Estamos começando a publicar um blog de um empresário, especialista na área tecnologias de informação e o designer amador em meio período Alexei Bragin, que conta sobre uma experiência inusitada - há um ano, o autor do blog está ocupado restaurando equipamentos científicos complexos - um microscópio eletrônico de varredura - praticamente em casa. Leia sobre quais desafios de engenharia, técnicos e científicos Alexey teve que enfrentar e como ele lidou com eles.
Uma vez um amigo me ligou e disse: Achei uma coisa interessante, preciso trazer para você, porém pesa meia tonelada. Então, consegui uma coluna de um microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM-50A em minha garagem. Ela foi desativada de algum instituto de pesquisa há muito tempo e levada para a sucata. A eletrônica foi perdida, mas a coluna eletro-óptica, junto com a parte de vácuo, foi salva.
Como a parte principal do equipamento foi preservada, surgiu a dúvida: é possível salvar todo o microscópio, ou seja, restaurá-lo e colocá-lo em condições de funcionamento? E bem na garagem, com as próprias mãos, apenas com a ajuda de engenharia básica e conhecimentos técnicos e meios improvisados? É verdade que nunca havia lidado com tal equipamento científico, muito menos poder usá-lo, e não fazia ideia de como funcionava. Mas é interessante, afinal, não apenas colocar o velho pedaço de ferro em condições de funcionamento - é interessante descobrir tudo por conta própria e verificar se é possível usar método científico, explore áreas completamente novas. Então comecei a restaurar o microscópio eletrônico na garagem.
Neste blog, vou contar o que já consegui fazer e o que ainda falta fazer. Ao longo do caminho, apresentarei os princípios de operação dos microscópios eletrônicos e seus principais componentes, além de falar sobre os muitos obstáculos técnicos que tiveram que ser superados no decorrer do trabalho. Então vamos começar.
Para restaurar o microscópio que eu tinha pelo menos no estado de “desenhar com um feixe de elétrons em uma tela luminescente”, era necessário o seguinte:
Vamos começar em ordem. Hoje falarei sobre os princípios de funcionamento dos microscópios eletrônicos. São de dois tipos:
O TEM é muito semelhante a um microscópio óptico convencional, apenas a amostra em estudo é irradiada não com luz (fótons), mas com elétrons. O comprimento de onda de um feixe de elétrons é muito menor do que o de um feixe de fótons, portanto, uma resolução muito maior pode ser obtida.
O feixe de elétrons é focalizado e controlado por lentes eletromagnéticas ou eletrostáticas. Eles ainda têm as mesmas distorções (aberrações cromáticas) que as lentes ópticas, embora a natureza da interação física aqui seja completamente diferente. A propósito, também adiciona novas distorções (causadas pela torção dos elétrons na lente ao longo do eixo do feixe de elétrons, o que não acontece com os fótons em um microscópio óptico).
O TEM tem desvantagens: as amostras a serem estudadas devem ser muito finas, com menos de 1 mícron, o que nem sempre é conveniente, principalmente quando se trabalha em casa. Por exemplo, para ver seu cabelo na luz, ele deve ser cortado em pelo menos 50 camadas. Isso se deve ao fato de que o poder de penetração de um feixe de elétrons é muito pior do que o de um fóton. Além disso, o TEM, com raras exceções, é bastante complicado. Este aparelho, mostrado abaixo, não parece ser tão grande (embora seja mais alto que um ser humano e tenha uma sólida estrutura de ferro fundido), mas também vem com uma fonte de alimentação do tamanho de um gabinete grande - no total , quase uma sala inteira é necessária.
Universidade de Calgary
Por exemplo, aqui está a aparência da gripe H1N1 "através da luz":
Universidade de Calgary
O SEM é usado principalmente para estudar a superfície de amostras com resolução muito alta (ampliação de um milhão de vezes, contra 2 mil para microscópios ópticos). E isso é muito mais útil em casa :)
Por exemplo, é assim que uma única cerda de uma escova de dentes nova se parece:
O mesmo deve acontecer na coluna óptica eletrônica do microscópio, só que aqui a amostra é irradiada, e não o fósforo da tela, e a imagem é formada com base nas informações de sensores que registram elétrons secundários, elétrons refletidos elasticamente e assim sobre. É esse tipo de microscópio eletrônico que será discutido neste blog.
Tanto o cinescópio da TV quanto a coluna óptica eletrônica do microscópio funcionam apenas no vácuo. Mas falarei sobre isso em detalhes na próxima edição.
(Continua)
microscópios eletrônicos apareceu na década de 1930 e entrou em uso generalizado na década de 1950.
A figura mostra uma transmissão moderna (translúcida) microscópio eletrônico, e a figura mostra o caminho do feixe de elétrons neste microscópio. Em um microscópio eletrônico de transmissão, os elétrons passam pela amostra antes que uma imagem seja formada. Esse microscópio eletrônico foi construído primeiro.
Microscópio eletrônico de cabeça para baixo em comparação com o microscópio de luz. A radiação é aplicada à amostra por cima e a imagem é formada por baixo. O princípio de operação de um microscópio eletrônico é essencialmente o mesmo microscópio óptico. O feixe de elétrons é direcionado pelas lentes do condensador para a amostra, e a imagem resultante é então ampliada por outras lentes.
A tabela resume algumas das semelhanças e diferenças entre luz e microscópios eletrônicos. No topo da coluna de um microscópio eletrônico está uma fonte de elétrons - um filamento de tungstênio, semelhante ao encontrado em um microscópio convencional lâmpada elétrica. Uma alta tensão (por exemplo, 50.000 V) é aplicada a ele e o filamento emite um fluxo de elétrons. Os eletroímãs focalizam o feixe de elétrons.
Um vácuo profundo é criado dentro da coluna. Isso é necessário para minimizar a dispersão elétrons devido à colisão com partículas de ar. Apenas seções ou partículas muito finas podem ser usadas para estudar em um microscópio eletrônico, uma vez que o feixe de elétrons é quase completamente absorvido por objetos maiores. As partes relativamente mais densas do objeto absorvem elétrons e, portanto, aparecem mais escuras na imagem formada. Metais pesados, como chumbo e urânio, são usados para colorir a amostra para aumentar o contraste.
elétrons invisíveis ao olho humano, por isso são direcionadas para a fluorescente, que reproduz a imagem visível (preto e branco). Para tirar uma fotografia, a tela é removida e os elétrons são direcionados diretamente para o filme. Uma fotografia tirada com um microscópio eletrônico é chamada de micrografia eletrônica.
A vantagem do microscópio eletrônico:
1) alta resolução (0,5nm na prática)
Desvantagens de um microscópio eletrônico:
1) o material preparado para o estudo deve estar morto, pois no processo de observação está no vácuo;
2) é difícil ter certeza de que o objeto reproduz uma célula viva em todos os seus detalhes, pois a fixação e coloração do material em estudo podem alterar ou danificar sua estrutura;
3) o próprio microscópio eletrônico e sua manutenção são caros;
4) a preparação do material para trabalhar com o microscópio leva muito tempo e requer pessoal altamente qualificado;
5) as amostras estudadas são gradualmente destruídas sob a ação do feixe de elétrons. Portanto, se for necessário um estudo detalhado da amostra, é necessário fotografá-la.
arqueologia tecnológica)
Alguns microscópios eletrônicos estão restaurando, outros estão restaurando firmware de espaçonaves e outros estão envolvidos na engenharia reversa de circuitos de microcircuitos sob um microscópio. Suspeito que a ocupação seja terrivelmente excitante.
Aliás, lembrei de um post maravilhoso sobre arqueologia industrial.
Spoiler
Existem dois tipos de memória corporativa: pessoas e documentação. As pessoas se lembram de como as coisas funcionam e sabem por quê. Às vezes, eles registram essas informações em algum lugar e mantêm seus registros em algum lugar. Chama-se "documentação". A amnésia corporativa funciona da mesma maneira: as pessoas vão embora e a documentação desaparece, apodrece ou é simplesmente esquecida.
Passei várias décadas trabalhando para uma grande empresa petroquímica. No início dos anos 80, projetamos e construímos uma usina que converte hidrocarbonetos em outros hidrocarbonetos. Nos 30 anos seguintes, a memória corporativa desta fábrica diminuiu. Sim, a fábrica ainda está funcionando e gerando dinheiro para a empresa; a manutenção está sendo feita e as pessoas sábias sabem o que precisam se contorcer e chutar para manter a planta funcionando.
Mas a empresa esqueceu completamente como funciona essa planta.
Isso aconteceu devido a vários fatores:
A retração da indústria petroquímica nas décadas de 1980 e 1990 nos fez parar de contratar novas pessoas. No final da década de 1990, nosso grupo era formado por rapazes com menos de 35 anos ou mais de 55 - com raríssimas exceções.
Lentamente, passamos a projetar com a ajuda de sistemas de computador.
Devido a reorganizações societárias, tivemos que mudar fisicamente todo o escritório de um lugar para outro.
Uma fusão corporativa alguns anos depois dissolveu completamente nossa empresa em uma maior, causando uma reorganização maciça de departamentos e pessoal.
arqueologia industrial
No início dos anos 2000, eu e vários de meus colegas nos aposentamos.
No final dos anos 2000, a empresa lembrou da planta e achou que seria legal fazer algo com ela. Digamos, aumente a produção. Por exemplo, você pode encontrar um gargalo no processo de produção e melhorá-lo - a tecnologia não parou nesses 30 anos - e, talvez, adicionar outra oficina.
E aqui a empresa está impressa em uma parede de tijolos de todos os lados. Como essa usina foi construída? Por que foi construído desta forma e não de outra? Como exatamente isso funciona? Por que a cuba A é necessária, por que as oficinas B e C estão conectadas por uma tubulação, por que a tubulação tem diâmetro G e não D?
Amnésia corporativa em ação. Máquinas gigantes construídas por alienígenas com seu campeão de tecnologia alienígena como um relógio, cuspindo montes de polímeros. A empresa tem uma vaga ideia de como manter essas máquinas, mas não faz ideia da incrível magia que está acontecendo lá dentro, e ninguém tem a menor ideia de como elas foram criadas. Em geral, as pessoas nem sabem ao certo o que procurar e não sabem de que lado esse emaranhado deve ser desvendado.
Procuramos pessoas que já trabalhavam na empresa durante a construção desta fábrica. Agora eles pegam posições altas e sente-se em salas separadas com ar-condicionado. Eles recebem a tarefa de encontrar documentação sobre a referida planta. Não é mais memória corporativa, é mais como arqueologia industrial. Ninguém sabe que tipo de documentação existe nesta planta, se existe e, em caso afirmativo, de que forma está armazenada, em que formatos, o que inclui e onde está localizada fisicamente. A planta foi projetada equipe de projeto que não existe mais, em uma empresa que já foi comprada, em um escritório que foi fechado usando métodos da era pré-computador que não se aplicam mais.
A galera relembra a infância com enxames obrigatórios na lama, arregaça as mangas de jaquetas caras e começa a trabalhar.
NO mundo moderno O microscópio é considerado um dispositivo óptico indispensável. Sem ela, é difícil imaginar áreas da atividade humana como biologia, medicina, química, pesquisa espacial e engenharia genética.
Os microscópios são usados para estudar uma grande variedade de objetos e nos permitem ver com grande detalhe estruturas invisíveis a olho nu. A quem a humanidade deve o aparecimento deste útil dispositivo? Quem inventou o microscópio e quando?
A história do dispositivo está enraizada nos tempos antigos. A capacidade de superfícies curvas para refletir e refratar luz solar foi notado já no século III aC pelo explorador Euclides. Em suas obras, o cientista encontrou uma explicação para o aumento visual dos objetos, mas sua descoberta não encontrou aplicação prática.
A maioria informação antecipada sobre microscópios remonta a século XVIII. Em 1590, o artesão holandês Zachary Jansen colocou duas lentes de óculos em um tubo e conseguiu ver objetos ampliados de 5 a 10 vezes. 
Mais tarde, o famoso explorador Galileu Galilei inventou um telescópio e chamou a atenção para característica interessante: se for muito afastado, pequenos objetos podem ser significativamente ampliados.
Um verdadeiro avanço científico e tecnológico no desenvolvimento do microscópio ocorreu no século XVII. Em 1619, o inventor holandês Cornelius Drebbel inventou um microscópio com lentes convexas e, no final do século, outro holandês, Christian Huygens, apresentou seu modelo, no qual as oculares podiam ser ajustadas.
Um dispositivo mais avançado foi inventado pelo inventor Anthony Van Leeuwenhoek, que criou um dispositivo com uma lente grande. Ao longo do próximo século e meio, este produto deu mais alta qualidade imagens, razão pela qual Leeuwenhoek é frequentemente chamado de inventor do microscópio.
Há uma opinião de que o dispositivo óptico não foi inventado por Leeuwenhoek, mas por Robert Hooke, que em 1661 melhorou o modelo de Huygens adicionando uma lente adicional a ele. O tipo de dispositivo resultante tornou-se um dos mais populares na comunidade científica e foi amplamente utilizado até meados do século XVIII. 
No futuro, muitos inventores colocaram a mão no desenvolvimento do microscópio. Em 1863, Henry Sorby inventou um dispositivo de polarização que lhe permitia explorar e, na década de 1870, Ernst Abbe desenvolveu a teoria dos microscópios e descobriu a quantidade adimensional "número de Abbe", que contribuiu para a fabricação de equipamentos ópticos mais avançados.
Em 1931, o cientista Robert Rudenberg patenteou um novo dispositivo que poderia ampliar objetos usando feixes de elétrons. O dispositivo foi chamado de microscópio eletrônico e encontrou ampla aplicação em muitas ciências devido à sua alta resolução, milhares de vezes maior que a ótica convencional.
Um ano depois, Ernst Ruska criou um protótipo de um dispositivo eletrônico moderno, pelo qual foi premiado premio Nobel. Já no final da década de 1930, sua invenção começou a ser amplamente utilizada em pesquisas científicas. Ao mesmo tempo, a Siemens começou a produzir microscópios eletrônicos para uso comercial.
O tipo de microscópio óptico mais inovador até hoje é o nanoscópio, desenvolvido em 2006 por um grupo de cientistas liderados pelo inventor alemão Stefan Hell. 
O novo dispositivo permite não apenas superar a barreira do número Abbe, mas também oferece a oportunidade de observar objetos com dimensões de 10 nanômetros ou menos. Além disso, o dispositivo fornece imagens tridimensionais de objetos de alta qualidade, antes inacessíveis aos microscópios convencionais.
MICROSCÓPIO ELETRÔNICO- um dispositivo de vácuo de alta voltagem no qual uma imagem ampliada de um objeto é obtida usando um fluxo de elétrons. Projetado para pesquisa e fotografia de objetos em altas ampliações. Os microscópios eletrônicos têm alta resolução. Os microscópios eletrônicos são amplamente utilizados em ciência, tecnologia, biologia e medicina.
De acordo com o princípio de operação, distinguem-se os microscópios eletrônicos translúcidos (transmissão), de varredura (raster) e combinados. Este último pode funcionar em translúcido, escaneamento ou em dois modos simultaneamente.
A indústria nacional começou a produzir microscópios eletrônicos de transmissão no final dos anos 40 do século 20. A necessidade de criar um microscópio eletrônico foi causada pela baixa resolução dos microscópios de luz. Para aumentar a resolução, uma fonte de radiação de menor comprimento de onda foi necessária. A solução do problema só foi possível com o uso de um feixe de elétrons como iluminador. O comprimento de onda do fluxo de elétrons acelerado em um campo elétrico com uma diferença de potencial de 50.000 V é 0,005 nm. Atualmente, uma resolução de 0,01 nm para filmes de ouro foi alcançada com um microscópio eletrônico de transmissão.
Esquema de um microscópio eletrônico do tipo transmissão: 1 - canhão de elétrons; 2 - lentes condensadoras; 3 - lente; 4 - lentes de projeção; 5 - tubo com visores através dos quais se pode observar a imagem; 6 - cabo de alta tensão; 7 - sistema de vácuo; 8 - painel de controle; 9 - suporte; 10 - fonte de alimentação de alta tensão; 11 - fonte de alimentação de lentes eletromagnéticas.
O diagrama esquemático de um microscópio eletrônico de transmissão não é muito diferente do diagrama de um microscópio de luz (ver). O caminho dos raios e os principais elementos estruturais de ambos os microscópios são semelhantes. Apesar da grande variedade de microscópios eletrônicos produzidos, todos são construídos de acordo com o mesmo esquema. O principal elemento estrutural de um microscópio eletrônico de transmissão é a coluna do microscópio, que consiste em uma fonte de elétrons (pistola de elétrons), um conjunto de lentes eletromagnéticas, uma plataforma de objetos com um porta-objetos, uma tela luminescente e um dispositivo de fotogravação (ver diagrama ). Todos os elementos estruturais da coluna do microscópio são montados hermeticamente. Um sistema de bombas de vácuo na coluna cria um vácuo profundo para a passagem desimpedida de elétrons e proteção da amostra contra destruição.
O fluxo de elétrons é formado na pistola do microscópio, construída com base no princípio de uma lâmpada de três eletrodos (cátodo, ânodo, eletrodo de controle). Como resultado da emissão térmica de um cátodo de tungstênio aquecido em forma de V, são liberados elétrons, que são acelerados a altas energias em um campo elétrico com uma diferença de potencial de várias dezenas a várias centenas de quilovolts. Através do orifício no ânodo, o fluxo de elétrons corre para o espaço das lentes eletromagnéticas.
Juntamente com os cátodos termiônicos de tungstênio, os cátodos de emissão de campo e haste são usados no microscópio eletrônico, o que fornece uma densidade de feixe de elétrons muito maior. No entanto, sua operação requer um vácuo de pelo menos 10 ^ -7 mm Hg. Art., que cria dificuldades adicionais de design e operação.
Outro elemento estrutural principal da coluna do microscópio é uma lente eletromagnética, que é uma bobina com um grande número voltas de fio de cobre fino, colocadas em uma concha de ferro macio. Quando uma corrente elétrica passa pelo enrolamento da lente, forma-se nela um campo eletromagnético, cujas linhas de força se concentram na ruptura anular interna da casca. Para aumentar o campo magnético, uma ponta de pólo é colocada na região de descontinuidade, o que permite obter um campo simétrico e poderoso com uma corrente mínima no enrolamento da lente. A desvantagem das lentes eletromagnéticas são várias aberrações que afetam a resolução do microscópio. valor mais alto tem astigmatismo causado pela assimetria do campo magnético da lente. Para eliminá-lo, são utilizados estigmatizadores mecânicos e elétricos.
A tarefa das lentes condensadoras duplas, como o condensador de um microscópio de luz, é alterar a iluminação de um objeto alterando a densidade do fluxo de elétrons. O diafragma de uma lente condensadora com um diâmetro de 40-80 µm seleciona a parte central e mais homogênea do feixe de elétrons. A lente objetiva é a lente de distância focal mais curta com um poderoso campo magnético. Sua tarefa é focar e inicialmente aumentar o ângulo de movimento dos elétrons que passaram pelo objeto. A resolução do microscópio depende em grande parte da qualidade de fabricação e da uniformidade do material da ponta do pólo da lente objetiva. Nas lentes intermediárias e de projeção, há um aumento adicional no ângulo de movimento do elétron.
Requisitos especiais são impostos à qualidade do estágio do objeto e do porta-objetos, pois eles devem não apenas mover e inclinar a amostra em determinadas direções em alta ampliação, mas também, se necessário, submetê-la a estiramento, aquecimento ou resfriamento.
Um dispositivo eletrônico-mecânico bastante complexo é a parte de fotogravação do microscópio, que permite a exposição automática, a substituição do material fotográfico capturado e o registro dos modos de microscopia necessários.
Ao contrário de um microscópio de luz, o objeto de estudo em um microscópio eletrônico de transmissão é montado em grades finas feitas de material não magnético (cobre, paládio, platina, ouro). Um substrato de filme feito de colódio, formvar ou carbono com várias dezenas de nanômetros de espessura é anexado às grades, então o material é aplicado, que é submetido a exame microscópico. A interação dos elétrons incidentes com os átomos da amostra leva a uma mudança na direção de seu movimento, desvio em pequenos ângulos, reflexão ou absorção completa. Na formação de uma imagem em uma tela luminescente ou material fotográfico, participam apenas os elétrons que foram desviados pela substância da amostra em ângulos insignificantes e conseguiram passar pelo diafragma da abertura da lente objetiva. O contraste da imagem depende da presença de átomos pesados na amostra, que afetam fortemente a direção do movimento do elétron. Para aumentar o contraste de objetos biológicos construídos principalmente a partir de elementos leves, vários métodos contraste (ver Microscopia eletrônica).
Em um microscópio eletrônico de transmissão, é possível obter uma imagem de campo escuro de uma amostra quando ela é iluminada por um feixe de elétrons inclinado. Nesse caso, os elétrons espalhados pela amostra passam pela abertura do diafragma. A microscopia de campo escuro melhora o contraste da imagem com alta resolução detalhes da amostra. O microscópio eletrônico de transmissão também fornece o modo de microdifração de cristais mínimos. A transição do regime de campo claro para campo escuro e microdifração não requer mudanças significativas no esquema do microscópio.
Em um microscópio eletrônico de varredura, o fluxo de elétrons é formado por uma pistola de alta voltagem. Com a ajuda de lentes condensadoras duplas, é obtido um fino feixe de elétrons (sonda de elétrons). Por meio de bobinas defletoras, a sonda de elétrons é implantada na superfície da amostra, causando radiação. O sistema de varredura em um microscópio eletrônico de varredura se assemelha ao sistema pelo qual uma imagem de televisão é obtida. A interação de um feixe de elétrons com uma amostra leva ao aparecimento de elétrons dispersos, que perderam parte de sua energia ao interagir com os átomos da amostra. Para construir uma imagem tridimensional em um microscópio eletrônico de varredura, os elétrons são coletados por um detector especial, amplificados e alimentados a um gerador de varredura. O número de elétrons refletidos e secundários em cada ponto individual depende do relevo e composição química amostra, o brilho e o contraste da imagem do objeto no cinescópio mudam de acordo. A resolução do microscópio eletrônico de varredura atinge 3 nm, a ampliação é de 300 000. O vácuo profundo na coluna do microscópio eletrônico de varredura fornece a desidratação obrigatória de amostras biológicas com solventes orgânicos ou sua liofilização do estado congelado.
Um microscópio eletrônico combinado pode ser criado com base em um microscópio eletrônico de transmissão ou varredura. Usando um microscópio eletrônico combinado, você pode estudar simultaneamente a amostra nos modos de transmissão e varredura. Em um microscópio eletrônico combinado, bem como em um de varredura, é fornecida uma oportunidade para difração de raios X, análise de energia dispersiva da composição química da substância de um objeto, bem como para análise de imagens de máquinas estruturais ópticas.
Para aumentar a eficiência do uso de todos os tipos de microscópios eletrônicos, foram criados sistemas que permitem converter uma imagem de microscopia eletrônica em formato digital com posterior processamento dessa informação em um computador. análise estatística imagens diretamente do microscópio, ignorando o método tradicional de impressão negativa.
Bibliografia: Stoyanova I. G. e Anasknn I. F. Fundamentos físicos de métodos de microscopia eletrônica de transmissão, M., 1972; Suvorov A. L. Microscopia em ciência e tecnologia, M., 1981; Finean J. Biological ultrastructures, trans. de English, M., 1970; Schimmel G. Técnica de microscopia eletrônica, trans. com alemão M., 1972. Ver também bibliogr. ao art. Microscópio eletrônico.
