TRANSMISYJNY MIKROSKOP

ELEKTRONOWY

Spis treści:

strona:

1. Wprowadzenie ............................................................................... 2

2. Budowa transmisyjnego mikroskopu elektronowego................. 4

3. Przygotowanie mikroskopu do pracy ......................................... 13

4. Wyznaczanie kąta skręcenia .........................................................16

2

1. Wprowadzenie

Współczesny transmisyjny mikroskop elektronowy jest urządzeniem o

wysokim stopniu skomplikowania zespołów elektronicznych i niezwykle precyzyjnym

wykonaniu części mechanicznych. Jedynie zasada działania i wykorzystanie praw

fizyki wiążą go z prototypem skonstruowanym przez Ruska i Knolla w 1931 r. Od

tego czasu, wysiłki konstruktorów doprowadziły do powstania urządzenia o wysokiej

zdolności rozdzielczej, w dużym stopniu zautomatyzowanego, dogodnego w

obsłudze, stabilnego i dającego coraz szersze możliwości badawcze. Wiodące firmy

produkujące transmisyjne mikroskopy elektronowe to japońskie firmy JEOL i Hitachi

oraz holenderska firma Philips. Współczesne mikroskopy elektronowe produkowane

przez różne firmy są w konstrukcji bardzo podobne. Różnią się stopniem automatyki,

pewnymi rozwiązaniami patentowymi i łatwością obsługi.

Zasada powstawania obrazu w transmisyjnym mikroskopie elektronowym jest

identyczna jak w mikroskopie świetlnym biologicznym (prześwietleniowym).

Schematycznie pokazano to na rys.1. Różnica polega tylko na tym, że zamiast

światła zastosowano wiązkę elektronów wytworzoną w tzw. dziale elektronowym,

natomiast zamiast soczewek optycznych soczewki elektromagnetyczne.

3

Mikroskop świetlny Transmisyjny mikroskop elektronowy

Oświetlenie Żarówka Elektrony (działo elektronowe) Kondensor Soczewka Soczewka ze szkła elektromagnetyczna Próbka Obiektyw Soczewka Soczewka ze szkła elektromagnetyczna Pierwszy obraz Projektor Soczewka Soczewka ze szkła elektromagnetyczna Końcowy obraz

Okular Ekran fluorescencyjny

Rys. 1. Zasada powstawania obrazu w mikroskopie świetlnym i transmisyjnym mikroskopie elektronowym.

4

2. Budowa transmisyjnego mikroskopu elektronowego

Mikroskop elektronowy jest urządzeniem złożonym i bardzo skomplikowanym.

Składa się z wielu układów i zespołów spełniających określoną rolę w jego pracy.

Opisując budowę mikroskopu pominięto szczegóły konstrukcyjne, ponieważ one w

różnych konstrukcjach bywają różne, natomiast przedstawiono funkcje i zadania

poszczególnych układów i zespołów.

Transmisyjny mikroskop elektronowy składa się z:

Układu optycznego umieszczonego w części mikroskopu zwanej kolumną,

Układu próżniowego mikroskopu,

Układu zasilania,

Układu sterowania i regulacji,

Urządzeń dodatkowych.

2.1. Układ optyczny - kolumna.

Na rys. 2 pokazano schematycznie podstawową część mikroskopu, kolumnę z

układem optycznym. Układ optyczny mikroskopu składa się z następujących

elementów:

Działa elektronowego i układu soczewek kondensora tworzących układ

oświetlający mikroskopu

Komory preparatu,

Układu soczewek tworzących obraz,

Układu rejestrującego.

5

Katoda Cylinder Wehnelta Działo elektronowe Anoda Oś optyczna Układ oświetlający Soczewka kondensorowa I Soczewka kondensorowa II Stygmator soczewki kondensorowej II Przesłona soczewki kondensorowej Komora preparatu Preparat Przesłona soczewki obiektywowej Stygmator soczewki obiektywowej Soczewka obiektywowa Przesłona selekcyjna (dyfrakcyjna) Układ soczewek tworzących obraz Soczewka pośrednia Soczewka projekcyjna Ekran luminescencyjny Pulpit mikroskopu Kaseta (klisze fotograficzne)

Rys. 2. Schemat kolumny transmisyjnego mikroskopu elektronowego.

6

2.1.1. Układ oświetlający

Działo elektronowe wraz z soczewkami kondensorowymi, stygmatorami i

przesłoną kondensorową tworzą układ oświetlający mikroskopu.

a) działo elektronowe

Źródłem wiązki elektronów w transmisyjnym mikroskopie elektronowym jest

działo elektronowe. Jego celem jest wytworzenie odpowiednio ukształtowanej wiązki

elektronów. Konstrukcja działa elektronowego jest analogiczna do konstrukcji źródeł

emisji elektronów występujących w lampach oscyloskopowych czy kineskopach

telewizyjnych.

Działo elektronowe składa się z trzech podstawowych elementów:

katody,

anody,

cylindra Wehnelta.

Schemat działa elektronowego pokazano na rys. 3. Na pracę działa elektronowego

wpływają wartości prądowe i geometria działa.

Katoda (zwana popularnie “włóknem”) jest wykonana zazwyczaj z cienkiego

drutu wolframowego odpowiednio ukształtowanego w formie ostrza. Po rozżarzeniu

do temperatury ok. 2600-2800oC emituje elektrony. Ze wzrostem temperatury pracy

katody wzrasta emisja elektronów, a zatem uzyskujemy większą jasność wiązki.

Niestety zbyt duża temperatura katody powoduje jej przyspieszone zużywanie.

Dlatego w praktyce wybieramy pewną optymalną wartość. Jasność wiązki zależy od

prądu żarzenia katody (rys.3b). Punktem pracy jest początek nasycenia (punkt A).

W ostatnich latach wprowadzono do mikroskopów nowe katody wykonane z

monokryształu sześcioborku lantanu LaB6. Charakteryzują się one znacznie mniejszą

pracą wyjścia elektronu i dają w konsekwencji znacznie jaśniejszą wiązkę

emitowanych elektronów. Ich trwałość jest znacznie większa niż wolframowych, ale

są bardzo drogie.

7

a) Zasilanie żarzenia katody (włókna) Regulacja potencjału Katoda cylindra Wehnelta Cylinder Generator Wehnelta wysokiego napięcia np. 200 kV b) Jw A Wiązka elektronów JŻ Anoda

Ziemia

Rys. 3. Działo elektronowe a) schemat działa elektronowego, b) zależność jasności wiązki elektronowej Jw

od prądu żarzenia katody Jż.

Anoda jest wykonana w postaci pierścieniowej przesłony z otworem w środku.

Pomiędzy anodę i katodę przykłada się napięcie przyspieszające.

Trzecim elementem działa elektronowego jest cylinder Wehnelta. Ma on

zasadniczy wpływ na kształtowanie wiązki elektronowej. Poprzez odpowiedni dobór

odległości pomiędzy katodą i cylindrem Wehnelta oraz odpowiednim napięciem

przyłożonym pomiędzy katodę i cylindrem można uzyskać maksymalną energię

wiązki i w konsekwencji maksymalną jasność wiązki elektronów.

Emitowana przez działo elektronowe wiązka elektronów musi mieć stabilną

wartość długości fali elektronowej. Uzyskuje się to poprzez stabilizacją napięcia

przyspieszającego. Wymagany poziom stabilizacji powinien być wyższy od 10-6.

8

b) soczewki kondensorowe Zadaniem układu soczewek kondensora jest formowanie wiązki elektronów

tak aby można było zmieniać jej natężenie, kąt apertury i skupiać wiązkę na

preparacie tak, aby wymiar oświetlonej części próbki nie przekraczał 1m, a więc był

znacznie mniejszy niż wielkość efektywna źródła elektronów (katody). Zadania te

najlepiej spełnia układ dwu soczewek, pierwszej krótkoogniskowej (zmniejszającej

efektywny wymiar źródła elektronów ok. 100x) i drugiej długoogniskowej

odwzorowującej zmniejszone źródło na preparacie bez zmiany jego wymiarów.

Pierwszy soczewka ma stałe wzbudzenie, natomiast druga soczewka ma

wzbudzenie regulowane w sposób ciągły, umożliwiające zmianę wielkości

oświetlonego obszaru obserwacji na próbce, a w konsekwencji jasności i

rozbieżności wiązki. Długa ogniskowa drugiej soczewki kondensorowej umożliwia

również konstrukcję komory preparatowej o odpowiedniej wielkości. Druga soczewka

kondensorowa ma stygmator usuwający astygmatyzm kondensora. W układzie

kondensora, poniżej soczewek, znajduje się zawsze ruchoma, regulowana

przesłona kondensorowa z otworami o różnej średnicy.

W nowych konstrukcjach mikroskopów, w układzie kondensora występuje z

reguły więcej soczewek (nawet 3-4), oraz występują układy cewek odchylających

wiązkę (min. do obserwacji w ciemnym polu widzenia).

Wiązka utworzona przez układ kondensora oświetla preparat, który znajduje

się w komorze preparatu.

2.1.2. Komora preparatu

Komora preparatu musi zapewnić odpowiednie usytuowanie i zamocowanie

preparatu. W komorze znajduje się ruchomy stolik o dużej precyzji przesuwu, oraz

goniometr pozwalający na nachylanie i obracanie preparatu względem wiązki

elektronowej. Urządzenie takie jest niezbędne w badaniach materiałów

krystalicznych, w których wykorzystywany jest kontrast dyfrakcyjny.

W komorze preparatu może być również montowane wiele urządzeń

dodatkowych takich jak urządzenia do nagrzewania (do 1200oC) lub chłodzenia (do

temperatury ciekłego azotu), do rozciągania próbki podczas obserwacji, komory z

gazem do badań w atmosferze gazowej itp. W komorze preparatu instaluje się

9

również detektory do analizy efektów związanych z oddziaływaniem wiązki

elektronów na materiał próbki (np. detektor promieniowania rentgenowskiego,

detektor elektronów wtórnych itp.).

Komora preparatu zaopatrzona jest w śluzę umożliwiającą wymianę preparatu

bez konieczności zapowietrzania całego mikroskopu.

2.1.3. Układ soczewek tworzących obraz

Układ soczewek tworzących obraz składa się conajmniej z trzech soczewek:

soczewki obiektywowej, soczewki pośredniej i soczewki projekcyjnej.

Soczewka obiektywowa ma największe znaczenie, ponieważ właśnie ona

tworzy obraz obserwowanego preparatu. Wykonana jest najdokładniej ze wszystkich

soczewek, ponieważ jej wady są przenoszone i powiększane przez następne

soczewki. Ma możliwie najkrótszą ogniskową co zmniejsza aberację sferyczną.

Soczewka ta ma w przybliżeniu stałe powiększenie i posiada możliwość precyzyjnej

zmiany ogniskowej w małym zakresie. Umożliwia to regulację ostrości

obserwowanych preparatów. Soczewka obiektywowa ma zawsze układ do korekcji

astygmatyzmu (stygmator).

Należy zaznaczyć, że w mikroskopie elektronowym ustawianie ostrości odbywa się

poprzez zmianę ogniskowej (odległość preparat - obiektyw jest stała), odmiennie niż

w mikroskopie optycznym gdzie ostrość reguluje się dopasowując odległość obiektyw

- preparat (ogniskowa jest stała).

Druga z soczewek, soczewka pośrednia ma duże możliwości regulacji

wzbudzenia i dzięki temu może regulować powiększenie obrazu. Soczewka ta

umożliwia również uzyskanie odpowiedniego sposobu pracy mikroskopu. W

normalnym trybie pracy, przy obserwacji obrazu mikroskopowego, odwzorowuje ona

obraz utworzony przez soczewkę obiektywową. Jeżeli natomiast soczewka pośrednia

odwzorowuje obraz tylnej płaszczyzny ogniskowej soczewki obiektywowej, to

powstaje obraz dyfrakcyjny (dyfrakcja elektronowa).

Schemat powstawania obrazu mikroskopowego i obrazu dyfrakcyjnego

pokazano na rys. 4.

10

Soczewka projekcyjna służy do dalszego powiększania obrazu oraz do

tworzenia końcowego obrazu na ekranie luminescencyjnym. Jeżeli chcemy uzyskać

bardzo duże powiększenia stosujemy dodatkowo drugą soczewkę pośrednią. Przez

odpowiedni dobór wzbudzenia soczewek pośrednich i soczewki projekcyjnej

uzyskuje się bardzo szeroki zakres powiększeń, który w nowoczesnych

mikroskopach przekracza milion.

W układzie soczewek tworzących obraz znajdują się dwie ruchome przesłony:

obiektywowa i selekcyjna (dyfrakcyjna). Przesłona obiektywowa poprawia ostrość

obrazu, ale jej głównym zadaniem jest umożliwianie odpowiedniego sposobu pracy

mikroskopu (obserwacja w jasnym lub ciemnym polu widzenia, obraz dyfrakcyjny).

Przysłona ta musi się znajdować pomiędzy preparatem a soczewką obiektywową

(trudny problem konstrukcyjny, ponieważ odległość pomiędzy preparatem a

soczewką obiektywową powinna być bardzo mała). Przesłoną selekcyjną

wybieramy obszar preparatu z którego chcemy wykonać obraz dyfrakcyjny.

W najnowszych typach mikroskopów soczewek tworzących obraz jest więcej,

ich liczba dochodzi nawet do sześciu.

11

a) b) Działo elektronowe Soczewka kondensorowa I Soczewka kondensorowa II Preparat Soczewka obiektywowa Przesłona obiektywowa Tylna płaszczyzna ogniskowa obiektywu Przesłona

selekcyjna I obraz pośredni Soczewka pośrednia Powiększony obraz dyfrakcyjny II obraz Soczewka pośredni projekcyjna Obraz na ekranie Obraz dyfrakcyjny na ekranie Rys. 4. Schemat powstawania obrazu w transmisyjnym mikroskopie elektronowym. a) obraz mikroskopowy, b) obraz dyfrakcyjny.

12

2.1.4. Układ rejestrujący

Utworzony przez soczewki obraz jest obserwowany na ekranie

luminescencyjnym. Do jego trwałego zachowania służy najczęściej kamera

znajdująca się pod ekranem. Stanowi ona układ rejestrujący mikroskopu. Zdjęcia

wykonuje się najczęściej na kliszach szklanych lub błonach ciętych. Można stosować

również kamery małoobrazkowe. Aktualnie mikroskopy wyposaża się w kamery

telewizyjne mogące rejestrować obraz na magnetowidach (szczególnie przydatne

przy rejestracji efektów dynamicznych), oraz kamery o przetwarzaniu cyfrowym

umożliwiające w łatwy sposób dalszą analizę komputerową wyników badań.

2.2. Inne układy

2.2.1. Układ próżniowy.

W kolumnie mikroskopu mieszczącej układ optyczny musi panować wysoka

próżnia. Jest ona niezbędna dla zapewnienia dużej średniej drogi swobodnej

elektronów. Drugim nie mniej ważnym powodem jest zanieczyszczanie preparatu

podczas obserwacji (kontaminacja) obniżające zdolność rozdzielczą. Wysoka próżnia

zwiększa również trwałość katody.

We współczesnych mikroskopach próżnia wynosi z reguły nie mniej niż 10-5

Pa. Tak wysoka próżnia uzyskiwana jest poprzez układ pomp próżniowych

rotacyjnych i dyfuzyjnych, a obecnie dodatkowo jonowych lub turbomolekularnych.

Próżnia jest próżnią dynamiczną, tzn. pompy próżniowe ciągle pracują, ich

wyłączenie powoduje spadek próżni.

2.2.2. Układ zasilania.

Układ zasilania elektrycznego ma za zadanie zapewnić dostarczenie prądów i

napięć o wysokim poziomie stabilizacji dla poszczególnych zespołów mikroskopu

(żarzenie katody, wysokie napięcie, prądy soczewek, układy stygmatorów, układy

centrowania, układy odchylające, serwomechanizmy goniometrów, układy

automatyki próżniowej, układy sterowania, detektory i analizatory) i urządzeń

13

dodatkowych (komputery, dodatkowe przystawki i urządzenia).

W nowych konstrukcjach mikroskopów układ zasilania elektrycznego jest

coraz bardziej rozbudowywany, ale dzięki dynamicznemu rozwojowi elektroniki

również coraz bardziej niezawodny.

2.2.3. Układ sterowania i regulacji.

W starych konstrukcjach mikroskopowych sterownie i regulacja była ręczna

poprzez różne rodzaje mechanizmów. Aktualnie sterowanie zespołów jest w

większości automatyczne lub programowe, niekiedy komputerowe. Regulacja jest

realizowana poprzez urządzenia elektroniczne przy wspomaganiu komputerowym.

2.2.4. Urządzenia dodatkowe.

Współczesny mikroskop ma coraz więcej urządzeń dodatkowych

poszerzających zakres badawczy przyrządu i ułatwiających jego obsługę.

Urządzenia dodatkowe to różnego rodzaju detektory i analizatory (np.

energodyspersyjny analizator rentgenowski), przystawki skaningowe, urządzenia do

analizy obrazu, kamery telewizyjne i komputery.

3. Przygotowanie mikroskopu do pracy

Przygotowanie mikroskopu do pracy polega na jego uruchomieniu i

sprawdzeniu prawidłowości działania elementów optycznych. Dokładne procedury

podane są w instrukcjach obsługi poszczególnych mikroskopów. Istnieją jednak

ogólne prawidłowości i cechy zachowania się wiązki lub obrazu, których

występowanie jest sygnałem nieprawidłowości działania konkretnych elementów

optyki.

14

Czynności związane z przygotowaniem mikroskopu do pracy podzielić można na 3

grupy:

1. Testowanie i określanie cech charakterystycznych danego mikroskopu

przeprowadzone w czasie jego instalowania lub po każdorazowej wymianie

lub naprawie głównych elementów optyki.

2. Procedury osiowania układu optycznego przeprowadzane w zależności od

stabilizacji mikroskopu w odstępach od kilku tygodni do kilku miesięcy.

3. Procedury centrowania i osiowania działa, korekcji astygmatyzmu,

wprowadzanie przesłon, oraz niektóre czynności charakterystyczne dla

mikroskopów danej firmy. Przeprowadza się to podczas każdorazowego

uruchomienia mikroskopu a nawet kilkakrotnie w czasie wielogodzinnej

pracy.

ad. 1.

W grupie tej należy wykonać:

testy zdolności rozdzielczej mikroskopu dla poszczególnych goniometrów i

uchwytów. Testy te (rozdzielczość liniowa i punktowa) wykonuje się na firmowych,

znanych preparatach (robi je firma instalująca wystawiając kartę gwarancyjną

urządzenia),

cechowanie faktycznych powiększeń elektronowych. Aktualnie stosowane układy

skokowej zmiany powiększeń wyświetlają przybliżoną wartość powiększenia.

Dokładną wartość powiększenia należy obliczyć wykonując fotografie preparatów

o znanej wielkości (np. firmowe repliki o znanej gęstości linii, kuleczki lateksowe),

wyznaczenie kąta skręcenia mikrofotografii względem dyfrakcji – punkt 4,

cechowanie goniometru: określenie rzutu osi goniometru na mikrofotografię i

wyznaczenie stałej goniometru czyli wartości przesunięcia na kliszy

odpowiadającej 1 stopniowi obrotu goniometru (dla dyfrakcji Kikuchi’ego),

wyznaczanie stałej mikroskopu L dla poszczególnych warunków dyfrakcji,

ad. 2.

osiowanie soczewki obiektywowej (w przypadku silnego odsuwania się wiązki od

centrum ekranu podczas ogniskowania i rozogniskowania obrazu),

15

kompensacja odchylenia soczewki pośredniej (w przypadku silnego odsuwania

się wiązki od centrum ekranu podczas zmiany powiększenia),

osiowanie soczewek pośrednich i projekcyjnych (w przypadku silnego odsuwania

się centralnej wiązki dyfrakcji od środka ekranu podczas zmiany długości

kamery),

ad. 3.

korekcja pochylenia włókna (gdy obraz niedożarzonego włókna jest

niesymetryczny),

centrowanie działa (gdy zmiana ogniskowania kondensora powoduje “wędrówkę”

wiązki po ekranie),

osiowanie włókna (gdy pulsacja napięcia przyśpieszającego powoduje drganie

obrazu, tzw. osiowanie napięciowe HV-WOBBLER),

korekcja astygmatyzmu kondensora (gdy jego ogniskowanie powoduje

eliptyczność wiązki w różnych kierunkach),

korekcja astygmatyzmu obiektywu (gdy prążki Fresnela wokół okrągłego otworu

są eliptyczne, niesymetryczne).

16

4. Wyznaczanie kąta skręcenia

Znajomość kąta skręcenia pomiędzy obrazem przy danym powiększeniu, a

dyfrakcją (przy danej długości kamery) jest niezbędne dla prowadzenia tzw. analizy

śladów. Dla współczesnych mikroskopów charakteryzujących się dużą stabilnością,

wyznaczanie tego kąta przeprowadza się jednorazowo i tabelaryzuje się wyniki dla

danych skokowych wartości powiększeń, lub podaje je się jako funkcje prądu

soczewki pośredniej. Powtórne wyznaczanie kątów skręcenia jest konieczne w

przypadku wymiany takich elementów mikroskopu jak nabiegunniki soczewek,

detektory, układy regulacji astygmatyzmu itp.

Najprostszą metodą wyznaczenia kąta skręcenia jest wykorzystanie

mikrofotografii i dyfrakcji monokryształu MoO3. Charakterystyczny kształt

monokryształów MoO3 umożliwia jednoznaczne wyznaczanie kierunków (rys. 5a).

Dłuższa krawędź płytki jest zawsze równoległa do kierunku [001]. Na dyfrakcji

(rys. 5b) kierunek ten można łatwo wyznaczyć w sposób jednoznaczny, gdyż MoO3

krystalizuje w układzie rombowym (a = 3,966Å, b = 13,848 Å, c= 3,696 Å).

Wyznaczanie kąta skręcenia opiera się na wykorzystaniu dyfrakcji przy żądanych

długości kamery i mikrofotografii przy wszystkich powiększeniach, oraz zmierzenia

kąta zgodnie z rys. 5b. Monokryształy MoO3 można zakupić w firmach produkujących

elementy wyposażenia mikroskopów elektronowych, lub otrzymać przez naniesienie

na błonkę nośną (węglową lub koloidową) kryształów powstających na przykrywce

naczynia, w której praży się molibdenian amonu.

Wykres kąta skręcenia dla mikroskopu JEM 100C pokazano na rys. 6.

17

a)

b)

Rys. 5. a - pokrój monokryształu MoO3 , b - dyfraktogram o orientacji [010] oraz

obraz mikroskopowy MoO3.

18

Kąt skręcenia

[°]

50

50.000 100.000 150.000 200.000 250.000

Powiększenie

Rys. 6. Kąt skręcenia dla mikroskopu JEM100C.

100

150