전자현미경 전자현미경은 광속 대신 전자빔을 이용하여 최대 10 6 배까지 확대하여 물체의 영상을 얻을 수 있는 장치입니다. 전자현미경의 분해능은 광학현미경의 분해능보다 1000~10000배 더 크며, 최신 장비의 경우 수 옹스트롬(10 -7m)이 될 수 있습니다.
전자현미경의 등장은 19세기 말과 20세기 초 일련의 물리적 발견을 거쳐 가능해졌다. 이것은 1897년 전자의 발견(J. Thomson)과 1926년 전자의 파동 특성에 대한 실험적 발견(K. Davisson, L. Germer)으로, 1924년 드 브로이(de Broglie)가 파동에 대해 제시한 가설을 확증해 줍니다. -모든 유형의 물질의 입자 이중성. 1926년 독일 물리학자 H. 부시(H. Busch)는 전자빔의 초점을 맞출 수 있는 자기 렌즈를 만들었고, 이는 1930년대 최초의 전자 현미경을 만드는 데 전제 조건이 되었습니다. 1931년에 R. Rudenberg는 투과형 전자 현미경에 대한 특허를 받았으며, 1932년에 M. Knoll과 E. Ruska는 현대 장치의 첫 번째 프로토타입을 제작했습니다. E. Ruski의 이 연구는 1986년에 그와 주사 탐침 현미경의 발명가인 Gerd Karl Binnig 및 Heinrich Rohrer에게 노벨 물리학상을 수여했습니다. 1938년에 Ruska와 B. von Borries는 독일의 Siemens-Halske를 위해 산업용 투과 전자 현미경의 프로토타입을 제작했습니다. 이 기기는 결국 100 nm의 분해능을 달성하는 것을 가능하게 했습니다. 몇 년 후, A. Prebus와 J. Hiller는 토론토 대학(캐나다)에서 최초의 고해상도 OPEM을 구축했습니다. 1930년대 후반과 1940년대 초반에 최초의 주사전자현미경(SEM)이 등장하여 작은 단면의 전자 탐침을 물체를 가로질러 순차적으로 움직여 물체의 이미지를 형성했습니다. 대량신청이러한 장비는 상당한 기술적 우수성을 달성한 1960년대부터 과학 연구에 사용되기 시작했습니다. 현재 형태의 SEM은 1952년 Charles Otley에 의해 발명되었습니다. 사실, 이러한 장치의 예비 버전은 1930년대 독일의 Knoll과 1960년대 RCA Corporation의 Zvorykin 및 그의 동료에 의해 제작되었지만 Otley의 장치만이 수많은 기술적 개선의 기반이 될 수 있었습니다. 1960년대 중반 산업 버전의 SEM을 생산에 도입 x년.
전자현미경에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 투과전자현미경1930년대에는 전통적인 투과전자현미경(OPEM)이 발명되었고, 1950년대에는 래스터(주사)전자현미경 - 래스터(주사)전자현미경(SEM)이 발명되었다.
초박형 물체의 투과전자현미경 투과전자현미경(TEM)은 전자빔과 시료 물질의 상호작용의 결과로 초박형 물체(두께 약 0.1μm)의 상이 형성된 후 확대되는 장치입니다. 자기 렌즈(대물렌즈)를 사용하여 형광 스크린에 기록합니다. 투과전자현미경은 여러 면에서 광학현미경과 유사하지만, 시료를 조명하기 위해 빛이 아닌 전자빔을 사용합니다. 여기에는 전자 조명기, 일련의 콘덴서 렌즈, 대물 렌즈 및 접안 렌즈와 일치하지만 실제 이미지를 형광 스크린이나 사진 판에 투사하는 투사 시스템이 포함되어 있습니다. 전자 소스는 일반적으로 가열된 텅스텐 또는 란탄 육붕화물 음극입니다. 음극은 장치의 나머지 부분과 전기적으로 절연되어 있으며 전자는 강한 전기장에 의해 가속됩니다. 이러한 장을 생성하기 위해 음극은 전자를 좁은 빔으로 집중시키는 다른 전극에 비해 B 정도의 전위로 유지됩니다. 장치의 이 부분을 전자 스포트라이트라고 합니다. 전자는 물질에 의해 강하게 산란되기 때문에 전자가 이동하는 현미경 기둥에는 진공이 있어야 합니다. 여기서 압력은 대기압의 10억분의 1을 초과하지 않도록 유지됩니다.
전류를 전달하는 코일의 회전에 의해 생성된 자기장은 수렴 렌즈 역할을 하며 전류를 변경하여 초점 거리를 변경할 수 있습니다. 전류를 전달하는 와이어 코일은 유리 렌즈가 빛의 광선을 집중시키는 것과 같은 방식으로 전자 광선의 초점을 맞춥니다. 전자 이미지는 광학 렌즈에 의해 빛 이미지가 형성되는 것과 거의 동일한 방식으로 전기장과 자기장에 의해 형성됩니다. 자기 렌즈의 작동 원리는 다음 다이어그램에 설명되어 있습니다.
기존 투과전자현미경(OPEM). 1 – 전자 공급원; 2 - 가속 시스템; 3 – 다이어프램; 4 – 콘덴서 렌즈; 5 – 샘플; 6 – 대물렌즈; 7 – 다이어프램; 8 - 투사 렌즈; 9 – 스크린 또는 필름; 10 – 확대된 이미지. 전자는 가속된 다음 자기 렌즈에 의해 집중됩니다. 렌즈 조리개를 통과한 전자에 의해 생성된 확대된 이미지는 형광 스크린에 의해 가시 이미지로 변환되거나 사진 건판에 기록됩니다. 일련의 콘덴서 렌즈(마지막 렌즈만 표시됨)는 전자빔을 샘플에 집중시킵니다. 일반적으로 전자는 전자 소스의 확대되지 않은 이미지를 생성하는 반면 후자는 샘플의 조명 영역 크기를 제어합니다. 마지막 콘덴서 렌즈의 조리개는 물체 평면의 빔 폭을 결정합니다. 샘플 샘플은 장치의 가능한 최대 해상도를 결정하는 OPEM의 가장 중요한 렌즈인 높은 광학 출력을 갖는 대물 렌즈의 자기장에 배치됩니다. 대물렌즈의 수차는 카메라나 광학현미경과 마찬가지로 조리개에 의해 제한됩니다. 대물렌즈는 물체의 확대된 이미지를 생성합니다(보통 약 100배율). 중간 및 투사 렌즈에 의해 도입된 추가 배율은 10보다 약간 작은 것부터 약간 높은 것까지입니다. 따라서 현대 OPEM에서 얻을 수 있는 배율은 1000보다 작은 것부터 ~(100만 배의 배율에서 자몽은 최대 1000배까지 자랍니다.) 지구의 크기) . 연구 중인 물체는 일반적으로 특수 홀더에 배치된 매우 미세한 메쉬 위에 배치됩니다. 홀더는 기계적 또는 전기적으로 상하 좌우로 원활하게 움직일 수 있습니다.
최종 확대 전자 이미지전자 충격의 영향으로 빛나는 발광 스크린을 통해 가시광선으로 변환됩니다. 일반적으로 대비가 낮은 이 이미지는 일반적으로 쌍안 광학 현미경을 통해 볼 수 있습니다. 동일한 밝기에서 10배율의 현미경은 육안으로 관찰할 때보다 10배 더 큰 이미지를 망막에 생성할 수 있습니다. 때로는 약한 이미지의 밝기를 높이기 위해 전자-광 변환기가 있는 형광체 스크린이 사용됩니다. 이 경우 최종 이미지는 일반 TV 화면에 표시될 수 있습니다. 일반적으로 사진 판은 육안으로 관찰하거나 비디오 테이프에 녹화한 것보다 더 선명한 이미지를 생성합니다. 일반적으로 사진 재료는 전자를 더 효율적으로 기록하기 때문입니다. 해상도.해상도. 전자빔은 광선과 유사한 특성을 가지고 있습니다. 특히, 각 전자는 특정 파장을 특징으로 합니다. EM의 분해능은 전자의 유효 파장에 의해 결정됩니다. 파장은 전자의 속도, 즉 가속 전압에 따라 달라집니다. 가속전압이 높을수록 더 빠른 속도전자는 파장이 짧을수록 분해능은 높아집니다. 분해능에서 EM의 이러한 중요한 이점은 전자의 파장이 빛의 파장보다 훨씬 짧다는 사실로 설명됩니다. 그러나 전자 렌즈는 광학 렌즈만큼 초점을 맞추지 못하기 때문에(좋은 전자 렌즈의 개구수는 0.09에 불과한 반면 좋은 광학 렌즈의 NA는 0.95입니다) EM의 분해능은 50-100 전자 파장입니다. 이렇게 약한 렌즈를 사용하더라도 전자현미경은 ~0.17 nm의 분해능 한계를 달성할 수 있어 결정의 개별 원자를 구별할 수 있습니다. 이 순서대로 해결하려면 기기를 매우 주의 깊게 조정해야 합니다. 특히 매우 안정적인 전원 공급 장치가 필요하며 장치 자체(높이 ~2.5m, 무게 수 톤까지 가능)와 그 장치 옵션 장비진동을 제거하는 설치가 필요합니다. OPEM에서는 최대 1백만까지 증가할 수 있습니다. 공간(x, y) 해상도의 한계는 ~0.17nm입니다.
주사전자현미경(SEM)은 전자빔과 물질의 상호작용 원리를 기반으로 하는 장치로, 높은 공간 분해능(수 나노미터)으로 물체 표면의 이미지와 정보를 얻도록 설계되었습니다. 표면 근처 층의 구성, 구조 및 기타 특성. 주사전자현미경의 공간 분해능은 전자빔의 가로 크기에 따라 달라지며, 이는 다시 빔의 초점을 맞추는 전자-광학 시스템에 따라 달라집니다. 현재 최신 SEM 모델은 다음과 같은 전 세계 여러 회사에서 생산됩니다. Carl Zeiss NTS GmbH 독일 FEI Company USA(Philips Electron Optics와 합병) FOCUS GmbH 독일 Hitachi Japan JEOL Japan(일본 전자 광학 연구소) Tescan Czech 공화국
1 – 전자 공급원; 2 - 가속 시스템; 3 – 자기 렌즈; 4 – 편향 코일; 5 – 샘플; 6 – 반사 전자 검출기; 7 - 링 감지기; 8 – 분석기 SEM에서 전자 렌즈는 전자 빔(전자 프로브)을 매우 작은 지점에 집중시키는 데 사용됩니다. 스폿의 직경이 0.2 nm를 초과하지 않도록 SEM을 조정할 수 있지만 일반적으로 수 또는 수십 나노 미터입니다. 이 지점은 텔레비전 화면 주위를 움직이는 빔과 유사하게 샘플의 특정 영역 주위를 지속적으로 움직입니다. 물체에 빔 전자가 충돌할 때 생성된 전기 신호는 텔레비전 키네스코프나 음극선관(CRT)의 화면에 이미지를 형성하는 데 사용되며, 이 스캐닝은 전자빔 편향 시스템과 동기화됩니다(그림). 증가하는 이 경우이는 샘플의 빔이 덮는 영역의 크기에 대한 화면의 이미지 크기의 비율로 이해됩니다. 이러한 증가는 1천만에서 1천만 개의 전자 컬럼입니다. 전자 렌즈(보통 구형 자기)와 편향 코일은 전자 컬럼이라는 시스템을 형성합니다. 그러나 SEM 방법은 서브마이크론 및 나노미터 측정 범위에서 특히 두드러지는 여러 가지 제한 사항과 단점이 특징입니다. 공간 분해능이 충분하지 않습니다. 주로 SEM의 릴리프 높이가 탄성 및 비탄성 전자 산란의 효율성에 의해 결정되고 1차 전자가 표면으로 침투하는 깊이에 따라 결정된다는 사실로 인해 표면의 3차원 이미지를 얻는 것이 어렵습니다. 층; 전하 축적과 관련된 효과를 방지하기 위해 전도성이 낮은 표면에 추가 전류 수집 층을 적용할 필요성; 진공 상태에서만 측정을 수행합니다. 고에너지 집중 전자빔으로 연구 중인 표면을 손상시킬 가능성.
매우 좁은 전자빔으로 인해 SEM은 매우 대단한 깊이선명도(mm)는 광학 현미경보다 2배 더 높고 복잡한 지형을 가진 물체에 대한 특징적인 3차원 효과가 있는 선명한 현미경 사진을 얻을 수 있습니다. 이 SEM 특성은 샘플의 표면 구조를 이해하는 데 매우 유용합니다. 꽃가루 현미경 사진은 SEM의 능력을 보여줍니다.
스캐닝 프로브 현미경 스캐닝 프로브 현미경(SPM Scanning Probe Microscope)은 다양한 유형의 프로브를 사용하여 물체의 특성을 측정하는 현미경 종류입니다. 이미징 프로세스는 프로브를 사용하여 표면을 스캐닝하는 것을 기반으로 합니다. 안에 일반적인 경우 SPM을 사용하면 표면(지형)의 3차원 이미지를 얻을 수 있습니다. 높은 해상도. 주사형 탐침 현미경의 주요 유형: 주사형 터널링 현미경 주사형 터널링 현미경(STM 주사 터널링 현미경) 또는 주사형 터널링 현미경(RTM) - 탐침과 시료 사이의 터널 전류를 사용하여 이미지를 얻습니다. 이를 통해 시료에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 지형 및 전기적 특성 샘플. 주사형 원자간력 현미경(Scanning Atomic Force Microscope) 주사형 원자간력 현미경(AFM) - 탐침과 샘플 사이의 다양한 힘을 기록합니다. 표면 지형과 기계적 특성을 얻을 수 있습니다. 주사형 근접장 광학 현미경 주사형 근접장 광학 현미경(SNOM) - 근거리장 효과를 사용하여 이미지를 얻습니다.
SPM의 독특한 특징은 프로브, 두 번째(X-Y) 또는 세 번째(X-Y-Z) 좌표를 따라 샘플을 기준으로 프로브를 이동하는 시스템, 기록 시스템이 있다는 것입니다. 표면과 시료 사이의 작은 거리에서 상호 작용력(척력, 인력 및 기타 힘)의 작용과 다양한 효과(예: 전자 터널링)의 발현을 다음을 사용하여 기록할 수 있습니다. 현대적인 수단등록. 사용등록을 하려면 다양한 방식작은 장애도 감지할 수 있는 감도를 갖춘 센서입니다. 스캐닝 프로브 현미경의 작동은 샘플 표면과 프로브(캔틸레버 - 잉글리시 빔, 바늘 또는 광학 프로브)의 상호 작용을 기반으로 합니다. 캔틸레버는 빔의 길이에 따라 경질과 연질로 나뉘며, 이는 캔틸레버 진동의 공진 주파수가 특징입니다. 마이크로프로브를 사용하여 표면을 스캐닝하는 과정은 대기나 특정 가스, 진공, 심지어 액체 필름을 통해서도 발생할 수 있습니다. 주사전자현미경(배율 1000X)의 캔틸레버 좌표,
기록 시스템은 프로브-샘플 거리에 따라 달라지는 함수 값을 기록합니다. 완전한 래스터 이미지를 얻으려면 X축과 Y축을 따라 다양한 스캐닝 장치(예: 피에조 튜브, 평면 평행 스캐너)가 사용됩니다. 표면 스캐닝은 캔틸레버를 사용한 스캐닝과 기판을 사용한 스캐닝의 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 첫 번째 경우 캔틸레버가 연구 중인 표면을 따라 이동하면 두 번째 경우 기판 자체가 고정 캔틸레버를 기준으로 이동합니다. 피드백스캐닝 모드를 유지하려면 - 캔틸레버가 표면에 가까워야 합니다. - 모드에 따라 - 일정한 힘 모드인지 일정한 높이 모드인지 스캐닝 중에 이러한 모드를 유지할 수 있는 시스템이 있습니다. 프로세스. 이를 위해 전자 회로현미경에는 캔틸레버를 원래 위치에서 편향시키기 위한 시스템에 연결된 특수 피드백 시스템이 포함되어 있습니다. 스캐닝 프로브 현미경을 만들 때 주요 기술적 어려움: 프로브 끝 부분은 연구 중인 물체와 비슷한 크기를 가져야 합니다. 0.1옹스트롬 이상의 기계적(열 및 진동 포함) 안정성을 제공합니다. 감지기는 기록된 매개변수의 작은 교란을 안정적으로 감지해야 합니다. 정밀 스캐닝 시스템 구축. 프로브가 표면에 부드럽게 접근하도록 보장합니다.
주사 터널링 현미경(STM, 영국 STM 주사 터널링 현미경) 또는 래스터 터널링 현미경(RTM) 현대 형태의 주사 터널링 현미경은 Gerd Karl Binnig와 1981년의 하인리히 로러. 이 발명품으로 그들은 상을 받았습니다 노벨상 1986년 물리학 박사 학위를 투과 전자 현미경의 발명가인 E. Ruska와 공유했습니다. STM에서는 날카로운 금속 바늘을 수 옹스트롬 거리에 있는 샘플로 가져옵니다. 샘플에 비해 바늘에 작은 전위가 가해지면 터널링 전류가 발생합니다. 이 전류의 크기는 샘플-바늘 거리에 따라 기하급수적으로 달라집니다. 약 1A 거리의 일반적인 pA 값입니다. 이 현미경은 전자를 제공하기 위해 작은 직경의 금속 팁을 사용합니다. 팁과 샘플 표면 사이의 틈에 전기장이 생성됩니다. 단위 시간당 팁에서 자기장에 의해 끌어당겨지는 전자의 수(터널링 전류)는 팁과 샘플 표면 사이의 거리에 따라 달라집니다(실제로 이 거리는 1 nm 미만입니다). 팁이 표면을 따라 이동함에 따라 전류가 변조됩니다. 이를 통해 샘플의 표면 지형과 관련된 이미지를 얻을 수 있습니다. 팁이 단일 원자로 끝나는 경우 원자를 원자 단위로 통과시켜 표면의 이미지를 형성할 수 있습니다.
RTM은 팁에서 표면까지의 거리가 일정한 조건에서만 작동할 수 있으며 팁은 원자 차원까지 정밀하게 이동할 수 있습니다. 진공 상태와 터널 갭의 유전체 매체 모두에서 구현되는 표면 법선(~0.01 nm) 및 수평 방향(~0.1 nm)의 높은 STM 분해능은 측정 정확도 향상에 대한 광범위한 전망을 열어줍니다. 선형 치수나노미터 범위에서. 스캐닝 터널링 현미경 클로즈업의 백금-이리듐 바늘.
주사형 원자간력 현미경(Scanning Atomic Force Microscopy, AFM) 1986년에 제안된 표면 원자간력 현미경(Surface Atomic Force Microscopy, AFM)은 밀접하게 이격된 사이의 힘 상호 작용 효과에 기초합니다. 고체. STM과 달리 AFM 방법은 진공뿐만 아니라 공기 및 액체 매질에서도 전도성 표면과 비전도성 표면 모두에서 측정을 수행하는 데 적합합니다. AFM의 가장 중요한 요소는 마이크로프로브(캔틸레버)이며, 그 끝에는 곡률 반경 R을 갖는 유전체 팁이 있으며, 연구 중인 샘플 표면이 d0.1 ¼10의 거리에 도달합니다. nm 3좌표 조작기를 사용합니다. 캔틸레버의 끝 부분은 일반적으로 기계적 강성이 낮은 브래킷 형태로 만들어진 스프링에 장착됩니다. 샘플과 캔틸레버 끝 사이의 원자간(분자간) 상호작용의 결과로 브래킷이 편향됩니다. 표면 법선에 따른 AFM 분해능은 해당 STM 분해능과 비슷하며 수평 방향의 분해능(세로 분해능)은 거리 d와 팁 곡률 반경 R에 따라 달라집니다. 수치 계산에 따르면 R = 0.5 nm d = 0.4 nm의 세로 해상도는 ~ 1 nm입니다. AFM 프로브는 바늘 끝이므로 나노미터 크기의 표면 양각 요소의 프로파일에 대한 정보를 얻을 수 있지만 이러한 요소의 높이(깊이)는 100nm를 초과해서는 안 됩니다. 그리고 이웃하는 요소는 100nm보다 더 가까이 위치해서는 안 됩니다. 특정 AFM 관련 조건이 충족되면 정보 손실 없이 요소 프로파일을 복원할 수 있습니다. 그러나 이러한 조건은 실험적으로 구현하는 것이 현실적으로 불가능합니다.
보기 공간 해상도(x,y) Z 좌표 해상도 필드 크기 배율 광학 현미경 200 nm-0.4 -0.2 mm x 공초점 현미경 200 nm 1 nm 백색광 간섭계 200 nm 0.1 nm 0.05 ~ x 홀로그램 현미경 200 nm 0.1 nm 0.05 ~ x 투과 전자 현미경 0.2 nm- ~ 주사 전자 현미경(SEM) 0.4 nm 0.1 nm 0.1-500 µm z 방향 - ~1-10 mm ~ x 스캐닝 프로브 현미경 0.1 nm 0.05 nm ~150 x 150 µm z 방향 - 
광학현미경의 작동원리를 이해하기 위해서는 그 구조를 고려할 필요가 있다.
주요 생물학 장치는 삼각대, 조명 및 광학 부품으로 구성된 광학 시스템입니다. 삼각대에는 신발이 포함되어 있습니다. 두 개의 수직 방향으로 스테이지를 이동시키는 두 개의 나사와 슬라이드 홀더가 있는 스테이지; 튜브, 튜브 홀더; 튜브를 수직 방향으로 움직이는 매크로 및 마이크로 나사.
물체를 조명하기 위해 신발에 영구적으로 장착되거나 조명 막대를 통해 연결된 현미경을 사용하여 수행되는 자연 확산 조명 또는 인공 조명이 사용됩니다.
조명 시스템에는 편평하고 오목한 표면의 거울과 무대 아래에 위치한 콘덴서가 포함되어 있으며 렌즈 2개, 조리개 조리개 및 필터용 접이식 프레임으로 구성되어 있습니다. 광학 부품에는 다양한 배율로 세포를 연구할 수 있는 렌즈와 접안렌즈 세트가 포함되어 있습니다.
광학현미경의 작동 원리는 광원에서 나온 빛의 광선이 축전기에 모아져 물체를 향하게 된다는 것입니다. 그것을 통과한 광선은 렌즈의 렌즈 시스템으로 들어갑니다. 그들은 접안 렌즈를 사용하여 확대된 기본 이미지를 만듭니다. 일반적으로 렌즈와 접안렌즈는 물체의 역 가상 및 확대 이미지를 제공합니다.
모든 현미경의 주요 특징은 해상도와 대비입니다.
분해능은 두 지점이 위치한 최소 거리이며 현미경으로 별도로 표시됩니다.
현미경의 분해능은 다음 공식으로 계산됩니다.
여기서 l은 조명기에서 나오는 빛의 파장입니다.
b - 렌즈의 광축과 렌즈에 들어가는 가장 편향된 광선 사이의 각도,
n은 매체의 굴절률입니다.
광선의 파장이 짧을수록 현미경을 통해 더 미세한 세부 사항을 관찰할 수 있습니다. 그리고 렌즈의 개구수(n)가 높을수록 렌즈의 해상도는 높아집니다.
광학현미경은 인간 눈의 분해능을 약 1,000배까지 증가시킬 수 있습니다. 이것이 현미경의 "유용한" 배율입니다. 광 스펙트럼의 가시 부분을 사용할 때 광학 현미경의 최종 분해능 한계는 0.2-0.3 미크론입니다.
그러나 광학 현미경을 사용하면 분해능 한계보다 작은 입자를 볼 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이는 "암시야(Dark Field)" 또는 "초현미경(Ultramicroscopy)" 방법을 사용하여 수행할 수 있습니다.
쌀. 1 광학 현미경: 1 - 삼각대; 2 - 개체 테이블; 3 - 노즐; 4 - 접안 렌즈; 5 - 튜브; 6 - 렌즈 교환기; 7 - 마이크로렌즈; 8 - 콘덴서; 9 - 콘덴서 이동 메커니즘; 10 - 수집가; 11 - 조명 시스템; 12 - 현미경 초점 메커니즘.
전자현미경의 주요 부분은 속이 빈 진공 실린더입니다(공기는 진공화되어 전자와 구성 요소의 상호 작용 및 음극 필라멘트의 산화를 방지합니다). 전자를 더욱 가속시키기 위해 음극과 양극 사이에 고전압이 인가됩니다. 콘덴서 렌즈(모든 전자 현미경 렌즈와 마찬가지로 전자석임)에서는 전자 빔이 집중되어 연구 대상에 부딪힙니다. 투과된 전자는 대물렌즈에 확대된 1차 이미지를 형성하고, 이는 투사 렌즈에 의해 확대되어 스크린에 투사됩니다. 스크린은 전자가 부딪힐 때 빛을 내는 발광층으로 덮여 있습니다.
쌀. 2. 전자현미경: 1 - 전자총; 2 - 양극; 3 - 총 조정용 코일; 4 - 건 밸브; 5 - 첫 번째 콘덴서 렌즈; 6 - 두 번째 콘덴서 렌즈; 7 - 빔을 기울이기 위한 코일 8 - 콘덴서 2 다이어프램; 9 - 대물렌즈; 10 - 샘플 블록; 11 - 회절 다이어프램; 12 - 회절 렌즈; 13 - 중간 렌즈; 14 - 제1 투사 렌즈; 15 - 제2 투사 렌즈; 16 - 쌍안경 (배율 12); 17 - 컬럼의 진공 블록; 18 - 35mm 릴 필름용 카메라; 19 - 초점 맞추기 화면; 20 - 기록실; 21 - 메인 화면; 22 - 이온 흡착 펌프.
기술고고학)
일부 전자 현미경은 우주선의 펌웨어를 복원하고 다른 전자 현미경은 현미경으로 미세 회로의 회로를 역설계합니다. 나는 그 활동이 정말 흥미로울 것이라고 생각합니다.
그런데 산업 고고학에 관한 훌륭한 게시물이 기억났습니다.
스포일러
기업 메모리에는 사람과 문서라는 두 가지 유형이 있습니다. 사람들은 사물이 어떻게 작동하는지 기억하고 그 이유를 알고 있습니다. 때때로 그들은 이 정보를 어딘가에 적고 메모를 어딘가에 저장합니다. 이것을 "문서화"라고 합니다. 기업 기억 상실증은 같은 방식으로 작동합니다. 즉, 사람들이 떠나고 문서가 사라지거나 부패하거나 단순히 잊혀지는 것입니다.
나는 대규모 석유화학회사에서 수십 년을 일했습니다. 1980년대 초에 우리는 탄화수소를 다른 탄화수소로 변환하는 공장을 설계하고 건설했습니다. 이후 30년 동안 공장에 대한 기업의 기억은 사라졌습니다. 예, 공장은 여전히 운영 중이며 회사에 수익을 가져다 주고 있습니다. 유지보수가 수행되고, 매우 현명한 전문가들은 공장이 계속 운영되기 위해 무엇을 끌어내야 하고 어디를 걷어차야 하는지 알고 있습니다.
그러나 회사는 이 공장이 어떻게 작동하는지 완전히 잊어버렸습니다.
이는 여러 가지 요인으로 인해 발생했습니다.
1980년대와 1990년대 석유화학산업의 쇠퇴로 인해 신규 채용이 중단되었습니다. 1990년대 후반에 우리 그룹은 매우 드물게 예외를 제외하고 35세 미만 또는 55세 이상의 남성으로 구성되었습니다.
우리는 천천히 컴퓨터 시스템을 사용한 디자인으로 전환했습니다.
기업 개편으로 인해 사무실 전체를 물리적으로 이곳저곳으로 옮겨야 했습니다.
몇 년 후 기업 합병으로 인해 우리 회사는 더 큰 회사로 완전히 해체되어 부서가 대대적으로 개편되고 인력이 개편되었습니다.
산업 고고학
2000년대 초반에 나와 동료 몇 명이 은퇴했습니다.
2000년대 후반에 회사는 그 공장을 기억하고 그것으로 뭔가를 하면 좋겠다고 생각했습니다. 생산량을 늘려보자. 예를 들어, 생산 과정에서 병목 현상을 발견하고 이를 개선할 수 있습니다. 기술은 지난 30년 동안 멈추지 않았습니다. 그리고 아마도 또 다른 작업장을 추가할 수도 있습니다.
그리고 회사는 온 힘을 다해 벽돌 벽에 부딪칩니다. 이 공장은 어떻게 건설됐나요? 왜 이런 방식으로 구축되고 다른 방식으로는 구축되지 않았습니까? 정확히 어떻게 작동하나요? 통 A가 필요한 이유, 작업장 B와 C가 파이프라인으로 연결된 이유, 파이프라인의 직경이 D가 아닌 D인 이유는 무엇입니까?
기업 기억상실이 진행 중입니다. 외계인 기술의 도움으로 외계인이 만든 거대한 기계는 마치 상처를 입은 것처럼 챔피언을 만들어 엄청난 양의 폴리머를 생산합니다. 회사는 이 기계를 어떻게 유지 관리해야 하는지에 대해 어느 정도 알고 있지만 내부에서 어떤 놀라운 마법이 일어나는지 전혀 모르고, 기계가 어떻게 만들어졌는지 전혀 아는 사람이 없습니다. 일반적으로 사람들은 정확히 무엇을 찾아야 할지조차 모르고, 이 얽힌 부분을 어느 쪽에서 풀어야 할지 모릅니다.
우리는 이 공장을 건설하는 동안 이미 회사에서 근무하고 있던 직원을 찾고 있습니다. 이제 그들이 점령하고 있어 높은 지위에어컨이 설치된 별도의 방에 앉으세요. 그들은 지정된 공장에 대한 문서를 찾는 임무를 맡습니다. 이것은 더 이상 기업 메모리가 아니라 산업 고고학에 가깝습니다. 이 플랜트에 대해 어떤 문서가 존재하는지, 존재 여부, 그렇다면 어떤 형식으로 저장되어 있는지, 어떤 형식으로, 무엇이 포함되어 있는지, 물리적으로 어디에 있는지 아는 사람은 아무도 없습니다. 공장이 설계되었습니다. 프로젝트 팀더 이상 존재하지 않는 , 인수된 회사, 폐쇄된 사무실에서 더 이상 사용되지 않는 컴퓨터 이전 시대 방법을 사용합니다.
남자들은 의무적으로 흙을 파고 값 비싼 재킷의 소매를 감아 올리고 일을 시작하면서 어린 시절을 기억합니다.
"현미경"이라는 용어는 그리스어에 뿌리를 두고 있습니다. 이 단어는 번역하면 "작은"과 "나는 보인다"를 의미하는 두 단어로 구성됩니다. 현미경의 주요 역할은 매우 작은 물체를 검사하는 데 사용됩니다. 동시에 이 장치를 사용하면 육안으로는 보이지 않는 신체의 크기와 모양, 구조 및 기타 특성을 확인할 수 있습니다.
현미경의 발명가가 누구인지에 대한 정확한 정보는 역사상 없습니다. 일부 소식통에 따르면 안경 제작자인 Janssens 부자가 1590년에 디자인했다고 합니다. 현미경 발명가라는 타이틀에 대한 또 다른 경쟁자는 갈릴레오 갈릴레이입니다. 1609년에 이 과학자들은 아카데미아 데이 린세이(Accademia dei Lincei)에서 대중에게 오목 렌즈와 볼록 렌즈를 갖춘 도구를 선보였습니다.
수년에 걸쳐 미세한 물체를 관찰하는 시스템은 발전하고 개선되었습니다. 역사상 가장 큰 진전은 무색 조정이 가능한 간단한 2개 렌즈 장치의 발명이었습니다. 이 시스템은 1600년대 후반 네덜란드인 Christian Huygens에 의해 도입되었습니다. 이 발명가의 접안렌즈는 오늘날에도 여전히 생산되고 있습니다. 유일한 단점은 시야 폭이 충분하지 않다는 것입니다. 또한 현대 장비의 디자인에 비해 호이겐스 접안렌즈는 눈에 불편한 위치를 가지고 있습니다.
현미경의 역사에 특별한 공헌을 한 사람은 그러한 장치를 제조한 Anton Van Leeuwenhoek(1632-1723)입니다. 이 장치에 생물학자들의 관심을 끈 사람이 바로 그 사람이었습니다. 레이엔훅은 작은 사이즈의 제품을 하나 장착했지만 아주 튼튼한 렌즈를 만들었습니다. 이러한 장치는 사용하기 불편했지만 복합 현미경에 존재하는 이미지 결함을 두 배로 늘리지는 않았습니다. 발명가들은 불과 150년 후에 이 단점을 바로잡을 수 있었습니다. 광학의 발달과 함께 복합장치의 화질도 향상되었습니다.
현미경의 개선은 오늘날에도 계속되고 있습니다. 따라서 2006년에 생물물리화학연구소의 독일 과학자인 마리아노 보시(Mariano Bossi)와 스테판 헬(Stefan Hell)이 새로운 광학 현미경을 개발했습니다. 10nm 크기의 물체를 관찰할 수 있는 능력과 3차원 고화질 3D 이미지로 인해 이 장치는 나노스코프라고 불렸습니다.
현재 작은 물체를 검사하기 위해 설계된 다양한 도구가 있습니다. 그룹화는 다양한 매개변수를 기반으로 합니다. 이는 현미경의 목적이나 채택된 조명 방식, 광학 설계에 사용되는 구조 등일 수 있습니다.
그러나 원칙적으로 현미경의 주요 종류는 이 시스템을 사용하여 볼 수 있는 미세입자의 분해능에 따라 분류됩니다. 이 분류에 따르면 현미경은 다음과 같습니다.
- 광학(빛);
- 전자;
- 엑스레이;
- 스캐닝 프로브.
가장 널리 사용되는 현미경은 광형 현미경입니다. 안경점에는 다양한 제품이 있습니다. 이러한 장치의 도움으로 특정 개체를 연구하는 주요 작업이 해결됩니다. 다른 모든 유형의 현미경은 특수 현미경으로 분류됩니다. 그들은 일반적으로 실험실 환경에서 사용됩니다.
위의 각 유형의 장치에는 특정 영역에서 사용되는 자체 하위 유형이 있습니다. 또한 오늘날에는 보급형 시스템인 학교 현미경(또는 교육용)을 구입하는 것도 가능합니다. 전문가용 장치도 소비자에게 제공됩니다.
현미경이란 무엇입니까? 특별한 생물학적 광학 시스템인 인간의 눈은 일정 수준의 해상도를 가지고 있습니다. 즉, 최단 거리관찰된 물체 사이를 여전히 구별할 수 있을 때. 정상적인 눈의 경우 이 해상도는 0.176mm 이내입니다. 그러나 대부분의 동식물 세포, 미생물, 결정, 합금의 미세구조, 금속 등의 크기는 이 값보다 훨씬 작습니다. 그러한 물체를 연구하고 관찰하는 방법은 무엇입니까? 이것은 다양한 유형의 현미경이 사람들에게 도움이 되는 곳입니다. 예를 들어, 광학 장치를 사용하면 요소 사이의 거리가 최소 0.20 마이크론인 구조를 구별할 수 있습니다.
인간의 눈으로 미세한 물체를 볼 수 있는 장치에는 두 가지 주요 요소가 있습니다. 그것은 렌즈와 접안렌즈입니다. 현미경의 이러한 부분은 금속 베이스에 위치한 이동식 튜브에 고정되어 있습니다. 그 위에 개체 테이블도 있습니다.
현대식 현미경에는 일반적으로 조명 시스템이 장착되어 있습니다. 특히 이것은 조리개 다이어프램이 있는 콘덴서입니다. 필수 확대 장치 세트에는 선명도를 조정하는 데 사용되는 마이크로 및 매크로 나사가 포함됩니다. 현미경 설계에는 콘덴서의 위치를 제어하는 시스템도 포함됩니다.
전문화되고 더 복잡한 현미경은 종종 다른 것을 사용합니다. 추가 시스템그리고 장치.
저는 현미경의 주요 부분 중 하나인 렌즈에 대한 이야기로 현미경에 대한 설명을 시작하고 싶습니다. 이는 이미지 평면에서 문제의 물체의 크기를 증가시키는 복잡한 광학 시스템입니다. 렌즈 디자인에는 단일 렌즈뿐만 아니라 두세 개의 렌즈를 함께 접착한 전체 시스템이 포함됩니다.
이러한 광학-기계 설계의 복잡성은 하나 또는 다른 장치로 해결해야 하는 작업 범위에 따라 달라집니다. 예를 들어, 가장 복잡한 현미경에는 최대 14개의 렌즈가 있습니다.
렌즈는 앞 부분과 그 뒤를 따르는 시스템으로 구성됩니다. 요구되는 품질의 이미지를 구축하고 작업 조건을 결정하는 기초는 무엇입니까? 이것은 전면 렌즈 또는 해당 시스템입니다. 필요한 배율, 초점 거리 및 이미지 품질을 제공하려면 렌즈의 후속 부품이 필요합니다. 그러나 이러한 기능은 전면 렌즈와 결합해야만 가능합니다. 후속 부품의 디자인이 장치의 튜브 길이와 렌즈 높이에 영향을 미친다는 점도 언급할 가치가 있습니다.
현미경의 이러한 부분은 관찰자의 눈의 망막 표면에 필요한 미세한 이미지를 구성하도록 설계된 광학 시스템입니다. 접안렌즈에는 두 그룹의 렌즈가 포함되어 있습니다. 연구자의 눈에 가장 가까운 것을 안구라고 하고, 가장 먼 것을 시야라고 합니다(렌즈의 도움으로 렌즈는 연구 중인 물체의 이미지를 생성합니다).
현미경은 다이어프램, 거울 및 렌즈로 구성된 복잡한 디자인을 가지고 있습니다. 이를 통해 연구 대상 물체의 균일한 조명이 보장됩니다. 최초의 현미경에서는 이 기능수행 광학 기기가 향상됨에 따라 처음에는 평면 거울을 사용하고 그다음에는 오목 거울을 사용하기 시작했습니다.
이러한 간단한 세부 사항의 도움으로 태양이나 램프의 광선이 연구 대상으로 향했습니다. 현대 현미경에서는 더욱 발전했습니다. 콘덴서와 콜렉터로 구성됩니다.
검사가 필요한 현미경 준비물은 평평한 표면에 놓습니다. 개체 테이블입니다. 다양한 종류현미경은 연구 대상이 관찰자를 향해 수평, 수직 또는 특정 각도로 회전하도록 설계된 표면을 가질 수 있습니다.
최초의 광학 장치에서는 렌즈 시스템이 미세 물체의 역상을 제공했습니다. 이를 통해 연구 대상이 되는 물질의 구조와 가장 작은 세부 사항을 식별할 수 있었습니다. 오늘날 광학 현미경의 작동 원리는 굴절 망원경으로 수행되는 작업과 유사합니다. 이 장치에서는 빛이 유리 부분을 통과할 때 굴절됩니다.
현대인들은 어떻게 늘어나는가 광학 현미경? 광선의 광선이 장치에 들어간 후 평행 흐름으로 변환됩니다. 그래야만 접안렌즈에서 빛의 굴절이 발생하여 미세한 물체의 이미지가 확대됩니다. 다음으로, 이 정보는 관찰자에게 필요한 형태로 도착합니다.
현대에서는 다음과 같이 분류합니다.
1. 연구, 업무 및 학교 현미경의 복잡성 등급별.
2. 적용 분야별 : 외과, 생물학 및 기술.
3. 현미경 유형별 : 반사광 및 투과광, 위상 접촉, 발광 및 편광 장치.
4. 광속의 방향이 반전되고 직접됩니다.
시간이 지남에 따라 미세한 물체를 검사하도록 설계된 장치는 점점 더 정교해졌습니다. 빛의 굴절과 관계없이 완전히 다른 작동 원리가 사용되는 이러한 유형의 현미경이 나타났습니다. 최신 유형의 장치를 사용하는 과정에는 전자가 포함되었습니다. 이러한 시스템을 사용하면 광선이 단순히 그 주위로 흐를 정도로 작은 물질의 개별 부분을 볼 수 있습니다.
전자현미경은 어떤 용도로 사용되나요? 분자 및 세포 이하 수준에서 세포의 구조를 연구하는 데 사용됩니다. 또한 유사한 장치바이러스를 연구하는 데 사용됩니다.
미세한 물체를 관찰하기 위한 최신 장비의 작동 원리는 무엇입니까? 전자현미경은 광학현미경과 어떻게 다른가요? 그들 사이에 유사점이 있습니까?
전자현미경의 작동 원리는 전기적 특성과 자기장. 그들의 회전 대칭은 전자빔에 초점을 맞추는 효과를 가질 수 있습니다. 이를 바탕으로 우리는 “전자현미경은 광학현미경과 어떻게 다른가?”라는 질문에 답할 수 있습니다. 광학 장치와 달리 렌즈가 없습니다. 그들의 역할은 적절하게 계산된 자기장과 전기장에 의해 수행됩니다. 전류가 통과하는 코일의 회전에 의해 생성됩니다. 이 경우 이러한 필드는 유사하게 작동하며 전류가 증가하거나 감소하면 장치의 초점 거리가 변경됩니다.
에 관하여 개략도, 전자 현미경에서는 조명 장치의 회로와 유사합니다. 유일한 차이점은 광학 요소가 유사한 전기 요소로 대체된다는 것입니다.
전자현미경에서 물체의 확대는 연구 대상 물체를 통과하는 광선의 굴절 과정으로 인해 발생합니다. 다양한 각도에서 광선은 샘플의 첫 번째 확대가 발생하는 대물 렌즈의 평면으로 들어갑니다. 다음으로, 전자는 중간 렌즈로 이동합니다. 그 안에는 물체의 크기 증가에 대한 부드러운 변화가 있습니다. 연구 중인 재료의 최종 이미지는 투사 렌즈에 의해 생성됩니다. 그것으로부터 이미지가 형광 스크린에 부딪칩니다.
최신 유형에는 다음이 포함됩니다.
1. TEM 또는 투과 전자 현미경.이 설치에서는 최대 0.1 미크론 두께의 매우 얇은 물체의 이미지가 연구 대상 물질과 전자빔의 상호 작용과 렌즈에 있는 자기 렌즈에 의한 확대에 의해 형성됩니다.
2. SEM 또는 주사 전자 현미경.이러한 장치를 사용하면 수 나노미터 정도의 고해상도로 물체 표면의 이미지를 얻을 수 있습니다. 추가 방법을 사용할 때 이러한 현미경은 결정에 도움이 되는 정보를 제공합니다. 화학적 구성 요소표면 근처 층.
3. 터널링 주사전자현미경(STM).이 장치를 사용하여 높은 공간 분해능으로 전도성 표면의 릴리프를 측정합니다. STM으로 작업하는 과정에서 날카로운 금속 바늘을 연구 대상에 가져옵니다. 이 경우 몇 옹스트롬의 거리만 유지됩니다. 다음으로 작은 전위가 바늘에 적용되어 터널 전류가 발생합니다. 이 경우 관찰자는 연구 중인 물체의 3차원 이미지를 수신합니다.
2002년 미국에 등장 새로운 회사, 광학기기 생산에 종사하고 있습니다. 제품군에는 현미경, 망원경, 쌍안경이 포함됩니다. 이 모든 장치는 다음과 같이 구별됩니다. 고품질이미지.
회사의 본사와 개발 부서는 미국 캘리포니아주 프리먼드에 있습니다. 하지만 생산시설은 중국에 있다. 이 모든 덕분에 회사는 합리적인 가격으로 첨단 고품질 제품을 시장에 공급하고 있습니다.
현미경이 필요합니까? Levenhuk은 필요한 옵션을 제공합니다. 회사의 광학 장비 제품군에는 연구 대상을 확대하기 위한 디지털 및 생물학적 장치가 포함됩니다. 또한 구매자에게는 다양한 색상의 디자이너 모델이 제공됩니다.
Levenhuk 현미경은 광범위한 기능을 갖추고 있습니다. 예를 들어, 초보 수준의 교육 장치를 컴퓨터에 연결할 수 있으며 수행 중인 연구를 비디오로 녹화할 수도 있습니다. Levenhuk D2L 모델에는 이 기능이 탑재되어 있습니다.
이 회사는 다양한 수준의 생물학적 현미경을 제공합니다. 이것과 그 이상 간단한 모델, 전문가에게 적합한 새로운 아이템.
해당 분야의 전문가인 기업가의 블로그를 게시하기 시작했습니다. 정보 기술그리고 특이한 경험에 대해 이야기하는 파트타임 아마추어 디자이너 Alexey Bragin. 현재 1년 동안 블로그 작성자는 주사 전자 현미경과 같은 복잡한 과학 장비를 거의 집에서 복원하느라 바빴습니다. Alexey가 직면한 엔지니어링, 기술, 과학적 과제와 이를 해결한 방법에 대해 읽어보세요.
어느 날 친구가 나에게 전화해서 이렇게 말했습니다. 흥미로운 것을 발견했습니다. 가져 가야하는데 무게가 0.5톤이나 됩니다. JEOL JSM-50A 주사전자현미경의 기둥이 내 차고에 나타난 모습입니다. 오래 전에 일부 연구소에서 폐기되어 고철로 옮겨졌습니다. 전자 장치는 분실되었지만 진공 부품과 함께 전자 광학 컬럼은 보존되었습니다.
장비의 주요 부분이 보존되었기 때문에 질문이 생겼습니다. 전체 현미경을 저장하는 것이 가능합니까? 즉 복원하여 작동 상태로 만들 수 있습니까? 그리고 차고에서 기본 엔지니어링 지식과 사용 가능한 도구만 사용하여 직접 손으로 작업하시겠습니까? 사실, 나는 이전에 그런 과학 장비를 다루어 본 적이 없었고, 그것을 사용하는 방법도 몰랐고, 그것이 어떻게 작동하는지 전혀 몰랐습니다. 하지만 오래된 하드웨어를 작동 순서대로 두는 것뿐만 아니라 스스로 알아내고 다음을 사용하여 가능한지 확인하는 것도 흥미롭습니다. 과학적인 방법, 완전히 새로운 영역을 탐험해보세요. 그래서 차고에서 전자현미경을 복원하기 시작했습니다.
이 블로그에서는 제가 이미 달성한 일과 앞으로 해야 할 일에 대해 말씀드리겠습니다. 그 과정에서 전자현미경의 작동 원리와 주요 구성 요소를 소개하고, 그 과정에서 극복해야 했던 많은 기술적 장애물에 대해서도 말씀드리겠습니다. 그럼 시작해 보겠습니다.
내가 소유하고 있던 현미경을 적어도 "형광 스크린에 전자빔으로 그린다" 상태로 복원하려면 다음이 필요했습니다.
순서대로 시작합시다. 오늘은 전자현미경의 작동 원리에 대해 말씀드리겠습니다. 두 가지 유형이 있습니다.
TEM은 기존 광학 현미경과 매우 유사하며, 연구 중인 샘플에만 빛(광자)이 아닌 전자가 조사됩니다. 전자빔의 파장은 광자빔보다 훨씬 짧기 때문에 훨씬 더 높은 해상도를 얻을 수 있습니다.
전자빔은 전자기 또는 정전기 렌즈를 사용하여 집중되고 제어됩니다. 물리적 상호 작용의 특성은 완전히 다르지만 광학 렌즈와 동일한 왜곡(색수차)도 있습니다. 그건 그렇고, 그것은 또한 새로운 왜곡을 추가합니다 (광학 현미경의 광자에서는 발생하지 않는 전자 빔의 축을 따라 렌즈의 전자가 비틀어짐으로 인해 발생함).
TEM에는 단점이 있습니다. 연구 중인 샘플은 매우 얇아야 하며 1 마이크론보다 얇아서 특히 집에서 작업할 때 항상 편리하지는 않습니다. 예를 들어, 빛을 통해 머리카락을 보려면 세로로 최소 50겹 이상 잘라야 합니다. 이는 전자빔의 투과력이 광자빔보다 훨씬 나쁘기 때문입니다. 또한 FEM은 드문 경우를 제외하고는 상당히 번거롭습니다. 아래 그림에 있는 이 장치는 그다지 크지 않은 것 같지만(사람 키보다 크고 견고한 주철 프레임을 갖고 있음에도 불구하고) 대형 캐비닛 크기의 전원 공급 장치도 함께 제공됩니다. 방 전체가 필요합니다.
캘거리대학교
예를 들어, H1N1 독감은 "빛 속에서" 보이는 모습입니다:
캘거리대학교
SEM은 주로 매우 높은 해상도(광학 현미경의 경우 2,000배)로 샘플 표면을 검사하는 데 사용됩니다. 그리고 이것은 가정에서 훨씬 더 유용합니다 :)
예를 들어, 새 칫솔의 개별 강모는 다음과 같습니다.
현미경의 전자 광학 컬럼에서도 동일한 일이 발생해야 합니다. 여기서만 스크린의 형광체가 아닌 샘플이 조사되고 이미지는 2차 전자, 탄성 반사 전자 등을 기록하는 센서의 정보를 기반으로 형성됩니다. 이것이 이 블로그에서 논의될 전자현미경의 유형입니다.
TV 브라운관과 현미경의 전자광학 컬럼은 모두 진공 상태에서만 작동합니다. 하지만 이에 대해서는 다음 호에서 자세히 이야기하겠습니다.
(계속 예정)
