagy felbontású. A pásztázó szondás mikroszkópok főbb típusai: Pásztázó alagútmikroszkóp Pásztázó alagútmikroszkóp (STM pásztázó alagútmikroszkóp) vagy pásztázó alagútmikroszkóp (RTM) - a szonda és a minta közötti alagútáramot használnak a kép előállításához, amely lehetővé teszi a szondáról való információszerzést. domborzati és elektromos tulajdonságok minta. Pásztázó atomerőmikroszkóp Pásztázó atomerőmikroszkóp (AFM) – rögzíti a szonda és a minta közötti különböző erőket. Lehetővé teszi a felszín topográfiájának és mechanikai tulajdonságainak megszerzését. Pásztázó közelmezős optikai mikroszkóp Pásztázó közelmezős optikai mikroszkóp (SNOM) – a közeli térhatást használja a kép elkészítéséhez.
Az SPM megkülönböztető jellemzője a következők jelenléte: egy szonda, egy rendszer, amely a szondát a mintához képest mozgatja a 2. (X-Y) vagy a 3. (X-Y-Z) koordináták mentén, egy rögzítési rendszer. A felület és a minta közötti kis távolságban rögzíthető a kölcsönhatási erők (taszító, vonzás és egyéb erők) hatása és a különféle hatások (például elektronalagút) megnyilvánulása. modern eszközökkel bejegyzés. A használat regisztrálásához Különféle típusokérzékelők, amelyek érzékenysége lehetővé teszi a kisebb zavarok észlelését. A pásztázó szonda mikroszkóp működése a minta felületének szondával (konzolos - angol gerenda, tű vagy optikai szonda) való kölcsönhatásán alapul. A konzolokat a gerenda hosszában keményre és puhára osztják, és ezt a konzolos rezgések rezonanciafrekvenciája jellemzi. A felület mikroszondával történő letapogatásának folyamata történhet légkörben vagy előre meghatározott gázban és vákuumban, sőt folyékony filmen keresztül is. Konzol a pásztázó elektronmikroszkópban (1000X-es nagyítás) koordináták,
A rögzítési rendszer egy függvény értékét rögzíti, amely a szonda-minta távolságtól függ. A teljes értékű raszteres kép elkészítéséhez az X és Y tengely mentén különböző szkennereket használnak (például piezo csövek, síkpárhuzamos szkennerek). A felületi szkennelés kétféleképpen történhet: konzolos szkennelés és hordozóval történő szkennelés. Ha az első esetben a konzol a vizsgált felület mentén mozog, akkor a második esetben maga a szubsztrát mozog az álló konzolhoz képest. Visszacsatolás A szkennelési mód fenntartásához, - a konzolnak a felülethez közel kell lennie, - üzemmódtól függően, - akár állandó erő üzemmódról, akár állandó magasságú üzemmódról van szó, van olyan rendszer, amely ezt az üzemmódot fenn tudja tartani a szkennelés során. folyamat. Ehhez be elektronikus áramkör A mikroszkóp egy speciális visszacsatoló rendszert tartalmaz, amely a konzol eredeti helyzetéből való kitérítésére szolgáló rendszerhez kapcsolódik. A pásztázó szonda mikroszkóp létrehozásának fő technikai nehézségei: A szonda végének a vizsgált objektumokhoz hasonló méretekkel kell rendelkeznie. Mechanikai (beleértve a termikus és vibrációs) stabilitást 0,1 angströmnél jobb szinten biztosítja. Az érzékelőknek megbízhatóan kell érzékelniük a rögzített paraméter kisebb zavarait. Precíziós szkennelő rendszer létrehozása. Biztosítja a szonda sima megközelítését a felülethez.
Pásztázó alagútmikroszkóp (STM, angolul STM pásztázó alagútmikroszkóp) vagy raszteres alagútmikroszkóp (RTM) A pásztázó alagútmikroszkópot modern formájában Gerd Karl Binnig, ill. Heinrich Rohrer 1981-ben. Ezt a találmányt díjazták Nóbel díj fizikában 1986-ra, amelyet megosztottak velük és a transzmissziós elektronmikroszkóp feltalálójával, E. Ruskával. Az STM-ben éles fémtűt visznek a mintához több angström távolságból. Ha a tűre a mintához képest kis potenciált alkalmazunk, alagútáram lép fel. Ennek az áramnak a nagysága exponenciálisan függ a minta-tű távolságtól. Tipikus pA-értékek körülbelül 1 A távolságra. Ez a mikroszkóp kis átmérőjű fémhegyet használ az elektronok biztosítására. A csúcs és a mintafelület közötti résben elektromos tér jön létre. A mező által a csúcsból egységnyi idő alatt kihúzott elektronok száma (alagútáram) a csúcs és a minta felülete közötti távolságtól függ (a gyakorlatban ez a távolság kisebb, mint 1 nm). Ahogy a hegy a felület mentén mozog, az áramot modulálják. Ez lehetővé teszi a minta felszíni topográfiájához kapcsolódó kép készítését. Ha a csúcs egyetlen atomban végződik, akkor atomonkénti átadással a felületről képet lehet alkotni.
Az RTM csak akkor tud működni, ha a csúcs és a felület közötti távolság állandó, és a csúcs precízen mozgatható egészen atomi méretig. A nagy STM-felbontás a felületi normál mentén (~0,01 nm) és vízszintes irányban (~0,1 nm), amely mind vákuumban, mind dielektromos közeggel az alagútrésben megvalósul, széles távlatokat nyit a mérési pontosság növelésére lineáris méretek nanométeres tartományban. Platina-iridium tű egy pásztázó alagútmikroszkóp közelről.
Pásztázó atomerő-mikroszkóp Pásztázó atomerő-mikroszkóp (AFM) Az 1986-ban javasolt felületi atomerőmikroszkóp (AFM) a szorosan egymáshoz közeli erők közötti kölcsönhatás hatásán alapul. szilárd anyagok. Az STM-mel ellentétben az AFM módszer alkalmas vezető és nem vezető felületek mérésére is, nemcsak vákuumban, hanem levegőben és folyékony közegben is. Az AFM legfontosabb eleme egy mikroszonda (konzol), amelynek végén egy R görbületi sugarú dielektromos csúcs található, amelyhez a vizsgált minta felülete d0,1÷10 távolságra kerül. nm háromkoordinátás manipulátor segítségével. A konzol csúcsa általában egy rugóra van felszerelve, amely alacsony mechanikai merevségű konzol formájában készül. A minta és a konzol csúcsa közötti interatomikus (intermolekuláris) kölcsönhatás eredményeként a konzol elhajlik. Az AFM felbontás a felületi normál mentén összevethető a megfelelő STM felbontással, a vízszintes irányú felbontás (hosszirányú felbontás) pedig a d távolságtól és a csúcs R görbületi sugarától függ. A numerikus számítások azt mutatják, hogy R = 0,5 nm mellett és d = 0,4 nm, a longitudinális felbontás ~1 nm. Hangsúlyozni kell, hogy az AFM szonda egy tű hegye, amely lehetővé teszi a nanométeres méretű felületi dombormű-elem profiljának megszerzését, de az ilyen elem magassága (mélysége) nem haladhatja meg a 100 nm-t, a szomszédos elem pedig legfeljebb 100 nm távolságra legyen. Ha bizonyos AFM-specifikus feltételek teljesülnek, lehetőség van az elemprofil visszaállítására információvesztés nélkül. Ezeket a feltételeket azonban gyakorlatilag lehetetlen kísérletileg megvalósítani.
Nézet Térbeli felbontás (x,y) Z-koordináta felbontás Mezőméret Nagyítás Optikai mikroszkóp 200 nm-0,4 -0,2 mm x Konfokális mikroszkóp 200 nm 1 nm Fehér fény interferometria 200 nm 0,1 nm 0,05 - x 20 mikroskopikus x 0,01 nm Transzmissziós elektronmikroszkóp 0,2 nm-ig Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) 0,4 nm 0,1 nm 0,1-500 µm z mentén - ~1-10 mm-ig x Pásztázó szonda mikroszkópok 0,1 nm 0,05 nm ~1050 µz -1 5050 µm 
A fénymikroszkóp működési elvének megértéséhez figyelembe kell venni a szerkezetét.
A fő biológiai eszköz egy optikai rendszer, amely állványból, világításból és optikai részekből áll. Az állvány egy cipőt tartalmaz; egy színpad diatartóval és két csavarral, amelyek a színpadot két merőleges irányban mozgatják; cső, csőtartó; makro- és mikrocsavarok, amelyek függőleges irányban mozgatják a csövet.
A tárgy megvilágításához természetes szórt vagy mesterséges világítást használnak, amelyet a cipőbe tartósan rögzített vagy egy megvilágító rúdon keresztül csatlakoztatott mikroszkóp segítségével végeznek.
A világítási rendszer egy lapos és homorú felületű tükröt, valamint a színpad alatt elhelyezett kondenzátort is tartalmaz, amely 2 lencséből, írisz membránból és egy összecsukható keretből áll a szűrők számára. Az optikai rész lencse- és okulárkészleteket tartalmaz, amelyek lehetővé teszik a sejtek különböző nagyítású tanulmányozását.
A fénymikroszkóp működési elve az, hogy a fényforrásból származó fénysugarat egy kondenzátorba gyűjtik és egy tárgy felé irányítják. Miután áthaladtak rajta, a fénysugarak belépnek a lencse lencserendszerébe. Elsődleges képet készítenek, amelyet a szemlencse lencséivel nagyítanak. Általában a lencse és az okulár inverz virtuális és nagyított képet ad a tárgyról.
Minden mikroszkóp fő jellemzője a felbontás és a kontraszt.
A felbontás az a minimális távolság, amelyen belül két pont található, külön-külön a mikroszkóppal.
A mikroszkóp felbontását a képlet számítja ki
ahol l a megvilágítóból érkező fény hullámhossza,
b - a lencse optikai tengelye és a lencse legeltérőbb sugárnyalábja közötti szög,
n a közeg törésmutatója.
Minél rövidebb a sugár hullámhossza, annál finomabb részleteket tudunk majd megfigyelni a mikroszkópon keresztül. És minél nagyobb az objektív numerikus rekeszértéke (n), annál nagyobb az objektív felbontása.
Egy fénymikroszkóp körülbelül 1000-szeresére növelheti az emberi szem felbontóképességét. Ez a mikroszkóp "hasznos" nagyítása. A fényspektrum látható részének használatakor a fénymikroszkóp végső felbontási határa 0,2-0,3 mikron.
Meg kell azonban jegyezni, hogy a fénymikroszkóppal a felbontási határnál kisebb részecskéket is láthatunk. Ezt a „Dark Field” vagy „Ultramicroscopy” módszerrel lehet megtenni.
Rizs. 1 Fénymikroszkóp: 1 - állvány; 2 - tárgytábla; 3 - fúvóka; 4 - szemlencse; 5 - cső; 6 - lencseváltó; 7 - mikrolencse; 8 - kondenzátor; 9 - a kondenzátor mozgatására szolgáló mechanizmus; 10 - gyűjtő; 11 - világítási rendszer; 12 - mikroszkóp fókuszáló mechanizmus.
Az elektronmikroszkóp fő része egy üreges vákuumhenger (a levegőt kiürítik, hogy megakadályozzák az elektronok kölcsönhatását alkatrészeivel és a katódszál oxidációját). A katód és az anód közé nagy feszültséget kapcsolnak, hogy tovább gyorsítsák az elektronokat. A kondenzátorlencsében (amely egy elektromágnes, mint minden elektronmikroszkóp lencse) egy elektronsugár fókuszálódik, és eltalálja a vizsgált tárgyat. Az átvitt elektronok az objektívlencsén felnagyított primer képet alkotnak, amelyet a vetítőlencse felnagyít, és a képernyőre vetítik, amelyet lumineszcens réteg borít, hogy az elektronok ütközésekor világítson.
Rizs. 2. Elektronmikroszkóp: 1 - elektronágyú; 2 - anód; 3 - tekercs a pisztoly beállításához; 4 - pisztolyszelep; 5 - 1. kondenzátorlencse; 6 - 2. kondenzátorlencse; 7 - tekercs a gerenda billentéséhez 8 - kondenzátor 2 membrán; 9 - objektívlencse; 10 - mintablokk; 11 - diffrakciós membrán; 12 - diffrakciós lencse; 13 - közbenső lencse; 14 - 1. vetítőlencse; 15 - 2. vetítőlencse; 16 - binokuláris (12-es nagyítás); 17 - az oszlop vákuumblokkja; 18 - kamera 35 mm-es tekercsfilmhez; 19 - képernyő a fókuszáláshoz; 20 - kamra a lemezekhez; 21 - fő képernyő; 22 - ionszorpciós szivattyú.
Technológiai régészet)
Egyes elektronmikroszkópok visszaállítják az űrhajók firmware-jét, mások mikroszkóp alatt visszafordítják a mikroáramkörök áramköreit. Gyanítom, hogy a tevékenység borzasztóan izgalmas.
És mellesleg eszembe jutott a csodálatos poszt az ipari régészetről.
Spoiler
A vállalati memória két típusa létezik: az emberek és a dokumentáció. Az emberek emlékeznek a dolgok működésére, és tudják, miért. Előfordul, hogy ezeket az információkat lejegyzik valahova, és valahol tárolják a jegyzeteiket. Ezt "dokumentációnak" hívják. A vállalati amnézia ugyanígy működik: az emberek elmennek, a dokumentáció eltűnik, megrohad, vagy egyszerűen elfelejtik.
Több évtizedet töltöttem egy nagy petrolkémiai vállalatnál. Az 1980-as évek elején olyan üzemet terveztünk és építettünk, amely szénhidrogéneket alakít át más szénhidrogénekké. A következő 30 évben az üzem vállalati emlékezete elhalványult. Igen, az üzem továbbra is működik, és pénzt hoz a cégnek; karbantartást végeznek, és a rendkívül bölcs szakemberek tudják, mit kell húzniuk és hova kell rúgniuk ahhoz, hogy az üzem tovább működjön.
De a cég teljesen elfelejtette, hogyan működik ez az üzem.
Ez több tényező miatt történt:
Az 1980-as és 1990-es években a petrolkémiai ipar hanyatlása miatt abbahagytuk az új emberek felvételét. Az 1990-es évek végén csoportunkban 35 év alatti vagy 55 év feletti srácok voltak – nagyon ritka kivételekkel.
Lassan áttértünk a számítógépes rendszerek felhasználásával történő tervezésre.
A vállalati átszervezések miatt az egész irodánkat fizikailag át kellett költöznünk egyik helyről a másikra.
A néhány évvel későbbi vállalati összeolvadás cégünket teljesen feloszlatta egy nagyobb társasággá, ami jelentős részleg-átalakítást és személyi átrendeződést okozott.
Ipari régészet
A 2000-es évek elején több kollégámmal nyugdíjba mentünk.
A 2000-es évek végén a cégnek eszébe jutott az üzem, és úgy gondolta, jó lenne kezdeni vele valamit. Mondjuk, növelje a termelést. Például megtalálhatja a szűk keresztmetszetet a gyártási folyamatban, és javíthatja azt – a technológia nem állt meg ebben a 30 évben –, és esetleg egy másik műhelyt is felvehet.
És akkor a társaság minden erejével egy téglafalba ütközik. Hogyan épült ez az üzem? Miért így építették és nem másként? Hogyan működik pontosan? Miért van szükség A kádra, miért van a B és C műhely összekötve csővezetékkel, miért van a csővezeték átmérője D és nem D?
Vállalati amnézia működés közben. Az óriásgépek, amelyeket az idegenek építettek az idegen technológiájuk segítségével, úgy küzdenek, mintha feltekeredtek volna, és rengeteg polimert termelnek. A cégnek van némi elképzelése arról, hogyan kell ezeket a gépeket karbantartani, de fogalma sincs, milyen elképesztő varázslat történik belül, és senkinek fogalma sincs arról, hogyan jöttek létre. Általánosságban elmondható, hogy az emberek nem is tudják pontosan, mit is keressenek, és nem tudják, melyik oldalról bontsák ki ezt a kuszaságot.
Olyan srácokat keresünk, akik az üzem építése során már dolgoztak a cégnél. Most elfoglalják magas pozíciókatés külön, légkondicionált szobákban ülnek. Azt a feladatot kapják, hogy találjanak dokumentációt a kijelölt üzemhez. Ez már nem vállalati emlékezet, inkább ipari régészet. Senki sem tudja, hogy ehhez az üzemhez milyen dokumentáció létezik, létezik-e egyáltalán, és ha igen, milyen formában tárolják, milyen formátumokban, mit tartalmaz és fizikailag hol található. Az üzemet tervezték projekt csapat, amely már nem létezik, egy azóta felvásárolt cégben, egy bezárt irodában, már nem használt számítógépes kor előtti módszerekkel.
A srácok a kötelező ásással emlékeznek a gyerekkorukra, feltekerik drága kabátjaik ujját, és munkához látnak.
A "mikroszkóp" kifejezés görög eredetű. Két szóból áll, amelyek lefordítva azt jelentik, hogy „kicsi” és „nézek”. A mikroszkóp fő szerepe az, hogy nagyon kicsi tárgyak vizsgálatára használják. Ugyanakkor ez az eszköz lehetővé teszi a szabad szemmel nem látható testek méretének és alakjának, szerkezetének és egyéb jellemzőinek meghatározását.
A történelemben nincs pontos információ arról, hogy ki volt a mikroszkóp feltalálója. Egyes források szerint 1590-ben az apa és fia, Janssens szemüvegkészítő tervezte. A mikroszkóp feltalálói cím másik versenyzője Galileo Galilei. 1609-ben ezek a tudósok egy homorú és domború lencsékkel ellátott műszert mutattak be a nagyközönségnek az Accademia dei Lincei-n.
Az évek során a mikroszkopikus objektumok megtekintésére szolgáló rendszer fejlődött és javult. Történetében óriási lépés volt egy egyszerű, akromatikusan állítható kétlencsés eszköz feltalálása. Ezt a rendszert a holland Christian Huygens vezette be az 1600-as évek végén. A feltaláló okulárjait még ma is gyártják. Egyetlen hátrányuk a látómező elégtelen szélessége. Ráadásul a modern műszerek kialakításához képest a Huygens okulárok a szem számára kényelmetlen helyen helyezkednek el.
A mikroszkóp történetéhez különleges hozzájárulást az ilyen eszközök gyártója, Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723) tett. Ő volt az, aki felkeltette a biológusok figyelmét erre az eszközre. Leeuwenhoek kis méretű termékeket készített egy, de nagyon erős lencsével. Az ilyen eszközök használata kényelmetlen volt, de nem duplázták meg az összetett mikroszkópokban előforduló képhibákat. A feltalálóknak ezt a hiányosságot csak 150 évvel később tudták kijavítani. Az optika fejlődésével együtt javult a képminőség a kompozit eszközökben.
A mikroszkópok fejlesztése a mai napig tart. Így 2006-ban a Biofizikai Kémiai Intézetben dolgozó német tudósok, Mariano Bossi és Stefan Hell új optikai mikroszkópot fejlesztettek ki. A 10 nm-es objektumok megfigyelésének képessége és a háromdimenziós, kiváló minőségű 3D képek miatt az eszközt nanoszkópnak nevezték.
Jelenleg sokféle műszer létezik, amelyeket kis tárgyak vizsgálatára terveztek. Csoportosításuk különböző paraméterek alapján történik. Ez lehet a mikroszkóp célja vagy az alkalmazott megvilágítási módszer, az optikai tervezéshez használt szerkezet stb.
De általában a mikroszkópok fő típusait a rendszer segítségével látható mikrorészecskék felbontása szerint osztályozzák. E felosztás szerint a mikroszkópok a következők:
- optikai (fény);
- elektronikus;
- röntgen;
- pásztázó szondák.
A legszélesebb körben használt mikroszkópok a fény típusú mikroszkópok. Az optikai boltokban széles a választék. Az ilyen eszközök segítségével egy adott tárgy tanulmányozásának fő feladatait oldják meg. Minden más típusú mikroszkóp speciálisnak minősül. Általában laboratóriumi körülmények között használják őket.
A fenti típusú eszközök mindegyikének megvannak a maga altípusai, amelyeket egy vagy másik területen használnak. Ezen kívül ma már lehetőség van iskolai mikroszkóp (vagy oktatási) vásárlására is, ami egy belépő szintű rendszer. Professzionális eszközöket is kínálnak a fogyasztóknak.
Mire való a mikroszkóp? Az emberi szem, mint egy speciális biológiai optikai rendszer, rendelkezik bizonyos szintű felbontással. Más szóval, van legrövidebb távolság a megfigyelt objektumok között, amikor még megkülönböztethetők. Normál szemnél ez a felbontás 0,176 mm-en belül van. De a legtöbb állati és növényi sejt, mikroorganizmus, kristály mérete, az ötvözetek mikroszerkezete, fémek stb. sokkal kisebbek ennél az értéknél. Hogyan lehet tanulmányozni és megfigyelni az ilyen tárgyakat? Itt jönnek a különböző típusú mikroszkópok az emberek segítségére. Például az optikai eszközök lehetővé teszik olyan szerkezetek megkülönböztetését, amelyekben az elemek közötti távolság legalább 0,20 mikron.
Két fő eleme van annak az eszköznek, amellyel az emberi szem mikroszkopikus méretű tárgyakat tud nézni. Ők a lencse és a szemlencse. A mikroszkóp ezen részei egy mozgatható csőben vannak rögzítve, amely fém alapon van elhelyezve. Egy tárgyasztal is van rajta.
A modern típusú mikroszkópok általában világítási rendszerrel vannak felszerelve. Ez különösen egy kondenzátor írisz diafragmával. A nagyító eszközök kötelező készlete mikro- és makrocsavarokat tartalmaz, amelyek az élesség beállítására szolgálnak. A mikroszkópok kialakítása egy olyan rendszert is tartalmaz, amely a kondenzátor helyzetét szabályozza.
A speciális, összetettebb mikroszkópok gyakran mást is használnak kiegészítő rendszerekés eszközök.
A mikroszkóp leírását egy történettel kezdeném, amely az egyik fő részéről, vagyis a lencséről szól. Ezek egy összetett optikai rendszer, amely megnöveli a szóban forgó tárgy méretét a képsíkban. A lencsék dizájnja nem csak egyetlen, hanem két-három lencsét is összeragasztva egész rendszert tartalmaz.
Egy ilyen optikai-mechanikai tervezés bonyolultsága attól függ, hogy milyen feladatokat kell megoldani egyik vagy másik eszközzel. Például a legösszetettebb mikroszkóp legfeljebb tizennégy lencsével rendelkezik.
Az objektív az elülső részből és az azt követő rendszerekből áll. Mi az alapja a kívánt minőségű kép felépítésének, valamint az üzemállapot meghatározásának? Ez egy frontlencse vagy a rendszerük. A szükséges nagyítás, gyújtótávolság és képminőség biztosításához az objektív további részeire van szükség. Az ilyen funkciók azonban csak frontlencsével együtt lehetségesek. Azt is érdemes megemlíteni, hogy a következő rész kialakítása befolyásolja a cső hosszát és a készülék lencséjének magasságát.
A mikroszkóp ezen részei egy optikai rendszer, amelynek célja a szükséges mikroszkópos kép létrehozása a megfigyelő szem retinájának felületén. A szemlencsék két lencsécsoportot tartalmaznak. A kutató szeméhez legközelebb esőt okulárisnak, a legtávolabbi pedig terepinek nevezzük (a segítségével a lencse képet alkot a vizsgált tárgyról).
A mikroszkóp komplex kialakítású membránokból, tükrökből és lencsékből áll. Segítségével biztosított a vizsgált tárgy egyenletes megvilágítása. A legelső mikroszkópokban ezt a funkciót Az optikai műszerek fejlődésével először lapos, majd homorú tükröket kezdtek használni.
Ilyen egyszerű részletek segítségével a nap vagy a lámpa sugarait a vizsgált tárgy felé irányították. A modern mikroszkópokban fejlettebb. Kondenzátorból és kollektorból áll.
A vizsgálatot igénylő mikroszkópos készítményeket sík felületre helyezzük. Ez az objektumtábla. Különböző fajták a mikroszkópok rendelkezhetnek ezzel a felülettel, amelyet úgy alakítottak ki, hogy a vizsgált tárgy vízszintesen, függőlegesen vagy egy bizonyos szögben elforduljon a megfigyelő felé.
Az első optikai eszközben egy lencserendszer fordított képet adott a mikroobjektumokról. Ez lehetővé tette az anyag szerkezetének és a vizsgálat tárgyát képező legkisebb részletek felismerését. A mai fénymikroszkóp működési elve hasonló a fénytörő teleszkóp által végzett munkához. Ebben az eszközben a fény megtörik, amikor áthalad az üvegrészen.
Hogyan növekednek a modernek fénymikroszkópok? Miután egy fénysugár bejut a készülékbe, párhuzamos sugárrá alakul át. Csak ezután következik be a fénytörés a szemlencsében, aminek következtében a mikroszkopikus tárgyak képe felnagyítható. Ezután ez az információ a megfigyelő számára szükséges formában érkezik meg
A modernek osztályozzák:
1. Bonyolultsági osztály szerint kutatási, munkahelyi és iskolai mikroszkópokhoz.
2. Alkalmazási terület szerint: sebészeti, biológiai és műszaki.
3. Mikroszkópia típusai szerint: visszavert és áteresztett fény, fáziskontaktus, lumineszcens és polarizációs eszközök.
4. A fényáram irányában fordított és közvetlen.
Idővel a mikroszkopikus tárgyak vizsgálatára tervezett készülék egyre kifinomultabbá vált. Olyan típusú mikroszkópok jelentek meg, amelyekben teljesen más, a fénytöréstől független működési elvet alkalmaztak. A legújabb típusú eszközök használatának folyamatában az elektronokat vonták be. Az ilyen rendszerek lehetővé teszik az anyag egyes részei olyan kicsinyek megtekintését, hogy a fénysugarak egyszerűen körbefolynak.
Miért van szükség elektronmikroszkópra? A sejtek szerkezetének tanulmányozására szolgál molekuláris és szubcelluláris szinten. Is hasonló eszközök vírusok tanulmányozására használták.
Mi alapozza meg a legújabb mikroszkopikus tárgyak megtekintésére szolgáló műszerek működését? Miben különbözik az elektronmikroszkóp a fénymikroszkóptól? Van köztük hasonlóság?
Az elektronmikroszkóp működési elve azon a tulajdonságokon alapul, hogy az elektromos és mágneses mezők. Forgásszimmetriájuk fókuszáló hatással lehet az elektronsugarakra. Ez alapján válaszolhatunk a kérdésre: „Miben különbözik az elektronmikroszkóp a fénymikroszkóptól?” Az optikai eszközzel ellentétben nincs lencséje. Szerepüket a megfelelően kiszámított mágneses és elektromos mezők töltik be. Ezeket tekercsek fordulatai hozzák létre, amelyeken áram halad át. Ebben az esetben az ilyen mezők hasonlóan működnek Az áramerősség növekedésével vagy csökkenésével a készülék gyújtótávolsága megváltozik.
Vonatkozó sematikus ábrája, akkor elektronmikroszkópban egy fényeszköz áramköréhez hasonló. Az egyetlen különbség az, hogy az optikai elemeket hasonló elektromos elemek helyettesítik.
A tárgy elektronmikroszkópokban való nagyítása a vizsgált tárgyon áthaladó fénynyaláb törési folyamata miatt következik be. Különböző szögekben a sugarak belépnek az objektív síkjába, ahol a minta első nagyítása történik. Ezután az elektronok eljutnak a közbenső lencséhez. Ebben zökkenőmentesen változik az objektum méretének növekedése. A vizsgált anyag végső képét a vetítőlencse állítja elő. Ebből a kép a fluoreszkáló képernyőre kerül.
A modern típusok a következők:
1. TEM, vagy transzmissziós elektronmikroszkóp. Ebben az installációban egy nagyon vékony, legfeljebb 0,1 mikron vastag tárgy képe keletkezik az elektronsugárnak a vizsgált anyaggal való kölcsönhatásával, majd a lencsében elhelyezett mágneses lencsék által történő nagyításával.
2. SEM, vagy pásztázó elektronmikroszkóp. Egy ilyen eszközzel nagy felbontású, több nanométeres nagyságrendű kép készíthető egy tárgy felületéről. További módszerek alkalmazásakor egy ilyen mikroszkóp információt nyújt, amely segít meghatározni kémiai összetétel felszínközeli rétegek.
3. Tunneling pásztázó elektronmikroszkóp, vagy STM. Ezzel az eszközzel nagy térbeli felbontású vezető felületek domborulatát mérik. Az STM-mel végzett munka során egy éles fémtűt visznek a vizsgált tárgyhoz. Ebben az esetben csak néhány angström távolságot kell tartani. Ezután egy kis potenciált alkalmaznak a tűre, ami alagútáramot eredményez. Ebben az esetben a megfigyelő háromdimenziós képet kap a vizsgált tárgyról.
2002-ben jelent meg Amerikában új cég, optikai műszerek gyártásával foglalkozik. Termékpalettája mikroszkópokat, távcsöveket és távcsöveket tartalmaz. Mindezek az eszközök megkülönböztethetők jó minőség Képek.
A cég központi irodája és fejlesztési részlege az USA-ban, Fremondban (Kalifornia) található. De ami a termelési létesítményeket illeti, Kínában találhatók. Mindezeknek köszönhetően a cég megfizethető áron, fejlett és kiváló minőségű termékekkel látja el a piacot.
Szüksége van mikroszkópra? A Levenhuk felajánlja a szükséges opciót. A cég optikai berendezései között megtalálhatók a vizsgált objektum nagyítására szolgáló digitális és biológiai eszközök. Ezenkívül a vevőnek különféle színekben tervező modelleket kínálnak.
A Levenhuk mikroszkóp széleskörű funkcionalitással rendelkezik. Például egy belépő szintű oktatási eszköz csatlakoztatható a számítógéphez, és képes az éppen folyó kutatás videofelvételére is. A Levenhuk D2L modell fel van szerelve ezzel a funkcióval.
A cég különféle szintű biológiai mikroszkópokat kínál. Ez és még sok más egyszerű modellek, és olyan újdonságokat, amelyek alkalmasak a szakemberek számára.
Egy vállalkozó, a szakterületen jártas szakember blogját kezdjük kiadni információs technológiák valamint Alexey Bragin részmunkaidős amatőr tervező, aki egy nem mindennapi élményről mesél - a blog írója már egy éve azzal van elfoglalva, hogy a komplex tudományos berendezéseket - egy pásztázó elektronmikroszkópot - gyakorlatilag otthon restaurálja. Olvassa el, hogy Alexey milyen mérnöki, műszaki és tudományos kihívásokkal kellett szembenéznie, és hogyan kezelte ezeket.
Egyik nap felhívott egy barátom, és azt mondta: Találtam egy érdekes dolgot, el kell vinnem neked, de fél tonnát nyom. Így jelent meg a garázsomban egy JEOL JSM-50A pásztázó elektronmikroszkóp oszlopa. Valami kutatóintézetből régen leírták és fémhulladékba vitték. Az elektronika elveszett, de az elektron-optikai oszlop a vákuumrésszel együtt megmenekült.
Mivel a berendezés nagy részét megőrizték, felmerült a kérdés: meg lehet-e menteni a teljes mikroszkópot, vagyis helyreállítani és működőképes állapotba hozni? És közvetlenül a garázsban, saját kezűleg, csak az alapvető mérnöki ismeretek és a rendelkezésre álló eszközök segítségével? Igaz, még soha nem foglalkoztam ilyen tudományos felszereléssel, nem beszélve arról, hogyan kell használni, és fogalmam sem volt, hogyan működik. De nem csak egy régi hardvert üzemképes állapotba hozni érdekes, hanem egyedül is kitalálni, és ellenőrizni, hogy lehetséges-e tudományos módszer, fedezzen fel teljesen új területeket. Elkezdtem hát restaurálni egy elektronmikroszkópot a garázsban.
Ebben a blogban arról fogok mesélni, hogy mit sikerült már megcsinálnom, és mi van még hátra. Útközben bemutatom az elektronmikroszkópok működési elveit és főbb alkatrészeit, és mesélek a sok technikai akadályról is, amit az út során le kellett küzdeni. Tehát kezdjük.
Ahhoz, hogy a birtokomban lévő mikroszkópot legalább „fluoreszkáló képernyőn elektronsugárral rajzoljuk” állapotba visszaállítsuk, a következőkre volt szükség:
Kezdjük sorban. Ma az elektronmikroszkópok működési elveiről fogok beszélni. Két típusuk van:
A TEM nagyon hasonlít a hagyományos optikai mikroszkóphoz, csak a vizsgált mintát nem fénnyel (fotonokkal), hanem elektronokkal sugározzák be. Az elektronsugár hullámhossza sokkal rövidebb, mint a fotonsugár, így lényegesen nagyobb felbontás érhető el.
Az elektronsugarat elektromágneses vagy elektrosztatikus lencsék segítségével fókuszálják és vezérlik. Még ugyanolyan torzításokkal (kromatikus aberrációkkal) rendelkeznek, mint az optikai lencsék, bár a fizikai kölcsönhatás jellege teljesen más. Mellesleg új torzításokat is ad hozzá (amit az elektronnyaláb tengelye mentén az objektívben lévő elektronok csavarodása okoz, ami az optikai mikroszkópban a fotonoknál nem történik meg).
A TEM-nek vannak hátrányai: a vizsgált mintáknak nagyon vékonynak, 1 mikronnál vékonyabbnak kell lenniük, ami nem mindig kényelmes, különösen otthoni munkavégzés esetén. Például ahhoz, hogy a fényen át lássa a haját, hosszában legalább 50 rétegre kell levágnia. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az elektronsugár áthatoló ereje sokkal rosszabb, mint a fotonsugár. Ráadásul a FEM-ek – ritka kivételektől eltekintve – meglehetősen nehézkesek. Ez az alábbi képen látható készülék nem tűnik olyan nagynak (bár embermagasságnál magasabb és masszív öntöttvas váza van), de egy nagy szekrény méretű tápegység is jár hozzá - összesen kb. egy egész szoba kell.
Calgary Egyetem
Például így néz ki a H1N1 influenza „fényben”:
Calgary Egyetem
A SEM-et elsősorban a minták felületének nagyon nagy felbontású vizsgálatára használják (milliószoros nagyítás, szemben az optikai mikroszkópok 2 ezresével). És ez sokkal hasznosabb a háztartásban :)
Például így néz ki egy egyedi sörte egy új fogkefén:
A mikroszkóp elektron-optikai oszlopában ugyanennek kell történnie, csak itt a mintát sugározzák be, nem a képernyő fényporát, és a kép a másodlagos elektronokat, rugalmasan visszavert elektronokat stb. rögzítő szenzorok információi alapján jön létre. Ez az a típusú elektronmikroszkóp, amelyről ebben a blogban lesz szó.
A TV-képcső és a mikroszkóp elektron-optikai oszlopa is csak vákuum alatt működik. De erről a következő számban fogok részletesen beszélni.
(Folytatjuk)
