Расскажите об устройстве электронного микроскопа. Во сколько раз он увеличивает изображение объекта?

Электронный микроскоп — это прибор, который «видит» очень мелкие объекты не с помощью света, как оптический микроскоп, а с помощью пучка электронов. У электронов намного меньшая длина волны, чем у видимого света, поэтому принципиально можно различать гораздо более мелкие детали.

Из чего состоит электронный микроскоп и как он устроен

1) Электронная пушка (источник электронов)

Это «аналог лампы» в оптическом микроскопе, только вместо света формируется поток электронов. В пушке:

• есть катод (часто вольфрамовая нить или более «современные» источники типа полевой эмиссии), который испускает электроны;

• есть анод, который ускоряет электроны высоким напряжением (обычно десятки–сотни киловольт).
  В итоге получается узкий и достаточно стабильный электронный пучок.

2) Вакуумная система

Пучок электронов должен лететь в вакууме, иначе электроны будут сталкиваться с молекулами воздуха и рассеиваться. Поэтому внутри колонны микроскопа поддерживается высокий вакуум (насосы, клапаны, вакуумные камеры).

3) Электромагнитные «линзы» и диафрагмы

Вместо стеклянных линз используются электромагнитные (катушки создают магнитное поле, которое фокусирует электронный пучок). Обычно есть:

• конденсорные линзы — «собирают» и формируют пучок, регулируют ток/яркость;

• объективная линза — главная для формирования увеличенного изображения или тонкого зонда;

• проекционные линзы — дополнительно увеличивают изображение (в просвечивающих микроскопах).
  Диафрагмы ограничивают часть электронов, повышают контраст, уменьшают паразитные рассеяния.

4) Узел образца (столик)

Образец закрепляют на держателе/столике. Часто столик может:

• перемещаться по осям X–Y;

• менять высоту (Z);

• наклоняться и поворачиваться.
  Требования к образцу зависят от типа микроскопа:

• в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ, TEM) образец должен быть очень тонким, чтобы электроны могли пройти сквозь него;

• в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ, SEM) смотрят поверхность, поэтому образец может быть массивнее, но обычно должен быть проводящим или покрытым тонким проводящим слоем (например, углеродом/металлом), чтобы не накапливал заряд.

5) Система сканирования (в СЭМ)

В сканирующем микроскопе электронный пучок превращают в очень тонкий «зонд» и отклоняющими катушками быстро «прочёсывают» поверхность построчно, как луч в старом телевизоре. По сигналу от каждой точки строится изображение.

6) Детекторы (что именно измеряем)

Электроны, взаимодействуя с веществом, дают разные сигналы — и от того, какой сигнал собирают, зависит тип картинки:

• в СЭМ часто регистрируют вторичные электроны (рельеф поверхности) и обратнорассеянные электроны (контраст по составу);

• в ПЭМ регистрируют прошедшие через образец электроны, получая информацию о внутренней структуре, кристаллической решётке и т. п.
  Также могут быть детекторы рентгеновского излучения для элементного анализа.

7) Система регистрации и отображения

Раньше изображение выводили на люминесцентный экран и фотоплёнку, сейчас обычно это цифровые камеры и компьютер, который собирает сигнал, строит изображение, позволяет измерять размеры и обрабатывать данные.

Во сколько раз увеличивает электронный микроскоп

Типичный диапазон увеличений зависит от конструкции и режима работы:

• Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ): обычно до 100 000× (часто рабочие увеличения десятки тысяч, у лучших систем — выше).

• Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ): обычно до 1 000 000× и более (в высокоразрешающих режимах можно получать изображения на уровне отдельных атомных рядов).

То есть электронный микроскоп увеличивает изображение примерно от тысяч до сотен тысяч раз, а в просвечивающем варианте — до миллионов раз.