ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП В ГАРАЖЕ

Таймлайн развития электронной микроскопии

Время на прочтение

Эта статья — продолжение серии материалов про электронный микроскоп в гараже. На всякий случай вот ссылка на первый выпуск.

Наш проект подошёл к тому этапу, когда нужен детектор (электронов, вторичных или упруго-отражённых). Но прежде расскажу вам, зачем именно этот детектор нужен и как учёные пришли к его современной конструкции.

Для наглядности сделаем это в виде таймлайна.

1935 г.

Ток луча измерялся микроамперами, поэтому можно было усиливать сигнал с проводящего образца с помощью уже разработанных тогда электронных ламп. Вот так и появился детектор поглощённого тока (absorbed current / specimen current).

На самом деле Knoll получил настоящее изображение во вторичных электронах. Потому, что поглощённый образцом ток — сколько электронов в него ударилось (сканирующий луч) минус те, что отлетели или были вторично эмитированы.

Увеличение варьировалось от 1х до 10х путём изменения амплитуды колебаний электронного луча в микроскопе (что кстати ранее продемонстрировал В. Зворыкин в оптическом микроскопе, оснащённом телевизионной камерой). Для получения большего увеличения нужно уменьшать диаметр луча.

Отличие от световой микроскопии

Отсюда диаметральная противоположность световой и электронной микроскопий: если в световой нужно увеличить изображение образца (просвечивающее или отражённое), то в электронной нужно как можно сильнее уменьшить изображение источника излучения. Исключение составляют лишь просвечивающие электронные микроскопы, но об этом я уже писал.

1937 г.

Разработаны современные электростатические фотоэлектронные умножители, далее для краткости — ФЭУ. Разработка ФЭУ в США велась корпорацией RCA, в которой также работал и В. Зворыкин над электронным микроскопом.

Пример ФЭУ с подключённой электроникой. Тот самый ФЭУ производства RCA, тип 4517.

ФЭУ — это очень чувствительное устройство, пригодное для регистрации отдельных фотонов. Его коэффициент усиления составляет порядка 100 миллионов.

Принцип действия очень простой. Через входное окно из кварцевого стекла фотоны попадают на фотокатод.

Фотокатод эмитирует электроны, которые летят к специальным электродам — динодам, расположенным последовательно. Коэффициент вторичной эмиссии динодов больше единицы: влетел один электрон, а вылетело больше одного. Таким образом получается лавинообразное увеличение количества электронов, которые в конце достигают анода, с которого и снимается полезный сигнал. Между динодами поддерживается разность потенциалов с помощью резистивного делителя, поэтому ФЭУ и называется электростатическим.

В этом ФЭУ диноды расположены нелинейно:

1938 г.

Manfred von Ardenne применил уже открытые электростатические и электромагнитные линзы (на рисунке сверху они показаны для фокусировки луча в электронно-лучевой трубке) для уменьшения диаметра электронного луча вплоть до 4 нм.

Но ток луча стал таким маленьким (

A, т.е. около 0.1 пА), что усилить его с помощью тёплого лампового усилителя было невозможно: полезный сигнал был гораздо меньше шума.

Пришлось записывать получаемое изображение на просвет (или на отражение) на плёнку, со временем экспозиции около 20 минут. Для наведения фокуса была отдельная система с цельным кристалликом сульфида цинка, рассматриваемого в оптический микроскоп.

1942 г.

В тоже самое время над электронным микроскопом работал Владимир Зворыкин. Он сконструировал сканирующий электронный микроскоп в современном его понимании: электронно-оптическая колонна, камера с образцом, вакуумная система. Сканирование по стандарту на ТВ в то время в США: 441 строка, 30 кадр/с. Но при уменьшении диаметра луча меньше 1 микрона ток становился слишком маленьким и в результате усиления был только шум.

Следующей попыткой было увеличить ток луча и применить катод с полевой эмиссией. Для этого опять пришлось вернуться к запаянной стеклянной трубке забыв о смене образцов. Зато удалось экспериментально получить увеличение 8000х.

Вновь вернувшись к сканирующему электронному микроскопу с отключаемой вакуумной системой, Владимир Козьмич предложил следующее решение:

Расположить люминисцентный экран рядом с образцом, а уже затем детектировать испускаемые им фотоны с помощью ФЭУ (разработкой ФЭУ занималась та же компания, в которой работал Зворыкин).

Преимущество этого решения с двойным преобразованием (электроны — фотоны — электроны) в том, что можно уменьшить скорость сканирования и таким образом увеличить соотношение сигнал/шум до необходимого.

Отсюда пошёл режим медленнего сканирования (slow scan), который есть и в современных электронных микроскопах. Но из-за этого режима изображение больше не выводилось в реальном времени, а записывалось специальным факсимильным аппаратом (видимо, производства той же фирмы). И опять возникает та же проблема с настройкой фокуса, но решение ещё раньше предложил von Ardenne: наблюдая одну линию сканирования на осциллографе настраивать фокус так, чтобы преобладали высокие частоты.

Интересно то, что образец имел потенциал +800В, катод был заземлён, а электроны ускорялись анодом до 10кэВ. Таким образом, в люминисцентный экран электроны врезались с энергией 9.2кэВ. Нужно это было для работы четвёртой, иммерсионной электростатической линзы, которая должна была влиять только на вторичные электроны, а не исходный луч.

1947 г.

Palluel опубликовал работу, в которой экспериментально показал зависимость эмиссии упругоотражённых электронов от атомного номера элемента для электронного луча энергией 20кэВ. Чем больше номер, тем больше эмиссия электронов. Это явилось достаточно важным открытием, но получить первое изображение с контрастом по атомному номеру удалось лишь в 1957 г.

В настоящее время с развитием полупроводниковых детекторов отражённых электронов получить такой контраст не составляет труда. Вот, например, фотография из прошлого видео про антимонид галлия:

Даже при ускоряющем напряжении 15кВ композиционный контраст сильно заметен.

1960 г.

Thomas Everhart и Richard Thornley разработали улучшенный вариант детектора электронов, который и называется в их честь: Детектор Эверхарта-Торнли. Это самый распространённый детектор, используемый в сканирующих электронных микроскопах по сей день. Фактически, сам принцип остался неизменным с 1942 года. Новизна добавилась в детектировании упруго-отражённых электронов, где широко используются полупроводниковые датчики.

Что же такого предложили Everhart и Thornley? Схематично это выглядит так:

В вакуумной камере микроскопа рядом с образцом располагается клетка Фарадея 1. Внутри неё находится люминисцентный экран 3 (сцинтиллятор), излучающий фотоны при попадании электронов. Эти фотоны по световоду 2 выходят за пределы вакуумной камеры и попадают в ФЭУ, где на фотокатоде обратно преобразуются в электроны и многократно усиливаются за счёт эмиссии вторичных электронов на динодах внутри ФЭУ.

Чтобы не делать иммерсионную линзу, как Зворыкин, и не держать предметный столик под потенциалом 800 В, клетка Фарадея 1 выполняет функцию коллектора: на неё подаётся положительный потенциал около 200 — 400 В, который притягивает вторичные электроны с низкими энергиями, но практически не оказывает влияния на основной электронный луч.

Но электроны с энергиями порядка сотен эВ не приведут к возбуждению люминофора и излучению достаточного количества фотонов. Поэтому, на сцинтиллятор 3 (если он металлизирован, если нет, то придётся сделать вокруг него электростатическую линзу) подаётся ускоряющее напряжение порядка +12кВ, что гарантированно возбудит люминофор. Кстати, если бы не было клетки Фарадея 1, то это напряжение оказало бы значительное влияние на основной луч, сильно отклонив его.

Казалось бы, достаточно много лишних преобразований, но «просто это работает».
В начало статьи я вынес фотографию вакуумной части детектора Эверхарта-Торнли, где можно наглядно видеть клетку Фарадея, металлизированный сцинтиллятор, провода, подводящие ускоряющее напряжение и прочее.

А вот так фотоэлектронный умножитель видит

В следующих сериях

Теперь можно самостоятельно изготовить детектор Эверхарта-Торнли для нашего JEOL’а, усилитель поглощённого тока, и попробовать сделать полупроводниковый детектор отражённых электронов.

С момента первой публикации прошёл один год. За это время удалось очень многое узнать, во многом разобраться, и поделиться этим с вами. Познакомиться с очень интересными людьми, которые сильно помогли проекту. И, написать десять статей про электронный микроскоп в гараже.

С наступающим Новым Годом!

1. П.Хокс. Электронная оптика и электронная микроскопия. Москва 1974.
2. T HE SCANNING ELECTRON MICROSCOPE. A Small World of Huge Possibilities.
3. S CANNING ELECTRON MICROSCOPY 1928 — 1965. D. McMullan, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, UK.
4. www.rfcafe.com/references/radio-craft/scanning-electron-microscope-september-1942-radio-craft.htm
5. Быков Ю. А., Карпухин С. Д. Растровая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ. Учебное пособие. М ГТУ им. Н.Э. Баумана.

Электронный микроскоп в гараже

Позвонил мне как-то друг и говорит: нашёл интересную штуку, нужно привезти к тебе, весит полтонны. Так у меня появилась колонна от сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-50A. Её давно списали из какого-то НИИ и вывезли в металлолом. Электронику потеряли, а вот электронно-оптическую колонну вместе с вакуумной частью удалось спасти.

До этого момента я не имел дела с подобным научным оборудованием, не говоря уже о том, чтобы уметь им пользоваться и представлять, как оно работает. Чтобы восстановить этот микроскоп хотя бы до состояния «рисуем электронным лучом на люминесцентном экране» потребуется:

Имея на вооружении научный метод я попробую освоить совершенно новые области, которыми никогда не занимался ранее. Приглашаю сделать это вместе со мной.

Восстановление микроскопа после как минимум десятка лет — под катом.

DISCLAIMER: Помните, безопасность превыше всего! Я не несу никакой ответственности за то, что вы случайно нанесёте вред своему здоровью или создадите чёрную дыру, используя знания из этой статьи

Интересно не просто запустить старую железяку в рабочее состояние, но и проверить, возможно ли используя научный метод освоить совершенно новые области.

Поэтому прежде, чем что-то делать, всегда полезно понять, как оно работает.

Принципы работы электронных микроскопов

Есть два типа электронных микроскопов:

Просвечивающий электронный микроскоп

ПЭМ очень похож на обычный оптический, только исследуемый образец облучается не светом (фотонами), как в оптическом микроскопе, а электронами.

Длина волны электронного луча намного меньше, чем фотонного, поэтому можно получить существенно большее разрешение.

Фокусировка и управление электронным лучом осуществляется с помощью электромагнитных или электростатических линз. Им даже присущи те же искажения (хроматические аберрации), что и оптическим линзам, хотя природа физического взаимодействия совершенно иная. Она, кстати, добавляет ещё и новых искажений (закручивание электронов в линзе вдоль оси электронного пучка, чего не происходит с фотонами в оптическом микроскопе).

У ПЭМ есть недостатки: исследуемые образцы должны быть очень тонкие, тоньше 1 микрона, что не всегда удобно в домашних условиях. Например, чтобы посмотреть свой волос на просвет, его нужно разрезать вдоль хотя бы на 50 слоёв. Это связано с тем, что проникающая способность электронного луча гораздо хуже фотонного. К тому же, ПЭМ за редким исключением достаточно громоздки. Вот этот аппарат, изображённый ниже, вроде бы и не такой большой (хотя выше человеческого роста, и имеет цельную чугунную станину), но к нему идёт ещё блок питания размером с большой шкаф, итого занимая целую комнату.

Но разрешение ПЭМ — наивысшее. С помощью него (если сильно постараться) можно увидеть отдельные атомы вещества. ( Фото отсюда).

Особо полезно такое разрешение для идентификации возбудителя вирусного заболевания. Вся вирусная аналитика 20 века была построена на базе ПЭМ, и только с появлением более дешёвых методов диагностики популярных вирусов (напр. П ЦР), рутинное использование ПЭМов для этой цели уже не встречается.

Например, вот как выглядит грипп H1N1 «на просвет»: (фото отсюда)

Сканирующий электронный микроскоп

SEM применяется в основном для исследования поверхности образцов с очень высоким разрешением (увеличение в миллион крат, против 2 тысяч у оптических). А это уже гораздо полезнее в хозяйстве 🙂

К примеру, кто-то смотрит на новую зубную щётку:

В сканирующем микроскопе узко сфокусированный электронный луч «сканирует» поверхность образца точка-за-точкой, а всевозможные датчики улавливают то, что вылетает из образца после ударов электронами.

— электроны с различными энергиями
— оптическое излучение видимого, инфракрасного, ультрафиолеотового диапазонов
— рентгеновское излучение
—

Принцип работы сканирующего электронного микроскопа немного похож на работу электронно-лучевой трубки телевизора (в которой есть и глубокий вакуум, и электронная пушка, и система фокусирующих и отклоняющих линз). Вот, кстати, как он работает при съёмке 1000 кадр/с:

То же самое должно происходить и в электронно-оптической колонне микроскопа, только облучается образец, а не люминофор экрана, и изображение формируется на основе информации с датчиков (вторичных электронов, упруго-отражённых электронов, и прочих).

И кинескоп телевизора, и электронно-оптическая колонна микроскопа работают только под вакуумом.

Вдохновившись картинками, приступаем к работе.

Электронно-оптическая колонна

Электронно-оптическая колонна микроскопа — это вакуумная камера, в которой расположены:

Электронная пушка (со снятым цилиндром Венельта):

Управляемый предметный столик (расположен внутри колонны, доступ к нему через специальный шлюз, снаружи его расположение можно узнать по обилию ручек для перемещения и наклона)

Разборка, очистка, покраска

Самое первое, что захотелось сделать — это всё основательно отмыть и покрасить поржавевшие детали. Защитные кожухи сверху и сбоку были сняты, под ними оказалось ещё больше пыли, а сталь успела местами соржаветь от действия влаги и воздуха. Хорошо, что сама колонна сделана из нержавейки и так легко не окисляется.

Вакуумная часть (под колонной) в процессе разборки выглядела как-то так:

Снимаем снизу всю вакуумную арматуру, остатки блока управления вакуумом, диффузионный насос, зачищаем и красим дно полуматовой чёрной краской, чтобы было красиво. Сверху снимаем защитные кожухи, видим тридцатилетнюю пыль, всё моем, шкурим и красим. Вот было/стало для сравнения:

Разобравшись с железяками я разблокировал антивибрационную пружинную подвеску колонны и попробовал вывесить колонну в рабочее положение (двухсантиметровый стальной лист и несколько утяжелителей обеспечивают солидность покачивания).

Все части проекта:

Жду ваших комментариев и вопросов, до встречи в следующих сериях!

Поперечный срез клетки бактерии сенной палочки, снятый при помощи аппарата «Tecnai T-12». Масштаб шкалы —

Просве́чивающий (трансмиссио́нный) электро́нный микроско́п (ПЭМ, англ, TEM — transmission electron microscope) — устройство для получения изображения с помощью проходящего через образец пучка электронов.

Отличается от других типов электронных микроскопов тем, что электронный пучок просвечивает образец, неоднородное поглощение электронов разными участками образца дает двумерную картину распределения плотности прошедшего электронного потока. Прошедший через образец поток затем фокусируется на регистрирующей поверхности магнитными электронными линзами (электронной оптикой) в увеличенном размере. В качестве регистрирующей поверхности применяют флуоресцентные экраны, покрытые слоем люминофора, фотоплёнку или фотопластинку, или приборы с зарядовой связью (на ПЗС-матрице). Например, на слое люминофора образуется светящееся видимое изображение.

Так как поток электронов сильно поглощается веществом, изучаемые образцы должны иметь очень маленькую толщину, так называемые ультратонкие образцы. Ультратонким считается образец толщиной менее .

Первый практический ПЭМ; экспозиция в музее Мюнхена (Германия)

Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской 9 марта 1931 года.

Первый пригодный для использования ПЭМ был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 году на основе принципов, предложенных ранее Кноллем и Руской.

В 1986 году Эрнсту Руске за создание ПЭМ была присуждена Нобелевская премия.

Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено:

— числовая апертура.

где  — показатель преломления среды, в которой ведется наблюдение;
 — угловая апертура.

Из формулы следует, что в оптическом микроскопе принципиально не может быть получено разрешение чем немного менее длины волны освещающего света, так как показатель преломления не может быть очень большим, практически, в иммерсионных микроскопических объективах около 1,5, а синус угла всегда меньше 1.

В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны видимого света (длины волн ) путём использования пучка электронов, так как де-бройлевская длина волны электрона даже при не слишком больших его энергиях на много порядков меньше длины волны видимого света.

Поток электронов в электронном микроскопе создаётся посредством термоэлектронной или автоэлектронной эмиссии. В первом случае электроны испускаются раскалённой проволокой из вольфрама (см. нить накаливания) или раскалённым монокристаллом гексаборида лантана.

Испущенные электроны ускоряются высокой разностью потенциалов и «освещает» образец. Прошедший через образец поток пространственно модулирован по плотности электронного тока, в зависимости от «прозрачности» участков образца для электронов и далее фокусируется на регистрирующей поверхности электромагнитными (или в микроскопах с низким разрешением — электростатическими) линзами в многократно увеличенном размере.

В состав ПЭМ входят следующие компоненты:

Коммерческие ПЭМ могут содержать дополнительные устройства, например, сканирующую приставку, позволяющую работать в режиме растрового ПЭМ).

Вакуумная система откачки до рабочего давления состоит из нескольких ступеней:

С помощью насоса 1-й ступени достигается давление, требуемое для работы насоса 2-й ступени (низкий вакуум). Насос 2-й ступени снижает давление до необходимой рабочей величины.

Части ПЭМ могут быть разделены:

Сетка для поддержки образцов ПЭМ со срезом, полученным с помощью ультрамикротома

Предметный столик предназначен для удерживания образца во время облучения электронами и состоит из следующих элементов:

Образцы либо помещаются на специальную сетку, либо вырезаются в форме держателя образца (самоподдерживающиеся образцы).

Держатель пригоден для фиксации как сеток, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Распространённый диаметр сетки ПЭМ — .

Электронный прожектор (электронная пушка) предназначена для получения пучка электронов с помощью термоэлектронной (термоэлектронные пушки) или полевой (автоэмиссионные пушки) эмиссии.

Катод из монокристалла LaB6 (гексаборид лантана)

Вольфрамовый нагреваемый катод в форме изогнутой проволочной шпильки

Термоэлектронная прожектор состоит из трёх элементов:

Принцип работы цилиндра Венельта

При нагревании вольфрамовая нить или заострённый кристалл гексаборида лантана испускают (эмитируют) электроны (см. термоэлектронная эмиссия). Ускоряясь под действием разности потенциалов (напряжения смещения), значительная часть электронов проходит через диафрагму в цилиндре Венельта. Изменяя напряжение смещения на цилиндре Венельта можно регулировать ток электронного прожектора. Для уменьшения тока на венель подают отрицательное относительно катода напряжение. Чем больше по модулю это отрицательное напряжение смещения, тем меньше площадь участка катода, испускающего электроны и тем меньше эмиссионный ток.

Прошедшие через апертуру (отверстие) венельта траектории электронов пересекаются в точке, называемой кроссовером или точкой фокуса венельта и являющейся практически точечным источником электронов в электронно-оптической системе микроскопа.

Автоэмиссионная электронная пушка

При очень высокой напряжённости электрического поля на поверхности катода возникает автоэлектронная эмиссия электронов с холодного катода, так как в таких сильных полях эффективная работа выхода электронов из металла в вакуум снижается, этот явление называется эффектом Шоттки.

Для создание высокого электрического поля на поверхности катода его выполняют в виде очень тонкого острия — обычно из вольфрамовой проволоки с радиусом скругления заострённого кончика менее .

Апертуры — это металлические диафрагмы с отверстиями для прохождения электронов. диаметр и толщина пластин подбирается так, чтобы сквозь отверстия проходили только электроны, отклоняющиеся от оптической оси не более, чем на выбранный угол.

Образцы для ПЭМ должны иметь толщину 20—200 нм. Наиболее удобны образцы с толщиной, сравнимой со средней длиной свободного пробега электронов в исследуемом образце, которая зависит от энергии электронов и может быть всего несколько десятков нанометров.

Образцы имеющие достаточно малые размеры прозрачны для электронов, такие, как мелкодисперстные порошки или нанотрубки, могут быть быстро подготовлены для изучения в ПЭМ нанесением их на поддерживающую сетку или плёнку.

Главная задача при подготовке образцов — получить достаточно тонкие образцы с минимальными повреждениями структуры в процессе подготовки.

Для подготовки образцов может использоваться абразивная полировка. Полировка должна быть тщательной для получения постоянной толщины образца.

Как правило, применяется в качестве финальной обработки после механической или химической предварительной обработки. Производится распылением поверхности образца бомбардировкой ускоренными ионами, обычно ионами аргона.

Заключается в получении слепка изучаемой поверхности нанесением плёнки другого материала, с последующим удалением материала образца. Просвечиванию в ПЭМ подвергался полученный слепок.
Широко применялся в ранних исследованиях с помощью ПЭМ, так как относительно прост, в отличие от других методов подготовки образцов.

Биологические образцы должны быть высушены или заморожены перед помещением в ПЭМ так как жидкая вода кипит в вакууме, нарушая его и разрезаны на тонкие пластинки.

Традиционное приготовление биологических образцов для ПЭМ включает в себя процедуры, позволяющие сохранить гистологию тканей при их подготовке для наблюдения в условиях высокого вакуума. Исходные образцы должны быть достаточно миниатюрными, чтобы обеспечить быстрое проникновение химических реактивов на всю толщину образца ткани (по крайней мере, в одном из измерений их размер не должен превышать 0,7 мм). Образцы подвергаются химической фиксации (обычно альдегидами), вторичной фиксации в тетраоксиде осмия, и затем обезвоживаются обработкой органическими растворителями (спирте или ацетоне). Обезвоженные образцы пропитываются эпоксидными смолами с отвердителями, которые затем полимеризуются. Получающиеся твердые блоки с включёнными в них биологическими образцами режутся на ультрамикротомах с помощью алмазных (реже — стеклянных) ножей на пластинки ?срезы) толщиной 20—100 нанометров. Срезы помещаются на специальные сетки (диаметром около 3 мм) и делают контрастными для электронного потока соединениями тяжелых металлов (урана, свинца, вольфрама и др.).

Методы визуализации и формирование контраста

Базовый режим в ПЭМ — это режим светлого поля. В этом режиме контраст формируется рассеиванием и поглощением электронов образцом. Области образца с большей толщиной и большим атомным номером выглядят темнее, тогда как области без образца в пучке электронов — светлыми (поэтому режим называется светлопольным).

Дифракционный контраст и темное поле

Часть электронов, проходящих через кристаллический образец, рассеивается в определённых направлениях из-за волновой природы электронов согласно закону Брэгга, формируя так называемый дифракционный контраст. Дифракционный контраст особо полезен при изучении дефектов кристаллической решетки.

Основная статья: СХПЭЭ

Трехмерная модель реконструируется из серии изображений, полученных с одной и той же части образца под разными углами.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 4 августа 2023 года; проверки требуют 3 правки.

Электронный микроскоп. Модель 1960-х годов

Электро́нный микроско́п (ЭМ) — прибор (микроскоп), позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями 200 эВ — 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ).

История развития электронного микроскопа

В 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающий электронный микроскоп; в 1932 году М. Кнолль и Эрнст Руска построили первый прототип современного прибора. Эта работа Руски в 1986 году была отмечена Нобелевской премией по физике, которую присудили ему и изобретателям сканирующего зондового микроскопа Герду Карлу Биннигу и Генриху Рореру. Использование просвечивающего электронного микроскопа для научных исследований было начато в конце 1930-х годов, и тогда же появился первый коммерческий прибор, построенный фирмой Siemens.

В конце 1930-х — начале 1940-х годов появились первые растровые электронные микроскопы, формирующие изображение объекта при последовательном перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось в 1960-х годах, когда они достигли значительного технического совершенства.

Значительным скачком (в 1970-х годах) в развитии было использование вместо термоэмиссионных катодов — катодов Шоттки и катодов с холодной автоэмиссией, однако их применение требует значительно большего вакуума.

В конце 1990-х — начале 2000-х компьютеризация и использование ПЗС-детекторов значительно упростили получение изображений в цифровом виде.

В последнее десятилетие в современных передовых просвечивающих электронных микроскопах используются корректоры сферических и хроматических аберраций, вносящих основные искажения в получаемое изображение. Однако их применение может значительно усложнять использование прибора.

Изображение муравья в сканирующем электронном микроскопе

Ультраструктура неонатальных кардиомиоцитов после аноксии-реоксигенации

Просвечивающая электронная микроскопия

В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) для формирования изображения используется высокоэнергетический электронный пучок. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB6, Шоттки или холодной полевой эмиссии). Полученный электронный пучок ускоряется обычно до 80—200 кэВ (используются различные напряжения от 20 кВ до 1 МВ), фокусируется системой магнитных линз (иногда электростатических линз), проходит через образец так, что часть электронов рассеивается на образце, а часть — нет. Таким образом, прошедший через образец электронный пучок несет информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на люминесцентном экране (как правило, из сульфида цинка), фотопластинке или ПЗС-камере.

Разрешение ПЭМ лимитируется в основном сферической аберрацией. Некоторые современные ПЭМ имеют корректоры сферической аберрации.

Основными недостатками ПЭМ являются необходимость в очень тонком образце (порядка 100 нм) и неустойчивость (разложение) образцов под пучком.

Просвечивающая растровая (сканирующая) электронная микроскопия (ПРЭМ)

Один из типов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ); однако, есть приборы, работающие исключительно в режиме ПРЭМ. Пучок электронов пропускается через относительно тонкий образец, но, в отличие от обычной просвечивающей электронной микроскопии, электронный пучок фокусируется в точку, которая перемещается по образцу по растру.

В основе лежит телевизионный принцип развёртки тонкого пучка электронов по поверхности образца.

Раскрашенное изображение (PЭМ) фильтрующих щетинок антарктического криля

Некоторые типы детекторов, используемых в СЭМ, имеют аналитические возможности и могут обеспечить несколько элементов данных на каждом пикселе. Примерами являются детекторы, используемые в элементном анализе, и системы катодолюминесцентных микроскопов, которые анализируют интенсивность и спектр электронно-стимулированной люминесценции (например, в геологических образцах). В системах СЭМ использование этих детекторов является общим для цветового кода сигналов и накладывают их в единое цветное изображение, так что различия в распределении различных компонентов образца можно ясно видеть и сравнивать. Дополнительно, стандарт вторичных электронных изображений может быть объединен с одним или более композиционными каналами, так что можно сравнить структуру и состав образца. Такие изображения могут быть сделаны с сохранением полной целостности исходного сигнала, который не изменяется в любом случае.

Электронные микроскопы дороги в производстве и обслуживании, но общая и эксплуатационная стоимость конфокального оптического микроскопа сравнима с базовыми электронными микроскопами.
Микроскопы, направленные на достижение высоких разрешений, должны быть размещены в устойчивых зданиях (иногда под землёй) и без внешних электромагнитных полей.
Образцы в основном должны рассматриваться в вакууме, так как молекулы, составляющие воздух, будут рассеивать электроны.