Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ) — это устройство, в котором изображение от ультратонкого образца (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (ПЗС-матрице).

История

Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской 9 марта 1931 года. Первый практический просвечивающий электронный микроскоп был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. Эрнсту Руске за его открытие в 1986 году присуждена Нобелевская премия по физике.

Основы

Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено длиной волны фотонов, используемых для освещения образца и угловой апертурой оптической системы (так называемый барьер Аббе).

В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400—700 нанометров) путём использования электронов. Электроны эмитируются в электронном микроскопе посредством термоэлектронной эмиссии из нити накаливания (вольфрамовая проволока или монокристалл гексаборида лантана), либо посредством полевой эмиссии. Затем электроны ускоряются высокой разностью потенциалов и фокусируются на образце электромагнитными (или реже — электростатическими) линзами. Прошедший через образец луч содержит информацию об электронной плотности, фазе и периодичности; которые используются при формировании изображения.

Компоненты

ПЭМ состоит из нескольких компонентов:

• вакуумная система;
• предметный столик;
• источник электронов (электронный прожектор, электронная пушка) для генерирования электронного потока;
• источник высокого напряжения для ускорения электронов;
• набор электромагнитных линз и электростатических пластин для управления и контроля электронного луча;
• апертуры;
• экран, на который проецируется увеличенное электронное изображение (постепенно выходит из употребления, заменяясь детекторами цифрового изображения)

ПЭМ может влючать дополнительные системы, например, сканирующую приставку, которая позволяет работать в режиме растрового просвечивающего электронного микроскопа.

Вакуумная система

Для увеличения длины свободного пробега электрона воздух из колонны обычного ПЭМ откачивается до низкого давления, обычно до 10⁻⁴ Па.^[1] Это делается по двум причинам: первая — возможность создания значительной разности потенциалов между катодом и землей без возникновения электрической дуги, и вторая — уменьшение частоты столкновения электронов с атомами газа до незначительного уровня (см. Длина свободного пробега). Составляющие ПЭМ, такие как держатель образца и картриджи пленок, должны рутинным образом вводиться и заменяться по необходимости с возможностью переоткачки. ПЭМы оснащены несколькими системами откачки и шлюзов и, по существу, герметичны не постоянно.

Вакуумная система откачки ПЭМ до рабочего давления состоит из нескольких ступеней. Сперва с помощью роторного или мембранного насоса достигается низкий вакуум позволяющего работать турбомолекулярному или диффузионному (англ.) насосу, который доводит вакуум до необходимой рабочей величины.

Части ПЭМ могут быть разделены специально апертурой (pressure-limiting aperture), пропускающей электронный пучок, но затрудняющей обмен остаточными газами между частями вакуумной системы, а также запорным клапаном (gate valve) для полного обособления частей микроскопа. Это может быть полезным для создания в отдельных областях различного уровня вакуума, например, высокого вакуума от 10⁻⁴ до 10⁻⁷ Па и выше в электронной пушке в ПЭМ высокого разрешения или с автоэмиссией (область электронной пушки может иметь отдельную систему откачки посредством гетероионных насосов).

Предметный столик

Конструкция предметного столика включает шлюзы, позволяющие ввод держателя образца в вакуумную среду микроскопа с минимальным увеличением давления. Держатели образца приспособлены как для для фиксации сеток стандартных размеров на которые помещаются образцы, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Стандартный диаметр ПЭМ сетки — 3.05 мм.

Электронная пушка

Принципиально электронные пушки разделяются по принципу работы на термоэлектронные и автоэмиссионные.

Термоэлектронная электронная пушка

Термоэлектронная пушка состоит из трех элементов: катода, Венельта и анода. Венельт имеет более отрицательный потенциал, нежели чем катод, — напряжение смещения. Напряжение смещение может изменяться и используется для контроля эмиссии катода. Высокое напряжение смещения ограничивает до малых размеров область с которой происходит эмиссия, таки образом уменьшая общий эмитируемый ток, в то время как уменьшение напряжения смещения приводит к обратному.

Эмитированные электроны, прошедшие через Венельт, образуют кроссовер между катодом и анодом. Данный кроссовер по сути является источником электронов для оптической системы микроскопа.

Автоэмиссионная электронная пушка

Автоэмиссионная электронная пушка бывает двух типов: с катодом холодной автоэмиссии и с катодом Шоттки

Апертуры

Апертуры представляют собой металлические пластины с отверстиями, через которые могут пройти электроны, которые отклоняются от оптической оси не более чем на фиксированный угол.

Подготовка образцов

Химическое травление

Ионное травление

Метод реплик

Биологические образцы

См. также

• Растровый электронный микроскоп
• Сфокусированный ионный пучок
• Дифракция отраженных электронов
• Линии Кикучи
• Электронный микроскоп
• Преобразование Фурье

Литература

• Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов, Л. Н. Расторгуев. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 1982, 632 с.
• Д. Синдо. Т. Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2006, 256 с. ISBN 5-94836-064-4.

Примечания