Принцип работы электронного микроскопа.
Электронный микроскоп – это электронно-оптический прибор, в котором электроны с энергией в мегавольты образуют пучки, давая увеличенное изображение микроскопического объекта на флуоресцентном экране.
Просвечивающий электронный микроскоп во многом подобен световому микроскопу, но в отличие от светового микроскопа, для освещения образцов в нем используют не свет, т.е. поток фотонов, а потоки электронов, а вместо стеклянных линз – электромагнитные. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Схема просвечивающего электронного микроскопа представлена на рисунке 4, сравнение светового и электронного микроскопа – на рисунке 5.
В просвечивающем электронном микроскопе имеются электронный прожектор, ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентны экран. Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под напряжением порядка 100 кВ относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором. Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.
Электромагнитная линза представляет из себя несколько тысяч витков проволоки, по которым проходит ток, создавая магнитное поле, которое отклоняет и фокусирует пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок (рис 6).
Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, меняя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной «броней» из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности. Ряд конденсорных линз (на схеме показана лишь последняя) фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает неувеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта. Образец помещается в магнитном поле объективной линзы с большой оптической силой – самой важной линзы просвечивающего электронного микроскопа, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличение порядка 100), дополнительное увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000. Таким образом, максимальное увеличение, которое можно получить в современных просвечивающих микроскопах, составляет порядка 1000000 раз. Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в видимое или регистрируется на фотопластинке.
Контраст изображения в просвечивающем электронном микроскопе обусловлен рассеянием электронов при прохождении электронного пучка через образец. Проходя через образец, одни электроны пролетают беспрепятственно сквозь него, другие рассеиваются. Степень рассеяния зависит от толщины образца, его плотности и средней атомной массы в данной точке. Участки повышенной плотности, увеличенной толщины, места расположения тяжелых атомов выглядят на изображении как темные зоны на светлом фоне. Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, как правило, рассматривают через бинокуляр. Окончательное изображение регистрируется на фотопластинке или на мониторе компьютера. В последнем случае используется чувствительная
Применение электронных микроскопов
В настоящее время электронные микроскопы являются немаловажной составляющей многих передовых лабораторий. Их используют для исследования биологических образцов, мельчайших микроорганизмов, молекул, клинических препаратов, кристаллических структур и для характеризации различных поверхностей. Также электронные микроскопы широко используются для обследования технического соответствия и анализа дефектов и неисправностей в индустрии, к примеру, при производстве полупроводников. Способность определять положение отдельных атомов внутри материала делает электронные микроскопы незаменимыми в нанотехнологиях.
Что касается биологических исследований, электронная микроскопия незаменима в цитологии, клеточной биологии, ботанике, энтомологии, молекулярной биологии и микробиологии. С развитием иммуноэлектронной микроскопии появилась возможность локализовать интересующую молекулу с точностью до нескольких нанометров. В медицине электронно-микроскопический анализ применяется в токсикологии, гематологии, для диагностики, определения элементного состава тканей, выявление инородных веществ, в патоморфологии, а также для фармацевтического контроля качества и т.д.