2.3. Электронная микроскопия текстильных волокон

Цель работы. Изучение методики приготовления препарата и исследова­ние микроструктуры волокон методами электронной микроскопии.

Задание. 1. Ознакомиться с, устройством электронного просвечиваю­щего микроскопа ЭМ-9 и растрового микроскопа.

2. Изучить методику приготовления препарата для исследования, приго­товить реплику волокна и произвести ее съемку.

3. Изучить структуру волокон по снлмкам на электронном микроскопе.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Электронный микроскоп ЭМ-9 предназначен для лабораторных и исследовательских работ, не требующих высокой разрешаю­щей способности. Он дает возможность проводить визуальное наблюдение и фотографировать увеличенное изображение объ­екта в проходящих лучах. Микроскоп имеет следующие харак­теристики:

Гарантируемая минимальная разрешающая способность,	нм 50
Электронное увеличение	Ступенчатое - 2500 , 5500 , 7000
Ускоряющее напряжение, кВ	35
Оптическая система	Электромагнитные линзы- объективная и проекционная
Электрическое питание	Трехфазное — 380 или 220В с нулевой фазой и частотой50 Гц
Рабочий вакуум в колонне, Па	До 0,4
Время откачки воздуха из колонны до рабочего вакуума, мин	40—50 с момента включения насосов (без пленки в фото­камере) Не более 10 фотокамере)
Время сохранения рабочего вакуума в колонне при выключенном механи­ческом насосе, мин	Не менее 10
Пленка для фотографирования ис­следуемого объекта	35-миллиметровая типа «Мн-крат-200» или «Микрат-300»

Электронный микроскоп ЭМ-9 состоит из колонны, фотока­меры, вакуумной системы и системы электропитания с пультом управления.

Колонна 5 (рис. 2.15) в виде отдельного блока прикреплена к столу микроскопа под углом 45°. В ней расположены освети­тельная и электромагнитная отклоняющая системы, объектив­ная и проекционная линзы, столик для элементарной пробы, устройство / для перемещения объекта исследования и шлю­зовой стержень 4. Все пере­численные устройства предна­значены для установки иссле­дуемой пробы под электронным лучом. Рукояткой устройства 1 можно перемещать пробу на столике в плоскости, перпендикулярной электронному

Рис. 2.15. Общий вид электронного Рис. 2.16. Оптическая схема элек-микроскопа ЭМ-9 тронного микроскопа ЭМ-9

лучу. Для фотографирования исследуемого объекта на колонне микроскопа установлена фотокамера 3; слева и справа от ко­лонны на рабочем столе размещен пульт управления 2 микро­скопа. Основная рукоятка 6 вакуумного распределителя пред­назначена для регулирования вакуумной системы.

Оптическая схема микроскопа ЭМ-9 (рис. 2.16) отличается от оптической схемы обычного светового микроскопа тем, что все световые оптические элементы заменены соответствующими электрическими элементами: вместо света — электроны, вместо оптических линз — электромагнитные линзы.

Источником электронного луча является электронная пушка, состоящая из катода, управляющего электрода, анода и анодной диафрагмы. Электронная пушка излучает узкий пучок электро­нов, направляемых на исследуемый объект. Пройдя сквозь объект, электронный луч попадает в объективную линзу, кото­рая дает первое увеличенное изображение объекта. После этого электроны попадают в проекционную линзу, которая переносит электронное изображение объекта на люминесцентный экран. Под действием электронов экран начинает светиться и создает видимое изображение объекта, которое можно рассматривать в световой микроскоп или лупу.

Ограничивающая диафрагма сужает электронный поток, а электромагнитная отклоняющая система обеспечивает точное направление электронного луча по оптической оси путем пере­мещения его в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости нормальной оптической оси. Ручки управления от­клоняющей системы выведены на центральную часть пульта управления (см. рис. 2.15).

Получение контрастного изображения в электронном микро­скопе обусловлено тем, что различные участки исследуемого объекта по-разному рассеивают проходящие через них элек­троны. Через апертурную диафрагму объективной линзы прохо­дят только те электроны, которые при прохождении сквозь обра­зец отклоняются на сравнительно малые углы. В результате на экране соответствующие участки будут светлыми. Там, где имеется большее рассеивание, на экран попадают не все элек­троны, прошедшие сквозь образец, и соответствующие элементы изображения на экране будут темными. Для устранения рассеи­вания во время работы микроскопа необходимо поддерживать в колонне разрежение не менее 0,4 Па.

В отличие от электронного микроскопа просвечивающего типа растровый электронный микроскоп сканирующего типа В8-300 фирмы Тез1а (ЧССР) позволяет изучать непосредственно объект, покрытый тонкой пленкой металла (золото с палладием, серебро и др.), что предотвращает образование зарядов на его поверхности. Благодаря этому исключается стадия сложного препарирования образцов. Однако разрешающая способность растрового электронного микроскопа уменьшается.

Микроскоп ВЗ-300 дает возможность изучать поверхность объектов в режиме вторичных, отраженных и поглощенных электронов. Вторичные электроны являются источником инфор­мации с большим разрешением по поверхности образца. Вели­чина сигнала вторичных электронов определяется энергией пер­вичных электронов, излучаемых с поверхности объекта, и атомным числом объекта. Отраженные электроны, выходя из глубины объекта (до 100 нм), дают информацию о составе мате­риала, обеспечивая его контрастное изображение.

В растровом электронном микроскопе узкий пучок электро­нов двухкаскадными катушками и стигматором перемещается по поверхности объекта по строкам. Результирующее изображе­ние (растр) состоит из конечного количества строк.

Скорость растрования на микроскопе В8-300 может изме­няться от 1 до 500 м/с на строку в 9 ступенях, а число строк может быть 100, 200, 400, 800, 1600. При этом режим растрова­ния может быть следующим: растрование вдоль всей поверх­ности с вырезом изображения; однократное растрование изо­бражения для фотосъемки, сопряженное с затвором камеры; растрование вдоль строки при перемещении по оси У; точечное растрование с перемещением вдоль всей площади экрана трубки.

Плотность вторичных, отраженных, поглощенных и пропу­щенных электронов зависит от строения вещества объекта и его рельефа, что и фиксируется при детектировании. Детектором является сцинтиллятор для вторичных и отраженных электро­нов. Отраженные электроны попадают в фотоумножитель со встроенным предварительным усилителем, преобразующим элек­тронный сигнал в электрический. Полученная информация уси­ливается и передаётся на электронно-лучевые трубки, покрытые люминофором с длительным просвечиванием. Два кинескопа размером 228X170 мм используются для наблюдения и один кинескоп размером 100X75 мм — для фотографической записи. Фотографирование изображения производится фотокамерой типа РгасИка.

Ускоряющее напряжение на микроскопе составляет 1—49 кВ по ступеням с шагом 1 кВ.

Для фиксации и смены объекта, а также его пространствен­ной ориентации в камере под оптической системой установлен гониометрический столик. В процессе наблюдения образец можно перемещать, поворачивать вокруг оси на 360° (в пло­скости) и изменять угол его наклона к электронному лучу.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Приготовление препарата. При исследовании на электронных микроскопах про­свечивающего типа, например ЭМ-9, во избежание сильного нагрева вещества и связанного с этим искажения информации об изменениях его структуры готовят очень тонкий образец — до (200—300) 10~⁴ мкм либо реплику — от­печаток поверхности образца.

Для образцов и реплик необходима пленка-подложка, тонкая, прозрач-' ная для электронов, но достаточно прочная и температуростойкая. Ее гото­вят из различных материалов: коллодия, формвара, полистирола и других пластиков. Небольшое количество этого материала растворяют в легколету­чем растворителе. Каплю раствора опускают на чистую поверхность воды. При этом растворитель испаряется, а на воде остается тонкая пленка. Пленку улавливают на медную сетку с небольшим отверстием, и часть пленки, ока­завшуюся над отверстием, высушивают. Высушенная часть пленки и служит подложкой. В качестве подложек применяют также углеродные, кварцевые и другие пленки, более стойкие к действию электронов большой интенсив­ности.

Реплику исследуемого образца волокон готовят двухступенчатым спосо­бом с оттенением. Для первой реплики выбирают полистирол или другой мягкий материал с чистой и гладкой поверхностью. Для приготовления реп­лики используют пресс-форму или чистое предметное стекло. На стекло по­мещают полистирол, на полистирол — исследуемые волокна, а сверху — вто­рое стекло. Препарат под нагрузкой 100—200 сН и при температуре 100 °С в течение 2 ч находится в сушильном шкафу. При этом полистирол, размягчив­шись, обволакивает волокна (рис. 2.17, а). После того как реплика остынет в течение 3—5 мин, от полистирола отделяют волокна. Операцию выполняют аккуратно пинцетом, с использованием оптического микроскопа. При необ­ходимости применяют растворители волокон, не действующие на полистирол.

Полученную первичную реплику оттеняют хромом (в вакууме). Угол оттенения в зависимости от исследуемого объекта меняется от 30 до 60°, расстояние препарата до источника — до 12 см, время напыления — до 5 с.

Промежуточную вторичную углеродную реплику (рис. 2.17,6) готовят путем испарения под вакуумом вольтовой дуги двух углеродных стержней. Расстояние препарата от источника напыления — до 70—100 мм, сила тока, подаваемого на углероды, / = 60 мА, угол напыления 90°, время напыле­ния — до 7 с.

На заключительной стадии производят отделение углеродной реплики от полистирола (рис. 2.17, е). При этом используют желатин, который предва­рительно растворяют в дистиллированной воде, подогреваемой на электро­плитке. Капля желатина застывает на вторичной реплике и отделяется вместе с пси от полистирола. Для полного отделения полистирола весь слепок по­гружают I! толуол пли бензол, где полистирол растворяется. Реплику разре­зают (обычно под микроскопом) па квадратики площадью 2—3 мм². На квад­ратики наносят каплю разогретого желатина и помещают их в сушильный шкаф (Г = 70°С). После этого квадратики перекладывают в горячую воду на 15 мин, желатин полностью растворяется. Под окончательную реплику подводят сеточку, вылавливают реплику и помещают на предметное стекло, а затем заправляют в объектодержатель микроскопа для электронно-микро­скопических исследований.

Для исследования на растровом электронном микроскопе на образец напыляют тонкий слой металла (золото, серебро п др.) с целью снятия элек­тростатического заряда, возникающего при взаимодействии электронного пуч­ка с исследуемым веществом, а также получения контрастного изображения п предохранения исследуемого вещества от радиационных повреждений. Тол­щина напыляемого слоя А— (100—150) 10~⁴ мкм, расстояние пробы до испа­рителя—100 мм, время напыления — 5 с. Для напыления обычно исполь­зуется электронно-микроскопический вакуумный пост типа ВУП-4к.

Работа на микроскопе ЭМ-9 при съемке образца. Работа на микроскопе включает в себя следующие стадии: подготовка и пуск микроскопа, заправка образца, фотографирование изображения, выключение микроскопа после окончания работы.

Подготовка и пуск микроскопа. Перед пуском микроскопа проверяют, чтобы все выключатели пульта управления (рукоятки, тумблеры) были в положении «выключено», а предохранители на распределительной го­ловке исправны.

Убедившись, что все выключатели на пульте управления выключены, основная рукоятка 6 вакуумного распределителя (см. рис. 2.15) находится в положении «О», а реостаты — в крайних левых положениях, микроскоп под­ключают к питающей электросети. После этого пускают воду для охлажде­ния паромасляного насоса и включают механический насос, который начи­нает откачивать воздух из малой камеры вакуумного распределителя.

Через 2—3 мин после включения механического насоса основную рукоят­ку вакуумного распределителя устанавливают в положение «В» (воздух). Ме­ханический насос начинает откачивать воздух из паромасляного насоса и бал­лона предварительного разрежения. После 5—8 мин работы тумблером «на­сос ВР» включают электронагреватель паромасляного насоса. Через 30 мин после включения нагревателя основную рукоятку вакуумного распределителя поворачивают по часовой стрелке в положение «ПВ» (предварительный ва­куум), что обеспечивает предварительное откачивание воздуха из колонны микроскопа.

Для измерения разрежения тумблер с надписью «вакуумметр» переклю­чают в положение «вакуум» и наблюдают по нижней шкале прибора за ог-качкой воздуха из колонны микроскопа. При достижении разрежения 133 Па, что соответствует двадцати делениям (2 мВ) на нижней шкале, переводят основную рукоятку вакуумного распределителя в положение «ВВ» (высокий вакуум). При достижении давления 0,7 Па (10 мВ) по нижней шкале вклю­чают тумблер «низкое» (загорается сигнальная лампочка).

Затем включают объективную и проекционную линзы. Тумблер «режи­мы— вакуум» устанавливают в положение «режимы».,Устанавливая рукоятку переключателя 2 в положения «напряжение», «проект» и «объект», про­веряют соответствие показаний контрольного прибора нормальному режиму схемы:

низкое напряжение 500 В соответствует 48—50 делениям по верхней шкале;

ток проекционной линзы: I ступень — 34 мА, II ступень — 54,5 мА, III ступень—73 мА, допуск ±10 %;

ток объективной линзы изменяется в пределах 75—115 мА±10%.

После этого включают высокое напряжение тумблером «высокое» (заго­рается сигнальная лампочка). В случае сигнала лампы «перегрузка» вклю­чают высокое напряжение и проверяют состояние вакуума в микроскопе. Отсутствие свечения лампы «перегрузка» свидетельствует о том, что разре­жение в колонне микроскопа достаточное. Для контроля высокого напряже­ния переключатель 2 ставят в положение «луч». Стрелка прибора при этом должна показывать 15—17 делений верхней шкалы (соответствует 30— 34 кВ).

Тумблером «катод» включают накал нити пушки. Вращая ручку реостата «накал катода пушки», убеждаются в изменении показаний контрольного при­бора в положении «накал».

После проверки режимов включают обмотку объективной линзы.

Заправка образца. Участки образца (реплики поверхности) для исследования находят, используя обычный оптический микроскоп. Образец (окончательную реплику) на медной сеточке укладывают в колпачок, кото­рый в свою очередь вставляют в столик с помощью шлюзового стержня 4 (см. рис. 2.15). Смена исследуемого участка образца и вывод на поле микро­скопа любого его участка производится вращением рукояток устройства / по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Фотографирование изображения. Изображение фотографи­руют фотокамерой на 35-миллиметровую пленку. После зарядки камеры из колонны микроскопа откачивают воздух, который попадает в нее при зарядке камеры и вводе шлюза в колонну.

Пользуясь световым микроскопом, фокусируют изображение, а затем вво­дят держатель кассет под луч. При этом необходимо следить за сохранением вакуума. Засвеченные кадры пленки перематывают, счетчик ставят на «О», основную рукоятку вакуумного распределителя переводят в положение «О».

Выключают механический насос (паромасляный насос работает на бал­лон предварительного разрежения).

Экспозицию дают от руки спусковым тросиком. После экспозиции пере­водят кадр, выводят, если требуется, держатель кассет из-под электронного луча, включают механический насос и через 1 мин основную рукоятку пере­водят в положение «ВВ». При смене образца тумблером «катод» выключают накал катода пушки и тумблером «высокое» — высокое напряжение и после достижения рабочего вакуума последовательно включают высокое напряже­ние и накал катода пушки

Выключение микроскопа по окончании работы. Вы­ключают тумблеры накала катода, высокого напряжения, низкого напряже­ния, паромасляного насоса и вакуумметра, а тумблер «механический насос» оставляют включенным. Основную рукоятку вакуумного распределителя остав­ляют в положении «ВВ», а дополнительную переводят в положение «О» (вер­тикально). Через 25 мин после выключения электронагревателя паромасля­ного насоса основную рукоятку вакуумного распределителя переводят в по­ложение «О». Затем выключают механический насос.

Кнопку клапана, расположенную слева от основной рукоятки 6 вакуум­ного распределителя (см. рис. 2.15), оттягивают на себя и удерживают в та­ком положении в течение 1 мин. При этом механический насос заполняется воздухом, отключается электрическое питание микроскопа, прекращается по­дача воды для охлаждения паромасляного насоса [2.3].

указания по отчету

Отчет должен содержать: описание методики работы; характеристику иссле­дуемой пробы, ее фотографию и анализ.