Mikroskoopide tüübid: kirjeldus, põhiomadused, eesmärk. Mille poolest elektronmikroskoop erineb valgusmikroskoobist? Digitaalsed mikroskoobid Transmissioonelektronmikroskoop
ELEKTRONMIKROSKOOP
seade, mis võimaldab saada objektidest kõrgelt suurendatud pilte, kasutades nende valgustamiseks elektrone. Elektronmikroskoop (EM) võimaldab näha detaile, mis on valgusmikroskoobiga (optilise) mikroskoobiga lahendamiseks liiga väikesed. EM on aine struktuuri fundamentaalteaduslike uuringute üks olulisemaid instrumente, eriti sellistes teadusvaldkondades nagu bioloogia ja tahkisfüüsika. EM-i on kolm peamist tüüpi. 1930. aastatel leiutati tavaline transmissioonelektronmikroskoop (CTEM), 1950. aastatel raster- (skaneeriv) elektronmikroskoop (SEM) ja 1980. aastatel skaneeriv tunnelmikroskoop (RTM). Need kolm tüüpi mikroskoobid täiendavad üksteist erinevat tüüpi struktuuride ja materjalide uurimisel.
TAVALINE EDASTUSELEKTRONIMIKROSKOOP
OPEM on paljuski sarnane valgusmikroskoobiga, vt MICROSCOPE, kuid see kasutab proovide valgustamiseks pigem elektronide kiirt kui valgust. See sisaldab elektroonilist prožektorit (vt allpool), kondensaatorläätsede seeriat, objektiivi ja projektsioonisüsteemi, mis sobib okulaariga, kuid projitseerib tegeliku pildi fluorestsentsekraanile või fotoplaadile. Elektroniallikaks on tavaliselt kuumutatud volfram- või lantaanheksaboriidkatood. Katood on ülejäänud seadmest elektriliselt isoleeritud ning elektrone kiirendab tugev elektriväli. Sellise välja loomiseks hoitakse katoodi potentsiaali umbes -100 000 V võrreldes teiste elektroodidega, mis fokusseerivad elektronid kitsaks kiireks. Seda seadme osa nimetatakse elektronprožektoriks (vt ELECTRON GUN). Kuna elektronid on aine poolt tugevalt hajutatud, peab mikroskoobi kolonnis olema vaakum, kus elektronid liiguvad. Siin hoitakse rõhku mitte üle ühe miljardindiku atmosfäärirõhust.
Elektrooniline optika. Elektroonilise kujutise moodustavad elektri- ja magnetväljad umbes samamoodi nagu valguskujutist optilised läätsed. Magnetläätse tööpõhimõtet illustreerib diagramm (joonis 1). Voolu kandva pooli pööretest tekkiv magnetväli toimib koonduva läätsena, mille fookuskaugust saab voolu muutes muuta. Kuna sellise objektiivi optiline võimsus, s.o. elektronide fokuseerimise võime sõltub magnetvälja tugevusest telje lähedal, selle suurendamiseks on soovitav magnetväli kontsentreerida võimalikult väikeses mahus. Praktikas saavutatakse see sellega, et mähis on peaaegu täielikult kaetud spetsiaalsest nikli-koobaltisulamist valmistatud magnetilise "soomusega", jättes selle sisemisse ossa vaid kitsa pilu. Sel viisil loodud magnetväli võib olla 10-100 tuhat korda tugevam kui Maa magnetväli maapinnal.
OPEM-i diagramm on näidatud joonisel fig. 2. Kondensaatorläätsede seeria (näidatud on ainult viimane) fokusseerib elektronkiire proovile. Tavaliselt loob esimene elektroniallikast suurendamata kujutise, teine aga kontrollib proovi valgustatud ala suurust. Viimase kondensaatorläätse ava määrab kiire laiuse objekti tasapinnal. Näidis asetatakse suure optilise võimsusega objektiivi magnetvälja - OPEM-i kõige olulisem objektiiv, mis määrab seadme maksimaalse võimaliku eraldusvõime. Objektiivi aberratsioone piirab selle ava, nagu kaamera või valgusmikroskoobi puhul. Objektiiv teeb objektist suurendatud kujutise (tavaliselt umbes 100 suurendust); vahe- ja projektsiooniläätsede lisasuurendus jääb vahemikku veidi alla 10 kuni veidi üle 1000. Seega on tänapäevaste OPEM-ide puhul saadav suurendus vahemikus alla 1000 kuni 1 000 000 ELEKTRONIMIKROSKOOP. (Miljonikordse suurendusega greipfruut kasvab Maa suuruseks.) Uuritav objekt asetatakse tavaliselt spetsiaalsesse hoidikusse asetatud väga peenele võrgule. Hoidjat saab mehaaniliselt või elektriliselt liigutada sujuvalt üles-alla ja vasakule-paremale.
Pilt. OPEM-i kontrastsus on tingitud elektronide hajumisest, kui elektronkiir proovi läbib. Kui proov on piisavalt õhuke, on hajutatud elektronide osa väike. Kui elektronid läbivad proovi, on osa neist hajutatud kokkupõrgete tõttu proovi aatomite tuumadega, teised hajuvad aatomite elektronidega kokkupõrgete tõttu ja kolmandad läbivad hajumist ilma. Hajumisaste proovi mis tahes piirkonnas sõltub proovi paksusest selles piirkonnas, selle tihedusest ja keskmisest aatommassist (prootonite arvust) antud punktis. Diafragmast väljuvad elektronid nurgahälbega, mis ületab teatud piiri, ei saa enam pilti kandvasse kiiresse tagasi pöörduda ja seetõttu ilmuvad pildile tugevalt hajuvad suurenenud tiheduse, paksusega alad ja raskete aatomite asukohad valgusel tumedate tsoonidena. taustal. Sellist pilti nimetatakse heledaks väljaks, kuna selles on ümbritsev väli objektist heledam. Kuid on võimalik veenduda, et elektriline läbipaindesüsteem võimaldab ainult osal hajutatud elektronidest läätse diafragmasse pääseda. Seejärel näib proov tumeda välja taustal hele. Nõrgalt hajuvat objekti on sageli mugavam vaadata tumeda välja režiimis. Lõplik suurendatud elektrooniline pilt muudetakse nähtavaks pildiks fluorestseeruva ekraani abil, mis helendab elektronide pommitamise all. Seda pilti, tavaliselt madala kontrastsusega, vaadatakse tavaliselt läbi binokulaarse valgusmikroskoobi. Sama heledusega võib selline 10-kordse suurendusega mikroskoop luua võrkkestale pildi, mis on 10 korda suurem kui palja silmaga vaadeldes. Mõnikord kasutatakse nõrga pildi heleduse suurendamiseks elektron-optilise muunduriga luminofoorekraani. Sel juhul saab lõplikku pilti kuvada tavalisel teleriekraanil, mis võimaldab selle videolindile salvestada. Videosalvestust kasutatakse piltide salvestamiseks, mis ajas muutuvad näiteks keemilise reaktsiooni toimumise tõttu. Kõige sagedamini salvestatakse lõplik pilt fotofilmile või fotoplaadile. Fotoplaat annab tavaliselt selgema pildi kui see, mida vaadeldakse palja silmaga või salvestatakse videolindile, kuna fotomaterjalid salvestavad üldiselt elektrone tõhusamalt. Lisaks saab fotofilmi pindalaühiku kohta salvestada 100 korda rohkem signaale kui videolindi pindalaühiku kohta. Tänu sellele saab fotofilmile salvestatud pilti veelgi suurendada umbes 10 korda ilma selgust kaotamata.
Luba. Elektronkiirte omadused on sarnased valguskiirte omadega. Eelkõige iseloomustab iga elektroni konkreetne lainepikkus. EM-i eraldusvõime määrab elektronide efektiivne lainepikkus. Lainepikkus oleneb elektronide kiirusest ja seega ka kiirenduspingest; Mida suurem on kiirenduspinge, seda suurem on elektronide kiirus ja lühem lainepikkus, mis tähendab, et eraldusvõime on suurem. EM-i selline oluline eelis eraldusvõimes on seletatav asjaoluga, et elektronide lainepikkus on palju lühem kui valguse lainepikkus. Aga kuna elektronläätsed ei teravusta nii hästi kui optilised läätsed (hea elektronläätse numbriline ava on vaid 0,09, hea optilise läätse puhul ulatub see väärtus aga 0,95-ni), võrdub EM-i eraldusvõime 50-100 elektroni lainepikkusega. Isegi nii nõrkade läätsede puhul võib elektronmikroskoobiga saavutada eraldusvõime piiri ca. 0,17 nm, mis võimaldab kristallides eristada üksikuid aatomeid. Sellise eraldusvõime saavutamiseks on vaja instrumendi väga hoolikat reguleerimist; Eelkõige on vaja väga stabiilseid toiteallikaid ning seade ise (mis võib olla ligikaudu 2,5 m kõrge ja kaaluda mitu tonni) ja selle lisaseadmed vajavad vibratsioonivaba paigaldust.
RASTER ELEKTRONMIKROSKOOP
SEM, millest on saanud teadusuuringute oluline vahend, täiendab hästi OPEM-i. SEM-id kasutavad elektronläätsi, et fokusseerida elektronkiire väga väikesesse kohta. SEM-i on võimalik reguleerida nii, et laigu läbimõõt selles ei ületaks 0,2 nm, kuid reeglina on see paar või kümneid nanomeetreid. See koht jookseb pidevalt ümber proovi teatud ala, sarnaselt teleri toru ekraanil jooksva kiirega. Objekti kiirelektronidega pommitamisel tekkivat elektrilist signaali kasutatakse televisiooni kineskoobi või elektronkiiretoru (CRT) ekraanile kujutise moodustamiseks, mille skaneerimine on sünkroniseeritud elektronkiire kõrvalekaldesüsteemiga (joonis 3). . Suurendada sisse sel juhul mõiste all mõistetakse ekraanil oleva kujutise suuruse ja näidise kiirega kaetud ala suurust. See kasv jääb 10 ja 10 miljoni vahele.
Fokuseeritud kiirte elektronide interaktsioon proovi aatomitega võib viia mitte ainult nende hajumiseni, mida kasutatakse OPEM-is piltide saamiseks, vaid ka röntgenikiirte ergastamise, nähtava valguse emissiooni ja emissioonini. sekundaarsetest elektronidest. Lisaks, kuna SEM-il on proovi ees ainult teravustamisläätsed, võimaldab see uurida "pakse" proove.
Peegeldav SEM. Reflective SEM on mõeldud massiivsete proovide uurimiseks. Kuna salvestamisel tekkiv kontrast peegeldus, s.o. tagasihajutatud ja sekundaarsed elektronid on peamiselt seotud elektronide langemisnurgaga proovile, pinna struktuur avaldub pildil. (Tagasihajumise intensiivsus ja selle toimumise sügavus sõltuvad langeva kiire elektronide energiast. Sekundaarsete elektronide emissiooni määrab peamiselt pinna koostis ja näidise elektrijuhtivus.) Need mõlemad. signaalid kannavad teavet üldised omadused näidis. Tänu elektronkiire vähesele konvergentsile on võimalik teostada vaatlusi palju suurema teravussügavusega kui valgusmikroskoobiga töötades ning saada suurepäraseid mahumikrograafe väga arenenud reljeefiga pindadest. Registreerides proovi kiirgavat röntgenkiirgust, on lisaks reljeefi andmetele võimalik saada teavet proovi keemilise koostise kohta pinnakihis, mille sügavus on 0,001 mm ELEKTRONMIKROSKOOP. Materjali koostist pinnal saab hinnata ka mõõdetud energia järgi, millega teatud elektronid emiteeritakse. Kõik SEM-iga töötamise raskused tulenevad peamiselt selle salvestus- ja elektroonilistest visualiseerimissüsteemidest. Täieliku detektorite valikuga seade koos kõigi SEM-funktsioonidega tagab elektronsondi mikroanalüsaatori töörežiimi.
Skaneeriv ülekandeelektronmikroskoop. Skaneeriv ülekandeelektronmikroskoop (RTEM) on SEM-i eritüüp. See on mõeldud õhukeste proovide jaoks, mis on samad, mida uuriti OPEM-is. RPEM-diagramm erineb joonisel fig. 3 ainult selles osas, et sellel ei ole proovi kohal asuvaid detektoreid. Kuna kujutise moodustab rändkiir (mitte kogu uuritavat prooviala valgustav kiir), on vaja kõrge intensiivsusega elektroniallikat, et pilt saaks mõistliku aja jooksul salvestatud. Kõrge eraldusvõimega RTEM-id kasutavad suure heledusega väljasaatjaid. Sellises elektronallikas tekib söövitamise teel teritatud väga väikese läbimõõduga volframtraadi pinna lähedale väga tugev elektriväli (ca V/cm). See väli tõmbab sõna otseses mõttes ilma kuumuseta juhtmest välja miljardeid elektrone. Sellise allika heledus on ligi 10 000 korda suurem kui kuumutatud volframtraadist allikas (vt eespool) ja selle poolt kiiratavad elektronid saab fokuseerida alla 1 nm läbimõõduga kiireks. On saadud isegi 0,2 nm lähedase läbimõõduga kiiri. Välielektroonilised allikad saavad töötada ainult ülikõrge vaakumi tingimustes (rõhul alla Pa), kus saasteained, nagu süsivesinike aurud ja vesi, puuduvad täielikult ning on võimalik saada pilte kõrgresolutsiooniga. Tänu sellistele ülipuhastele tingimustele on tavapäraste vaakumsüsteemidega võimalik uurida protsesse ja nähtusi, mis on EM-le kättesaamatud. RPEM uuringud viiakse läbi üliõhukeste proovidega. Elektronid läbivad selliseid proove peaaegu ilma hajumiseta. Üle paarikraadise nurga all hajutatud elektronid registreeritakse ilma aeglustumata, kui nad tabavad proovi all asuvat rõngaselektroodi (joonis 3). Sellelt elektroodilt korjatud signaal sõltub suuresti aatomite aatomite arvust piirkonnas, mida elektronid läbivad – raskemad aatomid hajutavad detektori suunas rohkem elektrone kui kergemad aatomid. Kui elektronkiir on fokusseeritud punkti, mille läbimõõt on väiksem kui 0,5 nm, saab üksikuid aatomeid pildistada. Tegelikult on RTEM-is saadud pildil võimalik eristada üksikuid aatomeid raua aatommassiga (st 26 või rohkem). Rõngasdetektori auku lähevad elektronid, mis ei ole proovis hajumist läbinud, samuti elektronid, mis on prooviga interaktsiooni tulemusena aeglustunud. Selle detektori all asuv energiaanalüsaator võimaldab esimest eraldada teisest. Mõõtes elektronide hajumise käigus kaotatud energiat, saab proovi kohta olulist teavet. Röntgenkiirguse ergastusega või proovist sekundaarsete elektronide väljalöögiga seotud energiakaod võimaldavad hinnata keemilised omadused ained piirkonnas, mida elektronkiir läbib.
RASTERTUNNELIMIKROSKOOP
Eespool käsitletud EM-id kasutavad elektronide fokuseerimiseks magnetläätsi. See jaotis on pühendatud objektiivideta EM-ile. Kuid enne skaneeriva tunnelmikroskoobi (RTM) juurde liikumist on kasulik põgusalt vaadata kahte vanemat tüüpi läätsedeta mikroskoopi, mis toodavad projitseeritud varjupilti.
Auto-elektroonilised ja auto-ion projektorid. RPEM-is kasutatud väljaelektroonilist allikat on varjuprojektorites kasutatud alates 1950. aastate algusest. Väljaemissiooniprojektoris kiirendatakse väga väikese läbimõõduga otsast välja emissiooniga kiiratavad elektronid otsast mõne sentimeetri kaugusel asuva fluorestsentsekraani suunas. Selle tulemusel ilmub ekraanile projitseeritud kujutis otsa pinnast ja sellel pinnal paiknevatest osakestest suurenemisega, mis võrdub ekraani raadiuse ja otsa raadiuse suhtega (järjestus). Suurem eraldusvõime saavutatakse väljaioonprojektoris, milles kujutis projitseeritakse heeliumioonide (või mõne muu elemendi) abil, mille efektiivne lainepikkus on elektronide omast lühem. See tekitab pilte, mis näitavad aatomite tegelikku paigutust otsamaterjali kristallvõres. Seetõttu kasutatakse väljaioonprojektoreid eelkõige selleks, et uurida kristallstruktuuri ja selle defekte materjalides, millest selliseid otsikuid saab valmistada.
Skaneeriv tunnelmikroskoop (RTM). See mikroskoop kasutab elektronide saamiseks ka väikese läbimõõduga metallist otsikut. Otsa ja proovipinna vahelises pilus tekib elektriväli. Välja poolt tipust tõmmatud elektronide arv ajaühikus (tunnelivool) sõltub tipu ja proovi pinna vahelisest kaugusest (praktikas on see kaugus väiksem kui 1 nm). Kui ots liigub piki pinda, siis vool moduleeritakse. See võimaldab teil saada proovi pinna topograafiaga seotud kujutise. Kui ots lõpeb ühe aatomiga, saab pinnast kujutise moodustada aatomite kaupa läbides. RTM saab töötada ainult tingimusel, et kaugus tipust pinnani on konstantne ja otsa saab liigutada täpselt aatommõõtmeteni. Vibratsioon on summutatud tänu jäigale konstruktsioonile ja mikroskoobi väikesele suurusele (mitte suurem kui rusikas), samuti mitmekihiliste kummist amortisaatorite kasutamisele. Kõrge täpsuse tagavad piesoelektrilised materjalid, mis pikenevad ja tõmbuvad kokku välismõjul elektriväli. Rakendades pinget suurusjärgus 10-5 V, on võimalik selliste materjalide mõõtmeid muuta 0,1 nm või vähem. See võimaldab, kinnitades otsa piesoelektrilisest materjalist elemendi külge, liigutada seda kolmes üksteisega risti asetsevas suunas aatomi suurusjärgu täpsusega.
ELEKTRONIMIKROSKOOPIA TEHNIKA
Vaevalt on bioloogia ja materjaliteaduse valdkonnas ühtegi uurimisvaldkonda, kus ei kasutataks tr(TEM); see on tagatud proovide ettevalmistamise tehnikate edusammudega. Kõik elektronmikroskoopias kasutatavad tehnikad on suunatud üliõhukese proovi saamisele ja maksimaalse kontrasti pakkumisele selle ja substraadi vahel, mida see toena vajab. Põhitehnika on mõeldud proovidele paksusega 2-200 nm, mis on toestatud õhukeste plast- või süsinikkiledega, mis asetatakse võrele, mille võrgusilma suurus on u. 0,05 mm. ( Sobiv näidis, olenemata sellest, kuidas see saadakse, töödeldakse nii, et elektronide hajumise intensiivsus uuritaval objektil suureneks.) Kui kontrast on piisavalt suur, suudab vaatleja silm pingevabalt eristada detaile, mis asuvad 0,1 kaugusel. -0,2 mm üksteisest. Järelikult, et elektronmikroskoobiga loodud kujutisel oleksid proovil 1 nm kaugusel eraldatud detailid eristatavad, on vajalik summaarne suurendus suurusjärgus 100-200 tuhat. Parimad mikroskoobid suudavad luua kujutise proov fotoplaadil sellise suurendusega, kuid samas Kuvatav ala on liiga väike. Tavaliselt tehakse mikrofoto väiksema suurendusega ja seejärel suurendatakse seda fotograafiliselt. Fotoplaat eraldub ca 10 cm pikkuselt. 10 000 rida. Kui proovi iga joon vastab teatud struktuurile pikkusega 0,5 nm, siis sellise struktuuri registreerimiseks on vaja vähemalt 20 000 suurendust, kusjuures SEM ja RPEM abil, millesse pilt salvestatakse elektrooniline süsteem ja rullub lahti teleriekraanil, saab lahendada ainult u. 1000 rida. Seega on televiisori monitori kasutamisel minimaalne nõutav suurendus ligikaudu 10 korda suurem kui pildistamisel.
Bioloogilised ravimid. Elektronmikroskoopiat kasutatakse laialdaselt bioloogilistes ja meditsiinilistes uuringutes. Välja on töötatud meetodid fikseerimiseks, kinnistamiseks ja õhukeste koelõikude saamiseks uurimiseks OPEM-is ja RPEM-is ning fikseerimistehnikad mahuproovide uurimiseks SEM-is. Need tehnikad võimaldavad uurida rakukorraldust makromolekulaarsel tasemel. Elektronmikroskoopiaga selgusid raku komponendid ja raku moodustavate membraanide, mitokondrite, endoplasmaatilise retikulumi, ribosoomide ja paljude teiste organellide struktuursed detailid. Proov fikseeritakse esmalt glutaaraldehüüdi või muude fiksaatoritega ning seejärel dehüdreeritakse ja asetatakse plastikusse. Krüofiksatsioonimeetodid (kinnitus väga madalatel – krüogeensetel – temperatuuridel) võimaldavad säilitada struktuuri ja koostist ilma keemilisi fikseerivaid aineid kasutamata. Lisaks võimaldavad krüogeensed meetodid külmutatud bioloogiliste proovide pildistamist ilma dehüdratsioonita. Poleeritud teemandist või purustatud klaasist labadega ultramikrotoomide abil saab valmistada 30-40 nm paksuseid koelõike. Kinnitatud histoloogilisi preparaate saab värvida raskmetallide ühenditega (plii, osmium, kuld, volfram, uraan), et suurendada üksikute komponentide või struktuuride kontrastsust.
Bioloogilised uuringud on laienenud mikroorganismidele, eriti viirustele, mida valgusmikroskoobiga ei lahendata. TEM võimaldas paljastada näiteks bakteriofaagide struktuurid ja subühikute paiknemise viiruste valgukestas. Lisaks suutsid positiivsed ja negatiivsed värvimismeetodid paljastada struktuuri koos subühikutega paljudes muudes olulistes bioloogilistes mikrostruktuurides. Nukleiinhapete kontrasti suurendamise tehnikad on võimaldanud jälgida ühe- ja kaheahelalist DNA-d. Need pikad lineaarsed molekulid jaotatakse aluselise valgu kihiks ja kantakse õhukesele kilele. Seejärel aurustatakse proovile väga õhuke kiht raskemetalli. See raskmetallikiht "varjutab" proovi, mille tõttu viimane näib OPEM-is või RPEM-is vaadeldes justkui valgustatud küljelt, kust metall sadestati. Kui proovi sadestamise ajal pöörata, koguneb metall osakeste ümber igast küljest ühtlaselt (nagu lumepall).
Mittebioloogilised materjalid. TEM-i kasutatakse materjaliuuringutes õhukeste kristallide ja nendevaheliste piiride uurimiseks erinevad materjalid. Liidese kõrge eraldusvõimega kujutise saamiseks täidetakse proov plastikuga, proov lõigatakse liidesega risti ja seejärel lahjendatakse nii, et liides oleks teravast servast nähtav. Kristallvõre hajutab elektrone tugevalt teatud suundades, tekitades difraktsioonimustri. Kristallilise proovi kujutise määrab suuresti see muster; kontrastsus sõltub suuresti kristallvõre orientatsioonist, paksusest ja täiuslikkusest. Kontrastsuse muutused pildil võimaldavad kristallvõre ja selle ebatäiuslikkust uurida aatomiskaalal. Sel juhul saadud teave täiendab puisteproovide röntgenanalüüsiga saadud teavet, kuna EM võimaldab kõigis üksikasjades vahetult näha nihkeid, virnastamisvigu ja terade piire. Lisaks saab EM-i abil võtta elektronide difraktsioonimustreid ja vaadelda difraktsioonimustreid proovi valitud piirkondadest. Kui läätse ava reguleerida nii, et seda läbib ainult üks hajutatud ja hajutamata keskkiir, siis on võimalik saada kujutis teatud kristallitasandite süsteemist, mis seda hajutatud kiirt tekitab. Kaasaegsed instrumendid võimaldavad eraldada 0,1 nm võreperioode. Kristalle saab uurida ka tumevälja kujutise abil, mille puhul keskkiir blokeeritakse nii, et kujutis moodustub ühest või mitmest hajutatud kiirest. Kõik need meetodid on andnud olulist teavet paljude materjalide struktuuri kohta ning oluliselt selgitanud kristallide füüsikat ja nende omadusi. Näiteks õhukeste väikese suurusega kvaasikristallide kristallvõre TEM-piltide analüüs koos nende elektronide difraktsioonimustrite analüüsiga võimaldas 1985. aastal avastada viiendat järku sümmeetriaga materjale.
Kõrgepinge mikroskoopia. Praegu toodab tööstus OPEM-i ja RPEM-i kõrgepingeversioone, mille kiirenduspinge on 300–400 kV. Sellistel mikroskoopidel on suurem läbitungimisvõime kui madalpingeseadmetel ja need on selles osas peaaegu sama head kui varem ehitatud 1 miljoni volti mikroskoobid. Kaasaegsed kõrgepingemikroskoobid on üsna kompaktsed ja neid saab paigaldada tavalisse laboriruumi. Nende suurenenud läbitungimisvõime osutub väga väärtuslikuks omaduseks paksemate kristallide defektide uurimisel, eriti nendes, millest pole võimalik õhukesi proove valmistada. Bioloogias võimaldab nende kõrge läbitungimisvõime uurida terveid rakke ilma neid lõikamata. Lisaks on selliste mikroskoopide abil võimalik saada paksude objektide kolmemõõtmelisi pilte.
Madalpinge mikroskoopia. Saadaval on ka vaid mõnesajavoldise kiirenduspingega SEM-id. Isegi nii madalatel pingetel on elektronide lainepikkus alla 0,1 nm, seega on siin ruumiline eraldusvõime piiratud ka magnetläätsede aberratsioonidega. Kuna aga nii madala energiaga elektronid tungivad proovi pinnast madalalt alla, pärinevad peaaegu kõik kujutise moodustamisel osalevad elektronid pinnale väga lähedal asuvast piirkonnast, suurendades seeläbi pinnareljeefi eraldusvõimet. Madalpinge SEM-ide abil on saadud kujutised alla 1 nm objektide tahketel pindadel.
Kiirguskahjustus. Kuna elektronid on ioniseeriv kiirgus, puutub EM-is olev proov sellega pidevalt kokku. (See kokkupuude tekitab SEM-is kasutatavaid sekundaarseid elektrone.) Järelikult on proovid alati kiirguskahjustuste all. Tüüpiline õhukese proovi neeldunud kiirgusdoos mikrofoto salvestamisel OPEM-is vastab ligikaudu energiale, mis oleks piisav külma vee täielikuks aurustamiseks 4 m sügavusest 1 hektari suurusest tiigist. Proovi kiirguskahjustuste vähendamiseks on vaja kasutada erinevaid meetodeid selle valmistamine: värvimine, valamine, külmutamine. Lisaks on võimalik pilti salvestada 100-1000 korda väiksemate elektrondoosidega kui standardtehnikat kasutades ning seejärel arvutipilditöötlusmeetodite abil seda täiustada.
AJALOOLINE VIIDE
Elektronmikroskoobi loomise ajalugu on suurepärane näide sellest, kuidas iseseisvalt arenevad teadus- ja tehnikavaldkonnad saavad saadud infot vahetades ja jõude ühendades luua uue võimsa tööriista teadusuuringuteks. Klassikalise füüsika tipp oli elektromagnetvälja teooria, mis seletas valguse levimist, elektri- ja magnetvälja tekkimist ning laetud osakeste liikumist neis väljades elektromagnetlainete levimisena. Laineoptika tegi selgeks difraktsiooni fenomeni, kujutise moodustumise mehhanismi ja valgusmikroskoobis eraldusvõimet määravate tegurite mängu. Me võlgneme edusammude teoreetilise ja eksperimentaalse füüsika vallas tänu elektronide avastamisele koos selle spetsiifiliste omadustega. Need eraldiseisvad ja näiliselt iseseisvad arenguteed viisid elektronoptika alusteni, mille üheks olulisemaks rakenduseks oli EM-i leiutamine 1930. aastatel. Otseseks vihjeks sellele võimalusele võib pidada 1924. aastal Louis de Broglie poolt püstitatud hüpoteesi elektroni lainelise olemuse kohta ning 1927. aastal eksperimentaalselt kinnitanud K. Davisson ja L. Germer USA-s ning J. Thomson Inglismaal. See viitas analoogiale, mis võimaldas konstrueerida EM-i laineoptika seaduste järgi. H. Bush avastas, et elektri- ja magnetvälja kasutades on võimalik moodustada elektroonilisi kujutisi. 20. sajandi kahel esimesel kümnendil. loodi ka vajalikud tehnilised eeldused. Elektronkiire ostsilloskoobi kallal töötavad tööstuslaborid tootsid vaakumtehnoloogiat, stabiilseid kõrgepinge- ja vooluallikaid ning häid elektronemittereid. 1931. aastal esitas R. Rudenberg patenditaotluse trning 1932. aastal ehitasid M. Knoll ja E. Ruska esimese sellise mikroskoobi, kasutades elektronide fokusseerimiseks magnetläätsi. See seade oli kaasaegse OPEM-i eelkäija. (Ruska pälvis pingutuste eest 1986. aasta Nobeli füüsikaauhinna.) 1938. aastal ehitasid Ruska ja B. von Borries Saksamaal Siemens-Halske jaoks tööstusliku OPEM-i prototüübi; see instrument võimaldas lõpuks saavutada eraldusvõime 100 nm. Mõni aasta hiljem ehitasid A. Prebus ja J. Hiller Toronto ülikoolis (Kanada) esimese kõrglahutusega OPEM-i. OPEM-i avarad võimalused said peaaegu kohe ilmseks. Selle tööstuslikku tootmist alustasid üheaegselt Siemens-Halske Saksamaal ja RCA Corporation USA-s. 1940. aastate lõpus hakkasid selliseid seadmeid tootma ka teised ettevõtted. SEM-i oma praegusel kujul leiutas 1952. aastal Charles Otley. Tõsi, sellise seadme esialgsed versioonid ehitas 1930. aastatel Saksamaal Knoll ja 1940. aastatel Zworykin ja tema kolleegid RCA Corporationist, kuid ainult Otley seade sai olla aluseks mitmetele tehnilistele täiustustele, mis kulmineerusid. SEM-i tööstusliku versiooni kasutuselevõtul tootmisse 1960. aastate keskel. Sellise üsna lihtsalt kasutatava kolmemõõtmelise pildi ja elektroonilise väljundsignaaliga seadme tarbijate ring on hüppeliselt laienenud. Praegu tegutseb kolmel kontinendil kümmekond SEM-i tööstuslikku tootjat ja üle maailma laborites kasutusel kümneid tuhandeid selliseid seadmeid.1960. aastatel töötati välja ülikõrgepingemikroskoobid paksemate proovide uurimiseks.Selle suuna juht arendus oli G. Dupuy Prantsusmaal, kus 1970. aastal pandi tööle 3,5 miljoni voldise kiirenduspingega seade. RTM-i leiutasid G. Binnig ja G. Rohrer 1979. aastal Zürichis. See väga lihtne seade annab aatomi eraldusvõime oma töö eest RTM-i loomise eest said Binnig ja Rohrer (Ruskaga samal ajal) Nobeli füüsikaauhinna.
Vaata ka
KRISTALLID JA KRISTALLOGRAAFIA;
MOLEKULI STRUKTUUR;
NUKLEIINHAPPED ;
TAHKEOSKE FÜÜSIKA;
VIIRUSED.
KIRJANDUS
Poljankevitš A.N. Elektronmikroskoobid. Kiiev, 1976 Spence J. Eksperimentaalne kõrge eraldusvõimega ioonmikroskoopia. M., 1986
Collieri entsüklopeedia. - Avatud ühiskond. 2000 .
aparaat objektide mitmekordistamiseks (kuni 10 6 korda) suurendatud kujutiste vaatlemiseks ja pildistamiseks, milles kasutatakse valguskiirte asemel sügavvaakumi tingimustes suure energiani (30-100 keV või enam) kiirendatud kiiri. Korpuskulaarkiirega optiliste instrumentide füüsilised alused pani 1834. aastal (peaaegu sada aastat enne elektronmikroskoobi tulekut) paika U. R., kes tuvastas analoogiad valguskiirte vahel optiliselt ebahomogeenses keskkonnas ja osakeste trajektooride vahel jõuväljades. Elektronmikroskoobi loomise otstarbekus ilmnes pärast selle edasiarendamist 1924. aastal ning selle tehnilised eeldused lõi saksa füüsik H. Busch, kes uuris teljesümmeetriliste väljade fokuseerimist ja töötas välja magnetilise elektronläätse (1926). 1928. aastal hakkasid Saksa teadlased M. Knoll ja E. Ruska looma esimest magnetülekandega elektronmikroskoobi (TEM) ja said kolm aastat hiljem pildi kiirtest moodustatud objektist. Järgnevatel aastatel (M. von Ardenne, 1938; V. K., 1942) ehitati esimesed rasterelektronmikroskoobid (SEM), mis töötasid skaneerimise (pühkimise) põhimõttel, st õhukese elektronkiire järjestikusel liikumisel punktist punkti ( sond) objekti järgi. 1960. aastate keskpaigaks. SEM-id saavutasid kõrge tehnilise täiuslikkuse ja sellest ajast alates hakati neid kasutama teadusuuringutes. TEM-idel on kõrgeim (PC), ületades selle parameetri valgusmikroskoope mitu tuhat korda. T.n. Eraldusvõime piirang, mis iseloomustab seadet objekti väikseimate võimalike detailide eraldi kuvamiseks, on TEM-i puhul 2-3. Soodsates tingimustes saab üksikuid raskeid aatomeid pildistada. Perioodiliste struktuuride, näiteks aatomikristallvõre pildistamisel on võimalik saavutada lahutusvõime alla 1 . Sellised kõrged eraldusvõimed saavutatakse tänu äärmiselt lühikesele pikkusele (vt.). Optimaalne ava [vt. elektronide (ja ioonide) optikas] saab taandada (mõjutades PC Electron mikroskoopi) piisavalt väikese difraktsiooniveaga. Tõhusad meetodid elektronmikroskoobis korrektsiooni ei leitud (vt.). Seetõttu on TEM-ides väiksemate väärtustega magnetilised (EL) täielikult asendanud elektrostaatilise EL-i. PEM-e toodetakse erinevatel eesmärkidel. Neid saab jagada 3 rühma: kõrge eraldusvõimega elektronmikroskoop, lihtsustatud TEM ja suure kiirendusega elektronmikroskoop.
Kõrge eraldusvõimega TEM(2-3 Å) - sarnased, mitmeotstarbelised seadmed. Lisaseadmete ja -kinnituste abil saab objekti optilise telje suhtes erinevate suurte nurkade all kallutada, soojendada, jahutada, deformeerida, teostada uurimismeetodeid jne Kiirendavad elektronid ulatuvad 100-125 kV-ni, on astmeliselt reguleeritav ja on väga stabiilne: 1-3 minuti jooksul muutub see algsest mitte rohkem kui 1-2 ppm. Kirjeldatud tüüpi tüüpilise TEM-i pilt on näidatud riis. 1. Selle optilises süsteemis (kolonnis) luuakse vaakum spetsiaalse vaakumsüsteemi abil (kuni 10 -6 mm Hg). TEM-i optilise süsteemi skeem on näidatud riis. 2. Kiir, mis toimib kuumutatud katoodina (moodustatakse esimeses ja teises kondensaatoris ning seejärel fokusseeritakse kaks korda, tekitades objektile väikese elektroonilise “täpi” (punkti reguleerimisel võib see varieeruda 1 kuni 20 mikronit) . Seejärel hajub osa läbi objekti ja lükkab diafragma edasi.Hajutamata elektronid läbivad ava ja fokusseeritakse objekti vaheläätsesse Siin tekib esimene suurendatud kujutis.Järgmised läätsed loovad teise, kolmanda jne kujutised . Viimane projektsioonlääts moodustab fluorestseeruval ekraanil kujutise, mis elektronide mõjul helendab Suurendus Elektronmikroskoop, mis võrdub kõigi läätsede suurendusega Elektronide hajumise aste ja iseloom ei ole objekti erinevates punktides ühesugused. kuna objekti paksus ja keemiline koostis muutub punktist punkti. Sellest lähtuvalt muutub ava diafragma poolt kinnipeetud elektronide arv pärast objekti erinevate punktide läbimist ja seega ka voolutihedus pildil, mis muundub ekraan. Ekraani all on fotoplaatidega ajakiri. Pildistamisel eemaldatakse ekraan ja elektronid mõjutavad emulsioonikihti. Pilt teravustab objektiivi erutava voolu sujuva muutusega. Teiste läätsede voolusid reguleeritakse elektronmikroskoobi suurenduse muutmiseks
Riis. 3. Ülikõrgepinge elektronmikroskoop (UHEM): 1 - paak, millesse pumbatakse elektriisolatsioonigaas (SF6 gaas) rõhuni 3-5 atm; 2 - elektronpüstol; 3 - kiirendustoru; 4 - kõrgepingeallika kondensaatorid; 5 - kondensaatori läätsede plokk; 6 - objektiiv; 7, 8, 9 - projektsiooniläätsed; 10 - valgusmikroskoop; 11 - juhtpaneel.
Skaneeriv elektronmikroskoop (SEM) hõõglambiga katoodiga on mõeldud massiivsete objektide uurimiseks eraldusvõimega 70 kuni 200 Å. SEM-i kiirendit saab reguleerida vahemikus 1 kuni 30-50 kV.
Skaneeriva elektronmikroskoobi seade on näidatud joonisel riis. 4. Kasutades 2 või 3 EL-i, fokusseeritakse proovile kitsas elektronsond. Magnetilised deflektorid suunavad sondi objekti teatud alale. Kui sond suhtleb objektiga, tekib mitut tüüpi ( riis. 5) - sekundaarsed ja peegeldunud elektronid; objekti läbivad elektronid (kui see on õhuke); röntgen ja iseloomulik; kiirgus jne.
Riis. 5. SEM-i saadud objekti kohta teabe salvestamise skeem. 1 - primaarne elektronkiir; 2 - sekundaarne elektrondetektor; 3 - röntgenikiirguse detektor; 4 - peegeldunud elektronide detektor; 5 - valguskiirguse detektor; 6 - edastatud elektronide detektor; 7 - seade objektile indutseeritud elektripotentsiaali mõõtmiseks; 8 - seade objekti läbivate elektronide voolu mõõtmiseks; 9 - seade objektis neeldunud elektronide voolu mõõtmiseks.
Kõiki neid kiirgusi saab salvestada vastav kollektor, mis sisaldab andurit, mis muundub elektrikiirguseks, mis pärast võimendamist suunatakse (CRT) ja moduleerib selle kiirt. CRT-kiire skaneerimine toimub elektronsondi skaneerimisega SEM-is ja CRT-ekraanil vaadeldakse objekti suurendatud kujutist. Suurendus on võrdne kineskoopekraanil oleva kaadri kõrguse ja skannitava objekti laiuse suhtega. Pilt pildistatakse otse kineskoopekraanilt. SEM-i peamiseks eeliseks on seadme kõrge infosisaldus, mis on tingitud võimalusest jälgida pilti erinevate andurite abil. SEM-i abil on võimalik õppida, keemiline koostis objekti, p-n-siirde, tootmise ja palju muu järgi. Tavaliselt uuritakse proovi ilma eelneva ettevalmistuseta. SEM-i kasutatakse ka tehnoloogilised protsessid (kiibi defektid jne). High for SEM PC realiseeritakse piltide moodustamisel sekundaarset kasutades. Selle määrab selle tsooni läbimõõt, millest need elektronid välja kiirguvad. Tsooni suurus sõltub omakorda sondi läbimõõdust, objekti omadustest, primaarkiire elektronidest jne. Primaarelektronide suurel läbitungimissügavusel suurendavad igas suunas arenevad sekundaarsed protsessid läbimõõtu tsooni ja arvuti väärtus väheneb. Sekundaarne elektrondetektor koosneb fotokordistist ja elektron-footonmuundurist, mille põhielement on kaks - positiivse potentsiaaliga (kuni mitusada V) võrgu kujul olev ekstraktor ja kiirendi; viimane varustab kinnipüütud sekundaarseid elektrone jaoks vajaliku energiaga. Kiirenduselektroodile rakendatakse umbes 10 kV; Tavaliselt koosneb see stsintillaatoril olevast alumiiniumkattest. Stsintillaatorisähvatuste arv on võrdeline objekti antud punktis kiirgavate sekundaarsete välkude arvuga. Pärast võimendamist moduleeritakse PMT ja signaal CRT-kiirega. Signaali suurus sõltub proovist, lokaalsete elektri- ja magnetmikroväljade olemasolust, väärtusest, mis omakorda sõltub proovi keemilisest koostisest antud punktis. Peegeldunud elektronid salvestatakse pooljuhtseadise (räni) abil. Pildi kontrastsus on tingitud sõltuvusest primaarkiire langemisnurgast ja aatomarvust. "Peegeldunud elektronides" saadud kujutise eraldusvõime on madalam kui sekundaarsete elektronidega (mõnikord suurusjärgu võrra). Elektronide kollektorile lennu sirguse tõttu läheb kaotsi info üksikute piirkondade kohta, kust kollektorile otsene tee puudub (tekivad varjud). Karakteristiku tuvastab kas röntgenkristalliline või energiat hajutav andur – pooljuhtdetektor (tavaliselt valmistatud puhtast, liitiumiga legeeritud ränist). Esimesel juhul registreeritakse röntgenkvandid pärast spektromeetri kristallilt peegeldumist gaasispektromeetriga ja teisel juhul võimendatakse pooljuhist võetud signaali madala müratasemega (mida jahutatakse vedel lämmastik müra vähendamiseks) ja sellele järgnev võimendussüsteem. Kristallilt tulev signaal moduleerib CRT-kiirt ja ekraanile ilmub pilt objektis olevast konkreetsest keemilisest elemendist. SEM-id toodavad ka kohalikke röntgenikiirgusid. Energiat hajutav detektor registreerib kõik elemendid Na-st U-ni kõrge tundlikkusega. Kristallispektromeeter, mis kasutab erinevate tasanditevaheliste (vt) katetega kristallide komplekti Be-st U-ni. SEM-i oluline puudus on teabe "eemaldamise" protsessi pikk kestus objektide uurimisel. Suhteliselt kõrge PC on võimalik saada piisavalt väikese läbimõõduga elektronsondi abil. Kuid samal ajal sond väheneb, mille tulemusena mõju suureneb järsult, vähendades kasuliku signaali ja müra suhet. Tagamaks, et signaali-müra suhe ei langeks alla etteantud taseme, on vaja skaneeringuid aeglustada, et koguneda objekti igasse punkti piisavalt suur hulk primaarset (ja vastavat sekundaarset). Selle tulemusena rakendatakse arvutit ainult madala skannimiskiirusega. Mõnikord moodustub üks kaader 10-15 minuti jooksul.
Riis. 6. Skemaatiline diagrammülekande skaneeriv elektronmikroskoop (STEM): 1 - väljaemissioonikatood; 2 - vahepealne anood; 3 - anood; 4 - läbipaindesüsteem tala reguleerimiseks; 5 - "illuminaatori" diafragma; 6, 8 - läbipaindesüsteemid elektroonilise sondi skaneerimiseks; 7 - magnetiline pika fookusega objektiiv; 9 - ava diafragma; 10 - magnetlääts; 11 - objekt; 12, 14 - läbipaindesüsteemid; 13 - hajutatud elektronide ringkollektor; 15 - hajutamata elektronide kollektor (spektromeetriga töötamisel eemaldatakse); 16 - magnetspektromeeter, milles elektronkiire pööratakse magnetvälja toimel 90°; 17 - läbipaindesüsteem erinevate energiakadudega elektronide valimiseks; 18 - spektromeetri pilu; 19 - koguja; SE - sekundaarsete elektronide voog hn - röntgenikiirgus.
SEM koos väliheitmepüstoliga omama kõrget arvutit SEM-i jaoks (kuni 30 Å). Väljaemissioonipüstolis (nagu) kasutatakse otsakujulist katoodi, mille ülaosas tekib tugev laine, mis rebib elektronid katoodist välja (vt.). Väljaemissioonikatoodiga püstoli elektronide heledus on 10 3 -10 4 korda kõrgem kui kuumkatoodiga relval. Vastavalt sellele suureneb elektronsondi vool. Seetõttu tehakse väliemissioonipüstoliga SEM-is kiired skaneeringud ja sondi vähendatakse arvuti suurendamiseks. Väljaemissioonikatood töötab aga stabiilselt ainult ülikõrges vaakumis (10 -9 -10 -11 mmHg) ja see raskendab selliste SEM-ide projekteerimist ja nendel töötamist.
Transmissiooni skaneeriv elektronmikroskoop (STEM) on sama kõrge arvutiga kui PEM. Need seadmed kasutavad väljaheiterelvi, pakkudes piisavalt kuni 2-3 Å läbimõõduga sondi. Peal riis. 6 Kuvatakse PREM-i skemaatiline esitus. Kaks vähendavad sondi läbimõõtu. Objekti all asuvad - keskne ja ring. Esimesele langevad hajutamata elektronid ning pärast vastavate signaalide võimendamist nn. hele välja pilt. Hajunud elektronid kogutakse ringdetektorile, tekitades nn. tumeda välja kujutis. STEM-is on võimalik uurida paksemaid objekte kui TEM-is, kuna mitteelastselt hajutatud objektide arvu suurenemine paksusega ei mõjuta eraldusvõimet (objekti järel pole STEM-is optikat). Energia abil eraldatakse objekti läbivad elektronid elastselt ja mitteelastselt hajuvateks kiirteks. Iga kiir tabab oma detektorit ja vastavat kujutist, mis sisaldab Lisainformatsioon laialivalguva objekti kohta. Kõrge eraldusvõime STEM-is saavutatakse aeglase skaneerimisega, kuna ainult 2–3 Å läbimõõduga sondis on vool liiga väike.
Segatüüpi elektronmikroskoop. Kujutise moodustamise põhimõtete kombineerimine ühes seadmes statsionaarse kiirega (nagu TEM-is) ja õhukese sondi skaneerimine objekti kohal võimaldas realiseerida TEM-i, SEM-i ja STEM-i eeliseid sellises elektronmikroskoobis. Praegu pakuvad kõik TEM-id objektide vaatlemise võimalust rasterrežiimis (kasutades kondensaatorläätsi ja luues vähendatud kujutise, mida läbipaindesüsteemid üle objekti skannivad). Lisaks statsionaarse kiirte poolt moodustatud kujutisele saadakse CRT-ekraanidel rasterkujutisi, kasutades edastatavaid ja sekundaarseid elektrone, iseloomulikke kujutisi jne. Sellise TEM-i optiline süsteem, mis asub objekti järel, võimaldab töötada režiimides, mis ei ole muudes seadmetes teostatavad. Näiteks saate samaaegselt jälgida CRT-ekraanil ja sama objekti pilti seadme ekraanil.
Emissioon E. m) luua kujutis objektist elektronides, mida objekt ise kiirgab kuumutamisel primaarkiire abil ja tugeva elektrivälja rakendamisel, mis tõmbab elektronid objektist välja. Nendel seadmetel on tavaliselt kitsas eesmärk.
Peegel-elektronmikroskoop peamiselt selleks, et visualiseerida objekti elektrostaatilist "potentsiaalset leevendust" ja magnetilisi mikrovälju. Seadme peamine optiline element on ja üks neist on objekt ise, mis on püstoli katoodi suhtes väikese negatiivse potentsiaali all. Elektronkiir suunatakse peeglisse ja peegeldub objekti vahetus läheduses asuvast väljast. Peegel moodustab ekraanil kujutise “peegeldunud kiirtes”. Objekti pinna lähedal asuvad mikroväljad jaotavad peegeldunud kiirte elektronid ümber, luues pildi, mis visualiseerib neid mikrovälju.
Arenguväljavaated Elektronmikroskoop Mitteperioodiliste objektide piltide arvu suurendamine 1 Å või suuremani võimaldab salvestada mitte ainult raskeid, vaid ka kergeid aatomeid ja visualiseerida neid aatomitasandil. Sarnase eraldusvõimega elektronmikroskoobi loomiseks suurendatakse kiirenduskiirust. Ser. Füüsiline", kd 34, 1970; Hawks P. ja trans. inglise keelest, M., 1974; Derkach V.P., Kiyashko G.F., Kukharchuk M.S., Elektronoprobe seadmed, K., 1974; Stoyanova I. G., Anaskin I. F., Trmeetodite füüsilised alused, M., 1972; Oatley S. W., Skaneeriv elektronmikroskoop, Camb., 1972; Grivet P., Electron optics, 2 väljaanne, Oxf., 1972.
Hakkame välja andma ettevõtja, valdkonna spetsialisti blogi infotehnoloogiad ja osalise tööajaga amatöördisainer Aleksei Bragin, kes räägib ebatavalisest kogemusest – juba aasta on blogi autor tegelenud keeruka teadusaparatuuri – skaneeriva elektronmikroskoobi – taastamisega praktiliselt kodus. Lugege, milliste inseneri-, tehniliste ja teaduslike väljakutsetega Aleksei silmitsi seisis ning kuidas ta nendega toime tuli.
Üks sõber helistas mulle ja ütles: leidsin huvitava asja, pean selle teile tooma, aga see kaalub pool tonni. Nii ilmus minu garaaži JEOL JSM-50A skaneeriva elektronmikroskoobi kolonn. See kanti ammu mõnest uurimisinstituudist maha ja viidi vanarauaks. Elektroonika läks kaduma, kuid elektron-optiline kolonn koos vaakumosaga päästeti.
Kuna põhiosa aparatuurist säilis, tekkis küsimus: kas on võimalik kogu mikroskoop päästa ehk taastada ja töökorda viia? töötingimused? Ja otse garaažis, oma kätega, kasutades ainult põhilisi inseneriteadmisi ja olemasolevaid tööriistu? Tõsi, ma polnud kunagi varem sellise teadusaparatuuriga tegelenud, rääkimata sellest, kuidas seda kasutada, ja polnud õrna aimugi, kuidas see töötab. Kuid huvitav pole mitte ainult vana riistvara töökorda seadmine - huvitav on kõik ise välja mõelda ja kontrollida, kas teadusliku meetodi abil on võimalik omandada täiesti uusi valdkondi. Niisiis hakkasin garaažis elektronmikroskoopi restaureerima.
Selles blogis räägin teile sellest, millega olen juba hakkama saanud ja mis on veel tegemata. Teel tutvustan teile elektronmikroskoopide ja nende põhikomponentide tööpõhimõtteid ning räägin ka paljudest tehnilistest takistustest, mis tuli teel ületada. Nii et alustame.
Minu valduses oleva mikroskoobi taastamiseks vähemalt olekusse "joonistame elektronkiirega fluorestsentsekraanile", oli vaja järgmist:
Alustame järjekorras. Täna räägin elektronmikroskoopide tööpõhimõtetest. Neid on kahte tüüpi:
Transmissioonelektronmikroskoop
TEM on väga sarnane tavapärase optilise mikroskoobiga, ainult uuritavat proovi kiiritatakse mitte valguse (footonite), vaid elektronidega. Elektronkiire lainepikkus on palju lühem kui footonkiire, seega on võimalik saada oluliselt suurem eraldusvõime.
Elektronkiirt fokusseeritakse ja juhitakse elektromagnetiliste või elektrostaatiliste läätsede abil. Neil on isegi samad moonutused (kromaatilised aberratsioonid) nagu optilistel läätsedel, kuigi füüsilise interaktsiooni olemus on täiesti erinev. Muide, see lisab ka uusi moonutusi (põhjustatud elektronide väändumisest läätses mööda elektronkiire telge, mida optilises mikroskoobis footonite puhul ei juhtu).
TEM-il on puudused: uuritavad proovid peavad olema väga õhukesed, õhemad kui 1 mikron, mis pole alati mugav, eriti kodus töötades. Näiteks selleks, et näha oma juukseid läbi valguse, tuleb need pikuti lõigata vähemalt 50 kihiks. See on tingitud asjaolust, et elektronkiire läbitungimisvõime on palju halvem kui footonkiirel. Lisaks on FEM-id, välja arvatud harvad erandid, üsna tülikad. See alloleval pildil olev seade ei tundu nii suur olevat (kuigi see on inimpikkusest kõrgem ja tugeva malmraamiga), kuid sellega on kaasas ka suure kapi suurune toiteplokk - kokku peaaegu on vaja tervet tuba.
Kuid TEM-il on kõrgeim eraldusvõime. Selle abil (kui kõvasti pingutada) näete aine üksikuid aatomeid.
Calgary ülikool
See lahendus võib olla eriti kasulik viirushaiguse põhjustaja tuvastamiseks. Kogu 20. sajandi viirusanalüütika ehitati üles TEM-ide baasil ja alles populaarsemate viiruste diagnoosimise odavamate meetodite (näiteks polümeraasi ahelreaktsioon ehk PCR) tulekuga lakkas TEM-ide rutiinne kasutamine sel eesmärgil.
Näiteks H1N1 gripp näeb "valguses" välja selline:
Calgary ülikool
Skaneeriv elektronmikroskoop
SEM-i kasutatakse peamiselt väga kõrge eraldusvõimega proovide pinna uurimiseks (miljonikordne suurendus, optiliste mikroskoopide puhul 2 tuhat). Ja see on majapidamises palju kasulikum :)
Näiteks uue hambaharja üksikud harjased näevad välja nii:
Sama peaks juhtuma ka mikroskoobi elektronoptilises kolonnis, ainult et siin kiiritatakse proovi, mitte ekraani fosforit ja pilt tekib anduritelt saadud info põhjal, mis salvestavad sekundaarseid elektrone, elastselt peegeldunud elektrone jne. Seda tüüpi elektronmikroskoobist tuleb selles ajaveebis juttu.
Nii teleri pilditoru kui ka mikroskoobi elektronoptiline kolonn töötavad ainult vaakumis. Kuid sellest räägin üksikasjalikumalt järgmises numbris.
(Jätkub)
Tehnoloogiline arheoloogia)
Mõned elektronmikroskoobid taastavad kosmoselaeva püsivara, teised pöördprojekteerivad mikroskoobi all mikroskeemide skeemi. Kahtlustan, et tegevus on jube põnev.
Ja muide, mulle meenus imeline postitus tööstusarheoloogiast.
Spoiler
Ettevõttemälu on kahte tüüpi: inimesed ja dokumentatsioon. Inimesed mäletavad, kuidas asjad töötavad, ja teavad, miks. Mõnikord kirjutavad nad selle teabe kuskile üles ja salvestavad oma märkmed kuhugi. Seda nimetatakse "dokumentatsiooniks". Ettevõtte amneesia toimib samamoodi: inimesed lahkuvad ja dokumentatsioon kaob, mädaneb või lihtsalt unustatakse.
Töötasin mitu aastakümmet suures naftakeemiaettevõttes. 1980. aastate alguses projekteerisime ja ehitasime tehase, mis muudab süsivesinikud teisteks süsivesinikeks. Järgmise 30 aasta jooksul kadus ettevõtte mälu tehase kohta. Jah, tehas töötab endiselt ja toob ettevõttele raha; hooldus on tehtud ja targad spetsialistid teavad, mida tuleb tõmmata ja kuhu lüüa, et tehas edasi töötaks.
Kuid ettevõte on täielikult unustanud, kuidas see tehas töötab.
See juhtus mitme teguri tõttu:
Naftakeemiatööstuse langus 1980. ja 1990. aastatel pani meid lõpetama uute inimeste palkamise. 1990. aastate lõpus koosnes meie grupp alla 35-aastastest või üle 55-aastastest poistest – väga harvade eranditega.
Oleme aeglaselt üle läinud arvutisüsteemide abil projekteerimisele.
Ettevõtete ümberkorralduste tõttu pidime kogu oma kontori füüsiliselt ühest kohast teise kolima.
Mõned aastad hiljem toimunud ettevõtete ühinemine muutis meie ettevõtte täielikult suuremaks, põhjustades ulatusliku osakondade kapitaalremondi ja personali ümberpaigutamise.
Tööstusarheoloogia
2000. aastate alguses läksime mitme kolleegiga pensionile.
2000. aastate lõpus pidas ettevõte seda tehast meeles ja arvas, et oleks tore sellega midagi ette võtta. Oletame, et suurendage tootmist. Näiteks võite leida pudelikael V tootmisprotsess ja seda täiustada – tehnoloogia pole need 30 aastat seisma jäänud – ja võib-olla lisada veel üks töökoda.
Ja siis lööb seltskond kõigest jõust vastu telliskiviseina. Kuidas see tehas ehitati? Miks ehitati just nii ja mitte teisiti? Kuidas see täpselt töötab? Milleks on vat A vaja, miks on töökojad B ja C ühendatud torustikuga, miks on torujuhtme läbimõõt D ja mitte D?
Ettevõtte amneesia tegevuses. Hiiglaslikud masinad, mille on ehitanud tulnukad oma tulnukate tehnoloogia abil, trügivad justkui kokku ja toodavad hunnikuid polümeere. Ettevõttel on mõningane ettekujutus, kuidas neid masinaid hooldada, kuid pole õrna aimugi, milline hämmastav maagia sees toimub ja kellelgi pole õrna aimugi, kuidas need loodi. Üldiselt pole inimesed isegi kindlad, mida täpselt otsida, ega tea, kummalt poolt seda sasipundart lahti harutada.
Otsime mehi, kes töötasid ettevõttes juba selle tehase ehitamise ajal. Nüüd on nad kõrgetel ametikohtadel ja istuvad eraldi konditsioneeriga kontorites. Neile antakse ülesanne leida määratud tehase jaoks dokumentatsioon. See pole enam ettevõtte mälu, see on pigem tööstusarheoloogia. Keegi ei tea, milline dokumentatsioon selle tehase kohta on olemas, kas see on üldse olemas ja kui on, siis millisel kujul, millistes vormingutes, mida see sisaldab ja kus see füüsiliselt asub. Tehase projekteeris projekteerimismeeskond, mida enam ei eksisteeri, ettevõttes, mis on vahepeal omandatud, suletud kontoris, kasutades arvutiajastu eelseid meetodeid, mida enam ei kasutata.
Tüübid meenutavad oma lapsepõlve kohustusliku mullas kaevamisega, käärivad kallite jopede käised üles ja asuvad tööle.
Mis on USB-mikroskoop?
USB-mikroskoop on digitaalmikroskoobi tüüp. Tavalise okulaari asemel on a digitaalne kaamera, mis jäädvustab pildi objektiivist ja edastab selle monitorile või sülearvuti ekraanile. See mikroskoop ühendatakse arvutiga väga lihtsalt – tavalise USB-kaabli abil. Mikroskoobiga on alati kaasas spetsiaalne tarkvara, mis võimaldab tekkivaid pilte töödelda. Saate pildistada, luua videoid, muuta pildi kontrasti, heledust ja suurust. Võimalused tarkvara sõltuvad tootjast.
USB-mikroskoop on peamiselt kompaktne suurendusseade. Seda on mugav kaasa võtta reisidele, koosolekutele või linnast välja. Tavaliselt pole USB-mikroskoop suure suurendusega, kuid müntide, väikese kirja, kunstiesemete, kanganäidiste või pangatähtede uurimiseks piisab selle võimalustest. Sellise mikroskoobi abil saate uurida taimi, putukaid ja kõiki teie ümber olevaid väikeseid esemeid.
Kust osta elektronmikroskoopi?
Kui olete mudeli valiku lõpuks otsustanud, saate sellelt lehelt osta elektronmikroskoobi. Meie veebipoest leiad parima hinnaga elektronmikroskoobi!
Kui soovid elektronmikroskoopi oma silmaga näha ja seejärel otsust langetada, külasta Sulle lähimat Nelja Silma kauplust.
Jah, jah, ja võta lapsed kaasa! Kindlasti ei jää te ostude ja kingitusteta!
