Просвечивающий электронный микроскоп
Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) несложен. Оптическая схема электронного микроскопа просвечивающего типа аналогична схеме обычного светового микроскопа: Конденсорная линза «освещает» узким пучком электронов объект, изображение которого с помощью двух систем электронных линз – объективной и проекционной – в увеличенном масштабе переносится на конечный экран. Проходя через объект, расположенный вблизи апертурной диафрагмы объективной линзы, электроны взаимодействуют с атомами объекта и отклоняются от первоначального направления падения пучка, т.е. рассеиваются (поглощение электронов в объектах, вследствие их очень малой толщины, в большинстве случаев можно пренебречь). При этом у части электронов скорость меняется только по направлению, не меняясь по величине, что соответствует упругому рассеиванию. Скорость другой части электронов меняется и по направлению, и по величине, при этом часть энергии электронов затрачивается на ионизацию и возбуждение атомных электронов в объекте. Вследствие этого электроны, пройдя через объект, после рассеяния в нем имеют вид расходящегося пучка. При этом электроны, рассеянные на угол, больший апертурного угла объективной линзы, определяемого диаметром апертурной диафрагмы и ее геометрическим положением, поглощаются в толще материала этой диафрагмы, и в дальнейшем в формировании изображения, возникающего на экране ТЭМ, принимает участие только та часть рассеянных электронов, которая прошла через диафрагму. Таким образом, чем большей рассеивающей способностью обладает некоторый участок исследуемого объекта, тем более темным будет его изображение. Напряжение, которое используют для ускорения потока электронов в большинстве ТЭМ, достигает 50 000 – 100 000 В. Длина волны электрона при этих напряжениях составляет от 0,0055 до 0,0039 нм соответственно. Однако теоретическое максимальное разрешение, равное половине длины волны (приблизительно 0,002 нм) практически не может быть достигнуто по целому ряду причин. К ним относятся трудности изготовления деталей микроскопа с необходимой точностью, нестабильность высокого напряжения и тока в обмотках линз, а также аберрации линз, которые позволяют использовать линзы только с очень небольшими апертурами. Разрешение в 0,1 нм было достигнуто для кристаллических (периодических) материалов. Разрешение в 0,3 – 0,4 нм – для некоторых материалов с непериодический структурой. Однако для большинства биологических материалов разрешение 1 – 2 нм обычно считается приблизительным пределом; это обусловлено спецификой методов подготовки объекта и самой природой биологических объектов.
Растровый электронный микроскоп
Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (несколько нанометров) пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка с исследуемым веществом.
Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 10 крат (то есть эквивалентно увеличению сильной ручной линзы) до 1 000 000 крат, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов.
Сегодня возможности растровой электронной микроскопии используются практически во всех областях науки и промышленности, от биологии до наук о материалах.
Принцип работы
Разрешающая способность (способность различать тонкие детали) человеческого глаза, вооруженного оптическим микроскопом, помимо качества увеличительных линз ограничена длиной волны фотонов видимого света. Наиболее мощные оптические микроскопы могут обеспечить наблюдение деталей с размером 0.1-0.2 мкм[8]. Если мы захотим увидеть более тонкие детали, необходимо сократить длину волны, которая освещает объект исследования. Для этого можно использовать не фотоны, а, например, электроны, длина волны которых намного меньше. Электронные микроскопы — результат воплощения этой идеи.
Нижеследующий рисунок иллюстрирует принципиальную схему РЭМ: тонкий электронный зонд (электронный пучок) направляется на анализируемый образец. В результате взаимодействия между электронным зондом и образцом возникают низкоэнергетичные вторичные электроны, которые отбираются детектором вторичных электронов. Каждый акт столкновения сопровождается появлением электрического сигнала на выходе детектора. Интенсивность электрического сигнала зависит как от природы образца (в меньшей степени), так и от топографии (в большей степени) образца в области взаимодействия. Таким образом, сканируя электронным пучком поверхность объекта, возможно получить карту рельефа проанализированной зоны. Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, сокращенного электронными линзами, которые играют ту же роль по отношению к электронному пучку как фотонные линзы в оптическом микроскопе к световому потоку. Катушки, расположенные согласно двум взаимо перпендикулярным направлениям (x, y), перпендикулярным направлению пучка (z) и контролируемые синхронизированными токами, позволяют подвергнуть зонд сканированию подобно сканированию электронного пучка в электронно-лучевой трубке телевизора. Электронные линзы (обычно сферические магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной.
В современных РЭМ изображение регистрируется исключительно в цифровой форме, но первые РЭМы появились в начале 1960 годов задолго до распространения цифровой техники и поэтому изображение формировалось способом синхронизации развёрток электронного пучка в кинескопе с электронным пучком в РЭМ и регулировки интенсивности трубки вторичным сигналом. Изображение образца тогда появлялось на фосфоресцирующем экране кинескопа и могло быть зарегистрировано на фотопленке.
Устройство
Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (10 — 50 кэВ) на поверхности образца. Прибор обязательно должен быть оснащен вакуумной системой (в современных моделях микроскопов высокий вакуум желателен, но не обязателен). Также в каждом РЭМ есть предметный столик, позволяющий перемещать образец минимум в трех направлениях. При взаимодействии зонда с объектом возникают несколько видов излучений, каждое из которых может быть преобразовано в электрический сигнал. В зависимости от механизма регистрирования сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электронного микроскопа: режим вторичных электронов, режим отражённых электронов, режим катодолюминесценции и др.
РЭМ оснащаются детекторами позволяющими отобрать и проанализировать излучение возникшее в процессе взаимодействия и частицы изменившие энергию в результате взаимодействия электронного зонда с образцом.[9] Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхности образца, но и визуализировать информацию о свойствах под поверхностных структур.
Основные типы сигналов, которые генерируются и детектируются в процессе работы РЭМ:
вторичные электроны (ВЭ или режим рельефа)
отражённые электроны (ОЭ или режим фазового контраста)
прошедшие через образец электроны, в случае установленной STEM-приставки (используется для исследования органических объектов)
дифракции отражённых электронов (ДОЭ)
потери тока на образце (ПЭ или детектор поглощенных электронов)
ток, прошедший через образец (ТЭ или детектор прошедших электронов)
характеристическое рентгеновское излучение (РСМА или ренгеноспектральный микроанализ)
ВДА или волно дисперсионный анализ)
световой сигнал (КЛ или катодолюминесценция).
Все возможные типы детекторов, установленные на одном приборе встречаются крайне редко.
Детекторы вторичных электронов — первый и традиционно устанавливаемый на все РЭМ тип детекторов. В этом режиме разрешающая способность РЭМ максимальна. Разрешение детекторов вторичных электронов в современных приборах уже достаточно для наблюдения субнанометровых объектов[10]. Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости (0,6-0,8 мм), что на два порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать четкие микрофотографии с характерным трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом. Это свойство РЭМ крайне полезно для понимания поверхностной структуры образца. Микрофотография пыльцы демонстрирует возможности режима ВЭ РЭМ.
Отражённые электроны (ОЭ) — это электроны пучка, отражённые от образца упругим рассеиванием. ОЭ часто используются в аналитическом РЭМ совместно с анализом характеристических спектров рентгеновского излучения. Поскольку интенсивность сигнала ОЭ напрямую связана со средним атомным номером (Z) засвечиваемой области образца, изображения ОЭ несут в себе информацию о распределении различных элементов в образце. Например, режим ОЭ позволяет обнаружить коллоидные золотые иммунные метки диаметра 5-10 нм, которые очень тяжело или даже невозможно обнаружить в биологических объектах в режиме ВЭ. Микрофотография поверхности аншлифа металл-оксидной системы демонстрирует возможности режима ОЭ РЭМ.
Характеристическое рентгеновское излучение генерируется в случае, когда электронный луч выбивает электроны с внутренних оболочек элементов образца, заставляя электрон с более высокого энергетического уровня перейти на нижний уровень энергии с одновременным испусканием кванта рентгеновского излучения. Детектирование спектра характеристического рентгеновского излучения позволяет идентифицировать состав и измерить количество элементов в образце.
Дифференциальный термический анализ
Дифференциальный термический анализ (ДТА) — метод исследования, заключающийся в нагревании или охлаждении образца с определенной скоростью и записи временной зависимости разницы температур между исследуемым образцом и образцом сравнения (эталоном), не претерпевающим никаких изменений в рассматриваемом температурном интервале.Метод используется для регистрации фазовых превращений в образце и исследования их параметров. ДТА — один из вариантов термического анализа.
Спектральный анализ
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.
В последнее время, наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре. Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке и других отраслях науки.
В теории обработки сигналов, спектральный анализ также означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) почастотам, волновым числам и т. п.
Южный Федеральный Университет
Кафедра геологии.
В лаборатории микроскопии и микроанализа нам показали: - растровый электронный микроскоп(прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (несколько нанометров) пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка с исследуемым веществом.) - электронный микроскоп с вольфрамовой ниточкой - установка для подготовки образца к микроисследованиям - Рентгеновский дифрактометр, прибор для измерения интенсивности и направления рентгеновского излучения, дифрагированного на кристаллическом объекте. Рентгеновский дифрактометр применяется для решения различных задач рентгеновского структурного анализа. Он позволяет измерять интенсивности дифрагированного в заданном направлении излучения с точностью до 10-х долей процента и углы дифракции с точностью до 10-х долей минуты. С помощью рентгеновского дифрактометра можно производить фазовый анализ поликристаллических объектов и исследование текстур, ориентировку монокристальных блоков, получать полный набор интенсивностей отражений от монокристалла, исследовать структуру многих веществ при различных внешних условиях и т.д. - волновой спектрометр (лёгкая подготовка пробы, очень высокая точность) - энерго-дисперсионный спектрометр, который определяет одновременно все элементы в пробе - пресс для обработки - микромельница - печка для расплавления пробы
PANalytical AxiosmAX
Рентгеновский спектрометр PANalytical AxiosmAX с дисперсией по длине волны последовательного типа для высокоточного анализа химического состава проб от Be до U.
Новейшая, наиболее современная, надежная и универсальная разработка PANalytical из всех существующих аналогов на рынке.
Широко применяется для анализа сырьевых материалов и конечной продукции: металлов, сплавов, спрессованных и сплавленных таблеток, стекол, пластика, концентратов, пленок, гранул, свободных порошков и жидкостей.
Применяются в различных отраслях промышленности:
металлургической,
горнодобывающей,
цементной,
ферросплавной,
нефтехимической,
полимерной,
фармацевтической,
производстве керамики, стекла и т.д.
Превосходный гибкий аналитический инструмент для проведения научно-исследовательских работ, в том числе в области нанотехнологий.
Все спектрометры модельного ряда Axios внесены в Государственный реестр средств измерений, полностью безопасны для персонала, не стоят на радиационном контроле.
AxiosmAX разработан с учетом требований проведения круглосуточного экспресс-контроля в условиях нагруженного и запыленного производства. Система предварительного вакуумирования пробы, коллектор сбора пыли и оптимальное расположение трубки и оптических модулей в измерительной камере (имеющей минимальный объем) делают измерения спрессованных проб и порошков максимально безопасными, а работу прибора надежной и долговечной.
Диапазон определяемых элементов от Be до U, пределы обнаружения элементов на уровне от долей ppm до 100 %.
Модульность
Каждый прибор конфигурируется под задачи Пользователя. Все приборы PANalytical имеют модульную конструкцию, что позволяет без труда дополнять системы новыми элементами: фиксированными каналами, кристаллами для гониометра, коллектором сбора пыли, системой продувки газом, программными модулями и т.д. Значительнооблегчается сервисное обслуживание благодаря удобному, максимально эргономичному расположению всех модулей внутри спектрометра.
Сканирующий канал - гониометр
Укомплектован высокоточным гониометром с системой прямого оптического позиционирования (DOPS - воспроизводимость установки угла гониометра 0,0001о), который обеспечивает точность установки угла сопоставимую с фиксированными каналами.
Полувековой опыт исследований и эксплуатации систем PANalytical позволил добиться непревзойденных показателей точности и воспроизводимости результатов анализа. AxiosmAX с DOPS-гониометром практически не имеет аппаратной погрешности.
Кристаллы-монохроматоры
Устанавливается до 8-ми кристаллов-монохроматоров на мельницу кристаллов, в том числе изогнутые многослойные синтетические кристаллы. Классические кристаллы LiF200, LiF 220, LiF 420, Ge111 (плоский/изогнутый), PE002 (плоский/изогнутый), InSb111 (плоский/изогнутый), TIAP100 (с покрытием), PX1, PX10, PX8, PX5, PX4a, PX7, PX6 и др.
AxiosmAX может комплектоваться 1 или 2 фиксированными HiPer-каналами, повышенной по чувствительности к легким элементам: B, C, N, O, F, Na, Mg, Al. Таким образом общее количество измерительных кристаллов может достигать 10 шт.
Рентгеновская трубка
PANalytical является единственным производителем рентгеновской техники, который уже поле 50 лет разрабатывает и производит рентгеновские трубки специально для рентгеноспектрального анализа.
AxiosmAX может быть укомплектован рентгеновскими трубками различной мощности 2.4, 3.0 и 4.0 кВт. Тонкое упрочненное бериллиевое окно 50 и 75 мкм и близкое расположение окна трубки к поверхности пробы (7.5 мм)обеспечивают максимальную чувствительность определения легких элементов.
Рентгеновские трубки серии SST-mAX не имеют аналогов в мире. Изготавливаются прецизионно, по технологии "нулевого испарения" ZETA, благодаря чему обеспечивается отсутствие инструментального дрейфа и, соответственно, не требуется перекалибкровка прибора. Срок службы трубки без потери интенсивности до 12 лет.
Новое покрытие трубки CHI-BLUE обеспечивает полную герметичность, устойчивость к лучам, агрессивным средам, и, соответственно, еще более долгую службу трубки.