Zdolność rozdzielcza decyduje o możliwościach badawczych mikroskopów!

Transkrypt

1 Zdolność rozdzielcza decyduje o możliwościach badawczych mikroskopów! Abbé E. (1873) wykazanie ograniczenia mikroskopii świetlnej przez długość użytej fali. Obiekt może być widoczny, jeśli jego rozmiary są większe lub równe połowie długości fali. Oko ludzkie: zdolność rozdzielcza 0,07 mm, czyli 70 µm. Wynika ona również z odległości dobrego widzenia (250 mm). Mikroskopia świetlna: zdolność rozdzielcza 0,0002 mm, czyli 0,2 µm. Wynika ona z najkrótszej, dostępnej dla naszego oka długości fali 0,4 µm. Zdolność rozdzielcza wyznaczana przez maksimum intensywności obrazu punktu pierwszego i minimum intensywności punktu sąsiadującego.

2 Niestety, ze względu na zjawisko dyfrakcji fal, obraz punktowego źródła światła jest plamką (dyskiem Airy ego), której średnica osiąga rozmiary: Jest to błąd dyfrakcji, którego nie można wyeliminować z żadnego układu optycznego D=1,22 λ nsin α Promień dysku Airy ego, a zatem i zdolność rozdzielcza mikroskopu określimy jako: Gdzie: λ długość fali, d= 0,61 λ nsinα α wartość kąta aperturowego, n współczynnik załamania światła

3 d= 0,61 λ NA NA=nsin α Zdolność rozdzielcza transmisyjnej mikroskopii świetlnej ograniczona jest więc długością fali λ (0,400 µm) oraz kątem aperturowym α (sin90 =1). Przełom wieku XIX i XX odkrycie, że promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem elektromagnetycznym i ma bardzo krótką falę! Problem trudności ze skupianiem promieni X ze względu na porównywalne współczynniki załamania materii dla promieniowania rentgenowskiego. Mikroskopia na bazie cieni obiektów możliwa, lecz zdolność rozdzielcza metody porównywalna z mikroskopią świetlną.

4 Odkrycia prekursorowe prowadzące do konstrukcji mikroskopu elektronowego: Geissler H. (1855) konstrukcja rurek z rozrzedzonym gazem i obserwacja wyładowań elektrycznych Crooke W. (1860) promienie nie przechodzą przez metalowe obiekty Plücker H. (1858) pierwsze obserwacje promieniowania różnych gazów i opracowanie ich widm spektralnych (trzy widma emisyjne wodoru) Goldstein E. (1876) promienie katodowe Thomson JJ. (1897) wyznaczenie stosunku ładunku do masy promieni katodowych - odkrycie elektronu; serie eksperymentów nad zachowaniem się elektronów w polu elektrycznym i magnetycznym Wiechert E. (1899) ogniskuje promienie katodowe Wiedza na temat zachowania się promieni katodowych prowadzi do budowy oscylografu.

5 Doświadczenie Geisslera szklana rurka podłączona do pompy próżniowej, końce rurki wyposażone w elektrody: katodę i anodę, elektrody połączone z ogniwem, rozrzedzony gaz zaczyna świecić. Anoda (+) Katoda (-) Do pompy próżniowej

6 Doświadczenie Crooke'a typowa rurka Geisslera z rozrzedzonym gazem wewnątrz, metalowy przedmiot pomiędzy katodą i ekranem, obraz przedmiotu pojawia się na ekranie, promienie wychodzące z katody nie przenikają metalowego przedmiotu. Katoda (-) Płaszczyzna obrazowa Do pompy próżniowej Anoda (+) Przedmiot

7 Doświadczenie Wiecherta typowa rurka Geisslera, ekran fluoryzujący na końcu biegu promieni katodowych, cewka z przyłożonym do niej prądem elektrycznym, promienie wychodzące z katody skupiają się lub rozpraszają w zależności od kierunku przepływu prądu. Katoda (-) Płaszczyzna obrazowa + - Do pompy próżniowej Anoda (+)

8 Twórcy podstaw optyki elektronowej: De Broglie LV hipoteza: każde ciało poruszające się ma przyporządkowaną falę a jej długość jest ilorazem stałej Plancka i pędu. Elektrony powinny więc mieć naturę falową. Schrödinger E badania nad mechaniką i optyką fal (Hamilton, 1830). Busch H pole magnetyczne i elektryczne może działać na naładowane cząstki jak soczewki szklane na światło początek i rozwój optyki elektronowej. Dlaczego równanie de Broglie a jest takie ważne dla mikroskopii elektronowej? λ - długość fali m - masa spoczynkowa e - V - prędkość e - λ= h mv h - stała Plancka (4.14x10-15 ev s)

9 Twórcy podstaw optyki elektronowej: De Broglie LV hipoteza: każde ciało poruszające się ma przyporządkowaną falę a jej długość jest ilorazem stałej Plancka i pędu. Elektrony powinny więc mieć naturę falową. Schrödinger E badania nad mechaniką i optyką fal (Hamilton, 1830). Busch H pole magnetyczne i elektryczne może działać na naładowane cząstki jak soczewki szklane na światło. λ 1 Wynika ono z podstawowego prawa optyki jakim jest prawo załamania fali na granicy dwóch ośrodków (prawo Snella). i r λ 2 sin i sin r = n 2 n 1 sin i sin r = p 2 p 1 sin i sin r = λ 1 λ 2

10 Ruska E rozpoczyna pracę nad soczewkami magnetycznymi a w 1931 publikuje wraz z Knollem wyniki swojej pracy magisterskiej na temat soczewek magnetycznych Pierwszy opis konstrukcji mikroskopu elektronowego został opublikowany przez Ruskę w 1934 roku i był modyfikacją wysokonapięciowego oscylografu. Pierwszy patent związany z firmą Siemens w Berlinie należy do Rüdenberga (1931). Pierwsze mikroskopy za oceanem: - Prebus A. i Hillier J. (Toronto, Kanada) Hall CE. (USA) Pierwsze mikroskopy do celów laboratoryjnych (komercyjne): 1938 zdolność rozdzielcza: 10 nm 1940 zdolność rozdzielcza: 2,4 nm 1945 zdolność rozdzielcza: 1 nm W 1986 roku Ruska E. otrzymuje Nagrodę Nobla!

11 Równanie de Broglie a jest bardzo uproszczoną formą... Okazuje się, że wraz z prędkością ciała zmienia się również jego masa (wynik teorii względności Einsteina). m= m 0 1 V 2 c 2 Ciała mogą także wykonywać obroty wokół własnej osi w tym przypadku uwzględniamy spin elektronu (wynik teorii Comptona). Efektywna długość fali możliwa do osiągnięcia w mikroskopie elektronowym może być zapisana jako: = V Dla napięcia przyspieszającego 60 kev jesteśmy w stanie uzyskać długość fali 0,005 nm!

12 Soczewki magnetyczne. Podstawowe prawa optyki świetlnej obowiązują w optyce elektronowej! Długość ogniskowej soczewki magnetycznej zależy od mocy soczewki i prędkości elektronów. I A f=k V r N d NI 2 długość żelaznej obręczy Moc soczewki zależy od prądu przepływającego przez zwoje cewek oraz liczby zwojów cewki gdzie K jest stałą, V r napięciem przyspieszającym, N liczbą zwojów cewki, a I natężeniem prądu płynącego przez cewki.

13 Soczewki magnetyczne. Zwoje osłonięte płaszczem z miękkiego magnetyku (żelaza) o symetrii osiowej, zaopatrzone w szczelinę wypełnioną materiałem niemagnetycznym (np. miedzią) lub dołączonym nabiegunnikiem. Zwoje d Soczewkę magnetyczną o długiej ogniskowej cechuje duża średnica otworu soczewki (l) i niewielka szczelina (d). l d Słabe soczewki kondensorowe! Płaszcz z żelaza

14 Soczewki magnetyczne. Zwoje osłonięte płaszczem z miękkiego magnetyku (żelaza) o symetrii osiowej, zaopatrzone w szczelinę wypełnioną materiałem niemagnetycznym (np. miedzią) lub dołączonym nabiegunnikiem. l Zwoje d d Soczewkę magnetyczną o krótkiej ogniskowej cechuje minimalna średnica otworu soczewki (l) w stosunku do szczeliny. Soczewki obiektywowe i projekcyjne! Płaszcz z żelaza

15 Soczewki magnetyczne. Zwoje osłonięte płaszczem z miękkiego magnetyku (żelaza) o symetrii osiowej, zaopatrzone w szczelinę wypełnioną materiałem niemagnetycznym (np. miedzią) lub dołączonym nabiegunnikiem. Zwoje Soczewkę magnetyczną o krótkiej ogniskowej realizuje się przez umieszczenie w szczelinie nabiegunnika. l Nabiegunnik Niemal stałe pole magnetyczne: H = 4 N I 10 l Płaszcz z żelaza

16 Zasada odwzorowania Gaussa gęstość cząstek tworzących obraz jest na tyle mała, aby oddziaływania pomiędzy nimi były zaniedbywalne, soczewki elektronowe mają doskonałą symetrię obrotową, oś wiązki elektronów pokrywa się z osią symetrii soczewek elektronowych, kąty, jakie tworzą tory elektronów z osią symetrii są tak małe, że ich funkcje trygonometryczne mogą być zastąpione odpowiednimi kątami. Obszar działania pola d z Płaszczyzna przedmiotu Płaszczyzna obrazu

17 Problemy w odwzorowaniu obrazów aberracje. Aberracja sferyczna (znacząca). Zdolność rozdzielcza teoretyczna dla mikroskopu elektronowego: d s = 1 2 C s 3 Korekcja aberracji sferycznej zmniejszanie wartości kąta aperturowego przez zmniejszanie średnicy przesłony punktowe źródło elektronów soczewka ognisko stała prędkość elektronów zmienne w przestrzeni pole magnetyczne

18 Problemy w odwzorowaniu obrazów aberracje. Aberracja chromatyczna (znacząca). Zdolność rozdzielcza teoretyczna dla mikroskopu elektronowego: d c =C c V V 2 I I Korekcja aberracji chromatycznej zmniejszanie wartości kąta aperturowego przez zmniejszanie średnicy przesłony, stabilizacja prądu soczewek i źródła elektronów punktowe źródło elektronów soczewka ognisko zmienna prędkość elektronów stałe w przestrzeni pole magnetyczne

19 Problemy w odwzorowaniu obrazów aberracje. Astygmatyzm (znaczący). ognisko punktowe źródło elektronów obraz w płaszczyźnie X obraz w płaszczyźnie Y Korekcja astygmatyzmu ośmiobiegunowy korektor elektrostatyczny, czystość przesłon i nabiegunników soczewek

20 Soczewki magnetyczne. Przykłady soczewek magnetycznych obiektywowych: wiązka elektronowa cewki skanujące płaszcz Fe stygmator Soczewka stożkowa (z asymetrycznym otworem): - pole magnetyczne odizolowane od preparatu, zwoje - brak ograniczeń w wielkości preparatu, - duża głębia ostrości, przesłona obiektywu e - detektor - błędy w odwzorowaniu preparatu (aberracje), - średnia rozdzielczość. stolik mikroskopowy

21 Soczewki magnetyczne. Przykłady soczewek magnetycznych obiektywowych: wirtualna przesłona płaszcz Fe wiązka elektronowa e - detektor Soczewka immersyjna: - preparat w polu magnetycznym soczewki, - ograniczenia w wielkości preparatu, - mała głębia ostrości, - minimalne błędy w odwzorowaniu preparatu (aberracje), - wysoka rozdzielczość. nabiegunnik zwoje

22 Soczewki magnetyczne. Przykłady soczewek magnetycznych obiektywowych: wirtualna przesłona zwoje e - detektor Soczewka jednobiegunowa (snorkel lens): - preparat w zewnętrznym polu magnetycznym soczewki, - brak ograniczeń w wielkości preparatu, - duża głębia ostrości, e - detektor - minimalne błędy w odwzorowaniu preparatu (aberracje), - wysoka rozdzielczość. stolik mikroskopowy

23 Źródło elektronów działo elektronowe osłona Wehnelta Dawca elektronów włókno (filament) lub kryształ Osłona Wehnelta Anoda Rozmiary źródła elektronów, czyli średnica d zależy od: - typu źródła elektronowego, - typu osłony Wehnelta, - potencjału osłony Wehnelta, - położenia włókna w stosunku do osłony Wehnelta, - temperatury włókna. potencjometr _ wysokie napięcie + _ 0 + zasilanie katody katoda d anoda uziemienie

24 Katoda wolframowa rozżarzony cienki drucik wyprofilowany w kształcie litery V. Katoda LaB 6 kryształ sześcioborku lantanu zamknięty w uchwycie molibdenowym osłona Wehnelta anoda podgrzewacz katoda _ kryształ LaB 6 +

25 Katoda polowa zimna emisja elektronów w silnym polu elektrycznym Wolfram (także węgiel, cyrkon lub krzem w formie nanorureczek) w układzie trójelementowym: emiter anoda ekstrakcyjna anoda przyspieszająca osłona Wehnelta anoda ekstrakcyjna anoda przyspieszająca katoda _ + wolfram +

26 Osłona Wehnelta. Posiada niewielki ładunek ujemny w celu skupiania emitowanych elektronów. Wielkość ładunku osłony ma wpływ na jasność katody wyznaczana odległością końcówki włókna od ścian osłony Wehnelta. osłona Wehnelta anoda zasilanie Wehnelta zasilanie katody katoda d 0 + _ + wysokie napięcie uziemienie Brak zasilania osłony Wehnelta! Wartość d wyznaczona średnicą otworu anody.

27 Osłona Wehnelta. Posiada niewielki ładunek ujemny w celu skupiania emitowanych elektronów. Wielkość ładunku osłony ma wpływ na jasność katody wyznaczana odległością końcówki włókna od ścian osłony Wehnelta. osłona Wehnelta anoda zasilanie Wehnelta zasilanie katody katoda d _ 0 + _ + wysokie napięcie Minimalne zasilanie osłony Wehnelta! uziemienie

28 Osłona Wehnelta. Posiada niewielki ładunek ujemny w celu skupiania emitowanych elektronów. Wielkość ładunku osłony ma wpływ na jasność katody wyznaczana odległością końcówki włókna od ścian osłony Wehnelta. osłona Wehnelta anoda zasilanie Wehnelta zasilanie katody katoda d _ 0 + _ + wysokie napięcie uziemienie Optymalne zasilanie osłony Wehnelta! Minimalna wartość d.

29 Jasność katody Haine ME. i Einstein A. (1952) serie doświadczeń z emisją elektronów z katody; wprowadzenie jasności świecenia katody. gdzie, J c jest gęstością prądu katody, e ładunkiem, V napięciem przyspieszającym, k stałą Boltzmanna (8.6x10-5 ev/k), T temperatura. J c = A c T 2 exp E w k T β= J c ev πkt Energia pracy pracy (Temp.) (T) Ucieczka elektronu Jasność wzrasta więc wraz z napięciem przyspieszającym oraz paradoksalnie z temperaturą włókna wolframowego! Gęstość prądu katody rośnie bowiem wraz z temperaturą. Energia Fermiego wolfram próżnia

30 Gęstość prądu katody (natężenie) można zapisać równaniem Richardsona: A c stała dla materiału emitującego (120 Acm -2 K -2 ), T temperatura emisji (K), E w energia pracy (ev), J c = A c T 2 exp E w k T k stała Boltzmanna (8,6x10-5 ev/k) Gęstość prądu katody polowej zależy głównie od efektywności pola elektrycznego. Dla katody wolframowej w polu elektrycznym powyżej 0.3 ev gęstość prądu wyniesie: Acm -2 Dla zwykłej katody wolframowej przy temperaturze 2700 K gęstość prądu wyniesie: 3,4 Acm -2 Dla katody LaB 6 przy temperaturze 1800 K gęstość prądu wyniesie: 40 Acm -2

31 Przesłony. 1. Wykonane z platyny lub molibdenu (pochłanianie energii z rozproszonych elektronów. 2. Wymienne w zależności od potrzeb użytkownika. 3. Maksymalnie cienkie (ograniczenie tworzenia warstwy zanieczyszczenia. Przesłony kondensorowe ograniczają iluminację preparatu, zmieniają kąt aperturowy, ograniczają powstawanie promieniowania X w kolumnie mikroskopu. Umiejscowienie tuż pod drugą soczewką kondensorową. Średnica od 80 do 400 µm Przesłony obiektywowe zmniejszają aberracje sferyczną i chromatyczną, zmieniają kąt aperturowy. Umiejscowienie w obrębie szczeliny soczewki obiektywowej. Średnica od 80 do 300 µm

32 Schematyczny układ optyczny mikroskopu elektronowego transmisyjnego. preparat obraz pośredni obraz ostateczny K OW A SK1 P SK2 P SO SPo P SPr Ek K katoda OW osłona Wehnelta A anoda SK1 pierwsza soczewka kondensora SK2 druga soczewka kondensora P przesłony SO soczewka obiektywu SPo soczewka pośrednia SPr soczewka projekcyjna Ek ekran fluoryzujący

33 Układ próżniowy. Pompa rotacyjna: - tworzenie wstępnej próżni, - zakres pracy (atm mbar), - obsługa pomp dyfuzyjnej, jonowej i turbomolekularnej, - mocno zanieczyszcza węglowodorami, - wprowadza wibracje i hałas. Pompa jonowa: - tworzenie próżni końcowej, - zakres pracy ( mbar), - nie zanieczyszcza węglowodorami.

34 Układ próżniowy. Pompa turbomolekularna: - tworzenie próżni końcowej, - zakres pracy (atm mbar), - lekko zanieczyszcza węglowodorami, - wprowadza wibracje. Pompa dyfuzyjna: - tworzenie próżni końcowej, - zakres pracy ( mbar), - lekko zanieczyszcza węglowodorami, - brak wibracji i hałasu.