Растровый микроскоп – прибор, предназначенный для получения увеличенного в несколько тысяч раз изображения объекта с огромным пространственным разрешением. При работе с этим устройством учёные смогут получить информацию о структуре, строении и составе исследуемой поверхности. Изображение формируется при взаимодействии электронного пучка с образцом.
Режимы работы
Конструкция растрового электронного микроскопа позволяет получать информацию о поверхностной структуре с помощью обратно-рассеянных (ОЭ) или вторичных электронов (ВЭ). Контраст вторичных электронов определяется поверхностным рельефом, а отраженные частицы содержат информацию о распределении электронной плотности. На изображении области с элементами, имеющими большие атомные номера, будут выглядеть намного ярче.
Как правило, растровый микроскоп имеет следующие функции:
- Детектирование ВЭ.
- Детектирование ОЭ.
- Элементный микроанализ. При этом типе анализа выявляется рентгеновское излучение вещества, возникающее при электронном облучении.
- Анализ при низких ускоряющих напряжениях. Устройство способно функционировать при ускоряющем напряжении до 200 вольт. При наличии приложения замедляющего потенциала этот показатель можно уменьшить до 10 вольт. При таком анализе можно достичь равновесия между количеством эмитированных и поглощенных электронов. На образец для исследования не нужно наносить проводящее покрытие.
- Переменный вакуум. Современные модели микроскопов оборудованы системой поддержки высокого и сверхвысокого вакуума. При таком анализе образец пребывает в разряженной, но плотной для нейтрализации поверхностного заряда среде. В итоге наблюдение можно осуществлять без проводящего покрытия. При наличии охлаждающего держателя прибор сможет работать с водой и влажными образцами.
Во время анализа прибор сразу использует вторичные и обратно-рассеянные электронные. Такая комбинация частиц позволяет получить более полную информацию об исследуемом объекте.
Принцип работы растрового микроскопа
Историческая схема растрового электронного микроскопа отличается от современных моделей. Сам принцип работы особых изменений не претерпел:
- Электронный пучок направляется на исследуемый образец.
- Во время работы образуются вторичные электроны, собираемые специальным детектором.
- Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, а затем фокусируется линзами. Отклоняют его сканирующие катушки во взаимоперпендикулярных направлениях.
- Получаемые изображения регистрируются в виде нулей и единиц, а затем преобразовываются в цифровую картинку.
Работа растрового электронного микроскопа завершается, когда весь образец будет просканирован. В старых моделях изображение формировалось за счет синхронизации электронного пучка в кинескопе с электронным пучком микроскопа. Готовое изображение появлялось на кинескопе. При необходимости его можно было перенести на фотопленку.
Стандартное устройство растрового электронного микроскопа:
- электронная пушка;
- первый конденсор;
- второй конденсор;
- отклоняющие катушки;
- микрозонд;
- объектив;
- детектор ОЭ;
- детектор ВЭ;
- вакуумный насос.
Кроме перечисленных элементов, в прибор входят разные типы детекторов. Они способны генерировать и выявлять следующие типы сигналов:
- дифракции отраженных электронных частиц;
- потери тока на образце;
- ток, проходящий через образец;
- световой сигнал;
- рентгеновское излучение с определенным характеристиками;
- прошедшие через образец электронные элементы.
Все типы детекторов в одном микроскопе встречаются редко. Кроме стандартного анализа ВЭ и ОЭ, прибор может поддерживать 2-3 дополнительные опции.
Разрешение микроскопа
Разрешение метода получения изображения растровой электронной микроскопии ограничено длиной волны падающего излучения – в случае электронного микроскопа это (помимо ряда других факторов, например, диаметра пятна на образце) длина волны электронов сфокусированного пучка, падающего на образец. Мощный растровый электронный микроскоп можно использовать для просмотра деталей 0,3-0,4 нм. У оптических приборов этот показатель равен всего 0,2 мкм. Для просмотра более мелких деталей придётся сократить длину волны, которая направлена на исследуемый объект.
Пространственное разрешение оборудования определяется его электронно-оптической системой. Также оно ограничивается размером области взаимодействия объекта с зондом. Самые высокое разрешение при использовании ВЭ, а самое низкое – при рентгеновском излучении. В отличие от просвечивающих устройств, растровое обеспечивает визуализацию большей площади объекта и возможность исследования больших образцов.
Области применения растровой электронной микроскопии
Сканирующий растровый микроскоп позволяет исследовать микроморфологию и тонкую структуру поверхности крупных образцов. Этот прибор применяется во всех областях науки: химии, физике, биологии, геологии, материаловедении, криминалистики. С помощью растровых микроскопов можно:
- изучать структуру и строение микрокристаллов;
- исследовать структуру материалов при нагреве и охлаждении;
- осуществлять качественный и количественный элементный анализ;
- исследовать структуру образцов при механическом воздействии;
- анализировать токи, вызванные электронным пучком;
- осуществлять электронно-лучевую литографию;
- составлять карты распределения элементов по площади исследуемого объекта.
В техническом описании микроскопа указывают разрешение в режиме высокого и низкого вакуума, ток пучка электронов, увеличение, ионный источник, ток пучка ионов.
