MIKROSKOP ELEKTRONOWY OPRACOWAŁ: MICHAŁ WCISŁO
MIKROSKOP ELEKTRONOWY 1) Ogólne informacje o mikroskopach elektronowych, - MIKROSKOP ELEKTRONOWY, przyrząd elektronooptyczne, w którym powiększony obraz przedmiotu otrzymuje się za pomocą wiązki elektronowej, odchylonej i skupionej przez soczewki elektronowe; pozwala uzyskać znacznie lepszą zdolność rozdzielczą niż mikroskop optyczny (do 0,2 nm), dzięki znacznie krótszej od fal świetlnych (o kilka rzędów wielkości) długości fal de Broglie'a odpowiadających elektronom (zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest ograniczona przez efekty dyfrakcyjne). Najbardziej rozpowszechniony jest mikroskop elektronowy prześwietleniowy, w którym b. cienką (rzędu 10 nm) warstewkę badanego preparatu przenika skupiona wiązka elektronowa. Główną częścią mikroskopu elektronowego jest komora próżniowa; wyrzutnia elektronowa emituje wiązkę elektronów, które są przyspieszane polem o napięciu od kilku kv do kilku MV(najczęściej 30 150 kv) i osiągają znaczną prędkość; wiązka elektronowa skupiona przez soczewki elektronowe, średnicy rzędu kilku do 10 µm, przenika przez badany preparat, a następnie zostaje powiększona przez układ soczewek elektronowych i pada na ekran fluorescencyjny lub błonę fot., tworząc b. silnie powiększony obraz prześwietlanego preparatu. Z punktu widzenia wykorzystywanego obrazu rozróżnia się mikroskopy elektronowe : 1) prześwietlające (najczęściej stosowane) ; 2) odbiciowe; 3) zwierciadlane; 4) emisyjne; 5) cieniowe. Z punktu widzenia sposobu tworzenia obrazu rozróżnia się : 1) m.e. oświetlające jednocześnie cały obraz; 2) m.e. rastrowe analizujące preparat punkt po punkcie ; 3) m.e. polowe. Mikroskopy elektronowe są wykorzystywane gł. w badaniach krystalograf., biol., med., a także w fizyce ciała stałego. Pierwszy mikroskop elektronowy zbudowali (wg. Idei mikroskopu optycznego) w 1931 Niemcy M. Knoll i E. Ruska; pierwszy mikroskop elektronowy użytkowy wyprodukowała 1938 firma Siemens. Porównanie mikroskopu elektronowego z mikroskopem optycznym: Metoda tworzenia powiększonego obrazu przedmiotu w prześwietleniowej mikroskopii optycznej i elektronowej oparta jest na podobnych zasadach optyki. W typowym mikroskopie optycznym światło żarówki zostaje skupione przez soczewkę kondensora (lub lustro wklęsłe) i przechodzi przez częściowo przeźroczysty preparat. Obraz preparatu jest następnie powiększany przez soczewki obiektywu, okularu i odtwarzany bezpośrednio na siatkówce ludzkiego oka. Podobnie tworzony jest obraz w prześwietleniowym mikroskopie elektronowym, jakkolwiek użyte promieniowanie (światło), rodzaj soczewek, jak tez warunki odtworzenia obrazu widocznego okiem obserwatora, różnią się dość istotnie. Tabela 1 zawiera cechy charakterystyczne zasady tworzenia obrazu w porównywanych typach mikroskopów:
Cecha urządzenia: Oświetlenie Tabela 1. Podobieństwa i różnice w mikroskopach optycznych i elektronowych Mikroskop optyczny, prześwietleniowy Światło widzialne, = 400-800 nm 2 000 x 2 500 000 x, lub więcej Prześwietleniowy mikroskop elektronowy Wiązka elektronów, = 0,004 nm Maksymalne powiększenie Zdolność rozdzielcza 1 m do 0,22 nm Sposób obserwacji Bezpośredni pośredni (obraz tworzony jest na ekranie fluoryzującym) Preparaty Przeźroczyste optycznie Przeźroczyste dla wiązki elektronów (niekoniecznie przeźroczyste dla światła widzialnego) Stosowane soczewki Szklane, kwarcowe Elektromagnetyczne, elektrostatyczne BUDOWA MIKROSKOPU ELEKTRONOWEGO: Schemat układu optycznego prostego mikroskopu elektronowego działo elektronowe K1 V1 K2 P pompa dyfuzyjna Ob P Pr zbiornik próżni E V2 F pompa rotacyjna
Rys. 1. Uproszczony schemat prześwietleniowego mikroskopu elektronowego: K1, K2 soczewki kondensorowe, P preparat, Ob soczewka obiektywowa, P soczewka pośrednia, Pr soczewka projekcyjna, E ekran pokryty luminoforem, F kaseta z kliszami fotograficznymi, V zawory próżniowe 2. Wiązka elektronów Światło widzialne jest zastąpione w mikroskopii elektronowej wiązką elektronów, przyśpieszonych pod wpływem silnego pola elektrycznego. Źródłem elektronów jest tzw. działo elektronowe (rys.2). Niewielki drut wolframowy, wygięty w kształcie litery V, rozgrzany prądem do temperatury powyżej 1000 o C, emituje chmurę elektronów na skutek efektu termoemisji. Pomiędzy katodą, którą jest drut wolframowy, a anodą umieszczoną w dolnej części działa, wytworzona jest różnica potencjałów np. 1000 000 V. Elektrony, które przeszły z katody do próżni, zostają przyśpieszone polem elektrostatycznym i skierowane w stronę otworu w anodzie. Skupienie wiązki osiąga się przez wykorzystanie pola elektrostatycznego wytworzonego przez tzw. cylinder Wehnelta, który znajduje się na drodze wiązki między katodą, a anodą. Jest to soczewka elektrostatyczna, wytwarzająca ujemne pole potencjału powodujące odpychanie ujemnie naładowanych elektronów. W efekcie, wiązka zostaje wstępnie skupiona i skierowana do dalszej części kolumny mikroskopu. Katoda Cylinder Wehnelta U p Anoda Wiązka elektronów Rys. 2. Schemat działa elektronowego Zgodnie z teorią dualizmu korpuskularno-falowego, każda cząstka materii posiadająca ładunek elektryczny i rozpędzona do prędkości bliskiej prędkości światła, wykazuje cechy fali elektromagnetycznej
o długości fali zależnej od jej masy i prędkości. Energia kinetyczna elektronu o masie m o poruszającego się z prędkością v wynosi E k mo v 2 2 Elektron o ładunku e, rozpędzony w polu potencjału wytworzonego przez napięcie przyśpieszające U p uzyskuje energię równą e U, czyli p e U p mo v 2 2 eu Można zatem wyliczyć przybliżoną prędkość elektronu: v 2 m Długość fali związanej z poruszającą się cząstką materii zgodnie z równaniem de Broigle a wynosi: m v Po podstawieniu do powyższego wzoru obliczonej prędkości elektronu, wartości stałej Plancka, wartości ładunku elektrycznego i masy spoczynkowej elektronu (m = m o ), otrzymamy po uproszczeniu wzór na długość fali 12,25 U p gdzie: - długość fali w [Å] Up napięcie przyspieszające w [V] Jest to wzór wyrażający przybliżoną wartość długości fali dla niezmiennej masy elektronu. Jednakże, przy napięciach większych od ok. 6 kv elektrony osiągają tak dużą prędkość, że zaczyna być zauważalny efekt relatywistycznego przyrostu ich masy. Masa elektronu rośnie wraz z jego prędkością: o p m m o v 1 c 2 2 Podstawiając powyższe równanie do równania de Broigle`a otrzymujemy wzór na długość fali uwzględniający relatywistyczny przyrost masy elektronów: U p 12,25 U p 1 1,0210 6 Obliczając dla przykładu długość fali dla 100 000 V otrzymamy = 0,004 nm
. 0,05 0,04 DŁUGOŚĆ FALI, A 0,03 0,02 m=f(u p ) 0,01 JEM 2010 U p =200 kv m=m o 0 0 0,5 1 1,5 2 NAPIĘCIE PRZYŚPIESZAJĄCE, MV Rys. 3. Wpływ napięcia przyśpieszającego na długość fali wiązki elektronowej 4. Budowa soczewki elektromagnetycznej Schemat budowy typowej soczewki elektromagnetycznej pokazany jest na rys. 4. Cewka, zasilana prądem stałym, obudowana jest płaszczem z materiału ferromagnetycznego. W środkowej części płaszcza utworzona jest szczelina, uniemożliwiająca pełne zamknięcie pola magnetycznego w płaszczu ferromagnetycznym. Końce szczeliny są biegunami magnesu N i S, wokół których w specyficzny sposób układają się linie sił pola magnetycznego. Kształt linii pola magnetycznego jest bardzo precyzyjnie ustalany przez nabiegunniki soczewki. Najmniejszy błąd wymiarowy, lub wada materiałowa w nabiegunnikach, może silnie zakłócić kształt pola magnetycznego i spowodować wadliwe działanie soczewki. Stabilność układu powiększającego wymaga bardzo wysokiej stabilizacji prądu soczewek, od którego zależy pole magnetyczne wytworzone w soczewkach. Również niewielkie wahania napięcia przyśpieszającego, zmieniając nieznacznie prędkość elektronów, mogą spowodować drgania obrazu na ekranie. Z tego powodu, napięcie przyśpieszające jest stabilizowane z dokładnością lepszą niż 0,1 V (zmiany napięcia nie powinny przekraczać ±10-6 wartości nominalnej). Podobnie wysoką dokładność stosuje się również przy stabilizacji prądu soczewek elektromagnetycznych.
x N N S S nabiegunniki cewka okrycie z materiału ferromagnetycznego Rys. 4. Schemat działania soczewki elektromagnetycznej: kąt odchylenia toru wiązki jest tym większy, im większa jest odległość x elektronu od osi układu 5. Układ próżniowy Wiązka elektronów może być emitowana w mikroskopie jedynie w warunkach wysokiej próżni. Próżnia we wnętrzu kolumny jest wytwarzana na drodze wielostopniowego pompowania za pomocą systemu pomp i zaworów kierujących kolejnymi etapami pompowania. Uproszczony schemat systemu próżniowego pokazano na rys. 1. W rzeczywistości system zaworów sterujących w układzie próżniowym jest bardziej złożony. Umożliwia on między innymi odpompowanie powietrza z wstępnej komory (śluzy) przez którą wprowadza się próbkę do wnętrza kolumny bez zapowietrzenia mikroskopu. W mimośrodowym wirniku pompy umieszczone są łopatki, którymi powietrze wtłaczane jest do otworu wylotowego ukrytego pod warstwa oleju. Olej ma na celu uszczelnienie zaworu, oraz układu łopatek i komory wewnętrznej. W ten sposób można osiągnąć próżnię ok. 10-3 Tr. Jest to jednak próżnia niewystarczająca do pracy mikroskopu. Dokładniejsze usunięcie resztek powietrza z kolumny uzyskuje się poprzez otwarcie zaworów łączących wnętrze kolumny z pompą dyfuzyjną i rotacyjną. Resztki gazów pompowane są wtedy przez pompę dyfuzyjna do zbiornika próżni, a stąd odciągane przez pompę rotacyjna na zewnątrz. Pompa dyfuzyjna wytwarza próżnię ok 10-4 Tr, co wystarcza do uzyskania sprzyjających warunków dla emisji wiązki elektronowej. Może ona jednak pracować tylko w warunkach wstępnej próżni wytworzonej przez pompę rotacyjną, poniżej 10-2 Tr. Zasada działania pompy (rys.5b) opiera się na zjawisku wytwarzania się różnicy ciśnień w strefach parowania i kondensacji par cieczy. W układzie pompy dyfuzyjnej, olej silikonowy znajdujący się w dolnym zbiorniku, jest podgrzewany do temperatury wrzenia i pary oleju wyrzucane są dyszami na boczne ścianki cylindra pompy. Na chłodzonych ściankach pompy, pary oleju zostają skroplone i ponownie
spływają do zbiornika. Ciągły obieg wrzenia i skraplania par oleju powoduje różnicę ciśnień między górnym a dolnym otworem pompy, dając efekt pompowania. Wśród nowoczesnych pomp wytwarzających wysoką próżnię, w systemach mikroskopów elektronowych wykorzystuje się często pompy jonowe lub molekularne (rys. 5c,d). Pompa jonowa jest podłączona bezpośrednio od kolumny mikroskopu i nie ma otworu odprowadzającego gazy na zewnątrz. Zasada działania pompy jonowej polega na jonizowaniu cząsteczek gazy pod wpływem wysokiego napięcia (5 kv) i adsorbowania ich przez gąbczastą metaliczną (tytanową) powierzchnię katod. Po dłuższym czasie, pompa jonowa ulega zatkaniu, ponieważ porowate nawierzchnie elektrod nie mogą już więcej wchłonąć gazu i wtedy należy przeprowadzić zabieg oczyszczenia katod przez podgrzanie ich w warunkach dostatecznie wysokiej próżni i uwolnienia zaadsorbowanych gazów. Pompy molekularne przypominają budowa zwykłe pompy wirnikowe, gdzie obracająca się turbina powoduje efekt pompowania gazu. Pompa molekularna pracuje jednak w wysokiej próżni wytworzonej wstępnie przez pompę rotacyjną. W związku z tym, turbinka wirnika może osiągać bardzo duże szybkości obrotowe, które umożliwiają mechaniczne wyrzucenie drobin gazu do wlotu pompy rotacyjnej. Zaletą pompy molekularnej, jak też jonowej, jest duża czystość próżni i zmniejszenie efektu kontaminacji na obserwowanych preparatach elektronomikroskopowych. a) b)
c) d) Rys. 5. Pompy stosowane w układach próżniowych mikroskopów elektronowych: a) pompa rotacyjna; b) pompa dyfuzyjna; d) pompa jonowa; e) pompa molekularna Porównanie mikroskopów TYP MIKROSKOPU ŚWIETLNY ELEKTRONOWY SKANINGOWY ELEKTRONOWY TRANSMISYJNY Emisja światło wiązka elektronowa wiązka elektronowa Ośrodek atmosfera próżnia(pon.10-4 Pa) próżnia(pon.10-5 Pa) Rozdzielczość 1 m 4 nm~ 0,2 nm~ Kontrast pochłanianie/odbicie efekt elektronów rozpraszanie dyfrakcja wtórnych Obiektyw obiektyw optyczny szklany obiektyw elektromagnetyczny obiektyw elektromagnetyczny Głębia ostrości płytka bardzo głęboka głęboka Metoda zmiany powiększenia wymiana obiektywu szerokość skanowania wzbudzanie powiększenia układu obiektywu Grubość próbki 0,5 m min 10 mm max 1 m max Przygotowanie próbki łatwe względnie łatwe niełatwe Mikroskop skaningowy Mikroskop skaningowy należy do grupy mikroskopów elektronowych, w których wiązka elektronów wytwarzana jest w podobny sposób, jak w przypadku TEM. Podobny jest również układ próżniowy, tak jak w każdym mikroskopie elektronowym. Wiązka, emitowana przez działo elektronowe, skupiona przez układ kondensora, następnie jest kierowana na powierzchnię masywnego preparatu. Preparatem może być zwykły zgład metalograficzny. Na drodze wiązki elektronów znajdują się elektromagnesy odchylające wiązkę w kierunku X-X i w kierunku do niego prostopadłym, Y-Y. Silnie skupiona wiązka, o średnicy 0,1-1 m biegnie po powierzchni preparatu podobnie jak plamka na ekranie telewizora. Jednak jej ruch po powierzchni próbki jest ograniczony do bardzo małych odległości X i Y. Obok próbki znajduje się licznik elektronów odbitych od powierzchni próbki, które wpadając do niego powodują powstanie sygnału prądowego. Sygnał jest wzmacniany elektronicznie i przesyłany do monitora TV, w którym intensywność świecenia plamki na ekranie jest proporcjonalna do sygnału z detektora. Plamka na kineskopie przesuwa
się z taką samą częstotliwością, jak wiązka po powierzchni próbki. Na monitorze zatem tworzy się obraz odpowiadający topografii powierzchni od której zostały odbite elektrony. Powiększenie obrazu w mikroskopie skaningowym jest równe stosunkowi szerokości ekranu monitora do szerokości pola, po którym przebiega wiązka skanująca powierzchnię próbki. Zmianę powiększenia uzyskuje się zmniejszając, lub zwiększając odchylenie wiązki biegnącej po powierzchni próbki w kierunku X i Y. Zdolność rozdzielcza mikroskopu zależy przede wszystkim od średnicy wiązki: im mniejsza wiązka, tym większą uzyskuje się rozdzielczość obrazu. Na ogół jednak, powiększenia uzyskiwane za pomocą mikroskopu skaningowego nie przekraczają jednak kilkudziesięciu tysięcy razy. Są znacznie mniejsze niż w przypadku mikroskopów prześwietleniowych. Wiązka elektronów padających na powierzchnię próbki nie tylko powoduje odbicie elektronów. Część elektronów zostaje pochłonięta, a utworzony prąd może być użyty do wytworzenia obrazu elektronów pochłoniętych. Obraz tworzy się na monitorze TV tak samo jak w poprzednim przypadku dla elektronów odbitych, z tym jednak, że intensywność świecenia plamki na monitorze jest związana z wartością prądu wiązki pochłoniętej. Padające na próbkę wysokoenergetyczne elektrony wybijają z atomów elektrony wtórne. Badanie widma promieniowania wtórnego i dyfrakcji elektronów wtórnych i odbitych dostarcza ciekawych informacji, m.in. o strukturze krystalograficznej materiału. Zastosowanie skaningowego mikroskopu skaningowego do badań metaloznawczych: 1. Duża głębia ostrości mikroskopu skaningowego czyni go szczególnie przydatnym do badań fraktograficznych czyli do badań topografii przełomów. Polegają one na obserwacji powierzchni przedmiotów utworzonych w wyniku działania naprężeń prowadzących do rozdzielenia materiału. Pozwala to poznać mechanizmy procesu pękania, ciągliwy, transkrystaliczny, zmęczeniowy.ponieważ pęknięcie rozwija się najczęściej w najbardziej osłabionych obszarach próbki, na przełomie mogą być ujawnione różne szczegóły strukturalne, np. wydzielenia obcych faz, wady materiałowe w postaci porów, pustek i mikropęknięć. Próbki do badań nie wymagają specjalnego przygotowania, stawiane są tylko ograniczenia co do ich wielkości. 2. Do badań morfologii powierzchni badanie jakości powierzchni powłok ochronnych badanie uszkodzeń warstwy wierzchniej różnych elementów do diagnozowania zniszczeń korozyjnych ogniska i produkty korozji 3. Badań struktury czyli budowy wewnętrznej tworzyw ( określenie mikrostruktury stopw, badanie jakości warstwy nawęglonej czy naazotowanej)
PRZEKRÓJ KOLUMNY MIKROSKOPU ELEKTRONOWEGO SKANINGOWEGO SME
DANE TECHNICZNE : Elektronowy Mikroskop Skaningowy JED TECHNICS LTD JAPAN JSM -6360 Zdolność rozdzielcza 4nm. Powiększenie x 15 do x 200000. Napięcie przyspieszające 0,5 do 30 kv. Rodzaj obrazu - tworzony z elektronów wtórnych. Odległość robocza (working distance) 8 do 48mm. Max wymiary preparatu: d = 76mm, h = 10mm. Jego najnowszy nastepca (JSM-6360) z calkowicie nowym rozwiazaniem kolumny, softwarem do obrobki obrazu i innymi mozliwosciami kosztuje od 120.000,00 do 220.000,- Euro w zaleznosci od wyposazenia. Wersja najdrozsza to JSM-6360LA (L- to symbol "low vacuum" - zmiennej prozni, A- analytical tzn wyposazony w spektrometr EDS do analizy ilosciowej i jakosciowej).
Jesli chodzi o mikroskopy skaningowe z emisja polowa to cena waha sie od 300.000,00 do 400.000,00 Euro w zaleznosci od przystawek. Dzis zainteresowanie mikroskopami skaningowymi tylko z wysoka proznia jest znacznie mniejsze. Wiekszosc Klientow chce miec (w miare posiadanych srodkow) mikroskopy ktore umozliwiaja prace w niskiej i wysokiej prozni.funkcja ta jest przelaczana przy pomocy przycisku. Daje to wieksze mozliwosci badawcze, preparaty niemetaliczne, ceramike, tekstylia, wlokna sztuczne mozna ogladac bez napylania i bez zadnego przygotoania nie zaburzajac struktur. Ma to oczywiscie tez bardzo duze znaczenie dla biologow, bo konstrukcja ta pozwala ogladac preparaty o duzym stopniu uwodnienia.