Устройство электронного микроскопа

Электронный микроскоп — прибор для получения увеличенных изображений объектов с помощью пучка электронов вместо видимого света. Благодаря очень короткой длине де Бройля электронов он даёт гораздо более высокое разрешение, чем оптические микроскопы. Основные типы - Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ, TEM) — пропускает пучок электронов через тонкий образец и формирует проекционное изображение внутренней структуры. - Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ, SEM) — сканирует поверхность образца сфокусированным пучком электронов и регистрирует электроны, вылетающие с поверхности, для получения топографического и композиционного изображения. Ключевые компоненты и принципы работы - Источник электронов — термоэлектронная нить или полевой эмиттер. Электроны ускоряются в сильном электрическом поле до напряжения ускорения (обычно 1–300 кВ). - Электронная оптика — электромагнитные линзы и апертуры фокусируют и формируют пучок электронов (аналог оптических линз для света). - Образец — для ПЭМ образец должен быть очень тонким (несколько десятков нанометров); для СЭМ поверхность обычно покрывают тонким слоем проводящего материала, если образец диэлектрический. - Вакуумная система — электронный пучок распространяется в высоком или ультравысоком вакууме, чтобы избежать рассеяния на молекулах газа. - Детекторы - В ПЭМ детектируют прошедшие через образец электроны и формируют изображение по амплитуде и фазе дифракции; используют также энергодисперсионную спектроскопию (EDS) для анализа химического состава. - В СЭМ регистрируют вторичные электроны (поверхностная топография), обратнорассеянные электроны (контраст по атомному номеру), а также характеристическое рентгеновское излучение для элементного анализа. Как формируется изображение - В ПЭМ пучок электронов проходит через тонкий срез образца; неоднородности в плотности и составе вызывают преломление/рассеяние и создают контраст на экране или детекторе. Разрешение может достигать долей нанометра. - В СЭМ сфокусированный электронный луч сканирует по поверхности, детекторы собирают вторичные/обратнорассеянные электроны в каждом пикселе скана; по интенсивности собирается изображение поверхности с большим глубинным резким видом. Контраст и разрешение - Контраст зависит от масс-контраста (атомный номер Z), толщины, кристаллической структуры (дифракция), топографии и электронных свойств. - Разрешение определяется длиной волны электронов (λ ≈ h / p) и аберрациями электромагнитных линз; современные микроскопы с коррекцией аберраций обеспечивают субнанометровое и даже сотни пикометров разрешение. Ограничения и требования - Необходим вакуум и подготовка образца; образцы должны выдерживать вакуум и облучение электронами (чувствительные материалы могут повреждаться). - Толщина (для ПЭМ) и проводимость поверхности (для СЭМ) критичны. - Высокая стоимость и сложность эксплуатации. Электронный микроскоп использует ускоренные электроны и электромагнитные линзы для получения изображений с намного лучшим разрешением, чем световой микроскоп; ПЭМ показывает внутреннюю структуру тонких срезов, СЭМ — подробную топографию и элементный состав поверхности.