В ЧЕМ СОСТОИТ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА

Металлографические
исследования проводили с помощью
светового микроскопа «Leica
EZ4D».

Рисунок
1. микроскопа «Leica
EZ4D».

Для
изучения микроструктуры металлов
используют металлографические микроскопы
(рис. 2). Подготовленный соответствующим
образом шлиф 1

помещают
перпендикулярно оптической оси микроскопа
в плоскости, совпадающей с передней
главной фокальной плоскостью объектива
2.

Шлиф
освещается проходящим через объектив
почти параллельным оптической оси
пучком света, который формируется
посредством осветительной системы,
состоящей из источника (лампы) 3
,
коллекторной линзы 4,

апертурной
5

и
полевой 7

диафрагм,
вспомогательных линз 6,
8
и
полупрозрачной пластинки 9
.
Световые лучи, отражающиеся от участков
поверхности шлифа, приблизительно
нормальных оптической оси микроскопа,
попадают в объектив, а те лучи, которые
отражаются от неровностей поверхности,
не попадают в его поле. На конечном
изображении поверхности шлифа, создаваемом
окуляром 10
,
все отражающие свет участки, перпендикулярные
оптической оси микроскопа, оказываются
светлыми, а участки, наклоненные к оси,
– темными. Благодаря этому выявляются
различные элементы структуры металла,
например, границы зерен, которые при
подготовке шлифа обычно вытравливаются
в канавки, или частицы выделений,
включения и поры.

Объектив
создает обратное действительное
увеличенное изображение образца в
передней фокальной плоскости окуляра
S
1.
Окуляр дополнительно увеличивает это
изображение и дает окончательное мнимое
увеличенное изображение образца S
2
на расстоянии ≈250 мм от глаз наблюдателя
11
.

Рисунок
2. Принципиальная схема металлографического
микроскопа

При
фотографировании изображения или его
наблюдении на экране вместо “глазных”
окуляров используют специальные
фотоокуляры (или 30 гомали), которые
принимают световые лучи, идущие
непосредственно из объектива, и создают
действительное первичное изображение
на фотопластинке или экране. Увеличение
микроскопа равно произведению
соответствующих увеличений объектива
и окуляра. Основное увеличение
обеспечивается объективом, оно может
достигать 100. Увеличение окуляра обычно
не превышает 20. Если необходимо точно
определить увеличение проецируемого
изображения, то в качестве объекта
следует использовать пластинку с
микрометрической шкалой (объект-микрометр),
на которой нанесены через каждые 0,01 мм
деления на общей длине 1 мм.

Выявление
микроструктуры осуществляли путем
травления в нитале (4%-м растворе азотной
кислоты в спирте).

2 Макроанализ.

Макроанализом
называется изучение структуры металла
или сплава невооруженным глазом или с
помощью лупы при небольшом увеличении
(до 30 раз). Структура металла при этом
может изучаться либо непосредственно
на поверхности, либо в изломе детали
или специально приготовленного для
этой цели образца.

Макроанализ
дает представление об общем строении
металла и позволяет оценить его качество
после различных видов обработки: литья,
давлением, сварки, термической и
химико-термической.

Этот
анализ не определяет подробностей
строения и часто является предварительным
видом исследования; однако он позволяет
выбрать те участки, которые требуют
дальнейшего микроскопического
исследования.

С
помощью макроанализа можно определить:

1)
нарушения сплошности металла, подусадочную
рыхлость, центральную пористость, свищи,
подкорковые пузыри, межкристаллитные
трещины, трещины, возникшие при обработки
давлением и термической обработки,
флокены, дефекты сварки (в виде непроваров,
газовых пузырей);

2)
дентритное строение, зону транскристаллизации,
размеры и ориентацию зерен в литом
металле.

3)
химическую неоднородность литого
металла (ликвацию) и присутствие в нем
грубых инородных включений;

4)
волокнистую структуру деформированного
металла;

5)
структурную или химическую неоднородность
металла, созданную термической,
термомеханической или химико — термической
обработкой;

6)
вид излома: вязкий, хрупкий, нафталинистый,
камневидный и т.д.;

7)
прокаливаемость (для инструментальных
сталей, для которых требуется сохранение
вязкой сердцевины).

При
помощи макроанализа сварных соединений
можно определить:

1)
форму и размеры шва

2)
площадь и форму провара основного
металла;

3)
направленность, рост и размеры
кристаллитов;

4)
размеры и форму околошовной зоны;

5)
наличие в соединении непроваров, трещин,
пор, шлаковых включений, химической
неоднородности и т.п.

Данные
макроструктурного анализа дают довольно
точное представление о качестве сварного
соединения и об изменениях, которые
нужно ввести в технологию сварки для
улучшения качества швов.

Перед
травлением поверхность образца шлифуется
на плоскошлифовальных станках или в
ручную. Окончательная обработка
макрошлифа осуществляется шлифовальной
шкуркой зернистостью 240-280. Для травления
шлифов применяют различные реактивы в
зависимости от материала сварного
соединения и предполагаемых особенностей
макроструктуры.

Травят
образцы в растворе, подогревом до 60 С.
После травления шлиф осветляется в 10%
-ном водном растворе азотной кислоты.

Универсальным
раствором для выявления структуры
сварных швов практически на всех сталях
является раствор хлористого железа
(200гр.) и азотной кислоты (300мл) в 100 мл.
воды. Образец травят протиранием ватным
тампоном, смоченным в растворе.

Металлографический микроскоп
позволяет провести микроанализ структуры металлов и сплавов в любом их состоянии. Полученные данные применяются для контроля качества, например, так можно определить значение свойства прокаливания стали.

Отличие данного микроскопа от других, например, биологических, в воздействии света на объект. Металлографический микроскоп использует отраженный свет, а биологический — проходящий.

Системы микроскопа

Это сложное устройство, состоящее из трёх систем, каждую из которых разберём ниже.

• Оптическая.
• Осветительная.
• Механическая.

Осветительная система

Она состоит из следующих частей:

• Диафрагма (ей можно менять яркость освещения и ограничивать сечение светового луча);
• Линзы (уменьшают рассеивание света, воздействуя на его лучи, и улучшают четкость изображения);
• Конденсор (система из линз, служит для сбора лучей света и их направления);
• Лампа накаливания (служит источником света);
• Фильтры (как и линзы, улучшают четкость изображения, но только за счёт того, что убирают определённую волну лучей света).

Механическая система

Это само «тело» микроскопа, состоящее из следующих частей:

• Металлический корпус (служит защитой, находящихся в нем компонентов, от внешних воздействий);
• Тубус (служит соединительной частью объектива и линз окуляра);
• Винты (служат для крепления всех частей механизма);
• Предметный столик (плоскость небольшого размера, на которую кладут изучаемый объект).

Оптическая система

От качества этой системы в основном зависят результаты проводимого исследования. Она состоит из следующих компонентов:

• Призма (нужна для преломления лучей света);
• Зеркало (служит для фокусировки лучей света на исследуемый объект);
• Окуляр (через него смотрят на изучаемый объект);
• Трубчатый объектив (в связке с окуляром служит для многократного увеличения просматриваемый поверхности объекта изучения);
• Фотокамера (служит для фотофиксации полученных результатов).  

Виды

Прежде всего металлографические микроскопы
бывают стационарные, которые устанавливаются непосредственно в лаборатории, и портативные.

Далее различают микроскопы по методу исследования:

• Инспекционный (нужен для изучения элементов в отрасли микроэлектроники, цифровых чипов, микроплат и т.д.);
• Прямой (в наличии высокомощная оптика, а конструкция микроскопа позволяет изучить объект с разных сторон);
• Инвертированный (так называемый «обратный» микроскоп. В нем отсутствует предметный столик, вместо которого объект находится на стеклянном дне, тем самым изучение проходит его нижней стороны. В наличии такой микроскоп имеет несколько современных модификаций).

По используемой оптической системе:

• Монокулярный (установлен один объектив);
• Бинокулярный (установлены два объектива);
• Тринокулярный (установлены три объектива);
• Цифровой (с помощью компьютерной программы изображение транслируется на монитор).

Отличия между прямым микроскопом и инвертированным

Определив материал и род исследований, а также необходимое максимальное увеличение, вы поймёте, какой будет нужен микроскоп. Прямой микроскоп привычен в использовании и обладает самым максимальным увеличением. Однако при рассмотрении больших объектов или находящихся в лабораторной посуде появляются некоторые сложности. К тому же нередко линзу можно повредить об объект исследования или же она может испортиться от выделяемых химических испарений. У инвертированных микроскопов нет вышеуказанных проблем, можно проводить анализ образцов даже превышающих 1 килограмм, однако кратность увеличения у них намного ограничена, чем у прямых, а дополнительная комплектация стоит дороже.

Цифровой микроскоп

Такие микроскопы передают точное изображение объекта в цифровом виде. Принцип работы заключается в использовании не световых лучей, а электронного. 

Существует два типа цифровых микроскопов: просвечивающий и сканирующий.

Просвечивающий микроскоп обладает самым сильным увеличением. Настолько сильным, что можно рассмотреть даже отдельные атомы объекта. Сильное увеличение связано с небольшой длиной луча. Из недостатков можно отметить большие габариты устройств и, чтобы просмотреть объект, он должен быть очень тонким (для примера, чтобы увидеть структуру человеческого волоса, придётся разрезать его вдоль около пятидесяти раз).

Сканирующий микроскопом тоже обладает сильным увлечением, в пятьсот раз превышающее у оптических микроскопов. В основном для исследования поверхности предметов применяется этот тип. Его большая глубина резкости позволяет рассматривать большие объекты без искажений, которое возникает у оптических микроскопов из-за эффекта схождения.

В отрасли микроэлектроники цифровой микроскоп незаменимая вещь, поскольку наличие инфракрасного излучения помогает просмотреть несколько слоев объекта, без нарушения его целостности.

Цифровые микроскопы постепенно модифицируются. Им всё меньше нужно использовать источников света, чтобы рассмотреть мельчайшие детали. Однако они не лишены недостатков. Первым из них является высокая цена на изделие и его комплектующие. Для цифровых микроскопов необходим компьютер, монитор, нужное программное обеспечение и программа, транслирующая информация, получаемую от микроскопа. 

Сферы применения металлографического микроскопа

Металлографический микроскоп
нужен в отраслях, где необходимо проводить анализ металлов. С его помощью можно изучить структуру металла и его свойства, обнаружить инородные частицы и объекты, провести сравнительный анализ, оценить особенности сплава и т.д. Из-за этого металлографический микроскоп получил своё неформальное название: металлургический или промышленный. 

Отрасли применения металлографического микроскопа:

• Металлургическая отрасль.
• Машиностроительный комплекс.
• Микроэлектроника.
• Криминалистическая лаборатория.
• Геология и исследование минералов.
• Научно-исследовательские лаборатории.

Широкое распространение получили портативные микроскопы, так как их можно использовать уже на местонахождении объекта исследования. Не меньше всего в работе используются цифровые микроскопы, так как они позволяют тратить меньше времени на документирование полученных данных и могут передавать их на хранение сразу на сервер или автономный жёсткий диск-накопитель. Более того такие микроскопы автоматизированы и имеют более высокую рабочую производительность.

Принцип работы микроскопа

Лабораторные микроскопы
— устройства, со сложной окулярной системой, и перед тем как начать пользоваться металлографическим микроскопом важно изучить принцип его работы. Это позволит продлить срок эксплуатации и получать достоверные сведения в процессе проведения анализа. 

Объектами исследования являются только металлы. Образец предварительно подвергается микрошлифу. Без данной подготовки невозможно провести микроанализ. Объект помещается на предметный столик отшлифованной стороной по направлению к объективу. Подбирается необходимый объектив. После его установки микроскоп подключают к электрической сети. Во время работы регулируют освещение, подбирая необходимую яркость. Фиксирующими винтами подбирается высота предметного столика до приемлемой фокусировки. Весь процесс контролирует специалист, проводящий исследование. После подбора всех компонентов для создания комфортного изображения, не напрягающего глаза, начинается процесс исследования.

Работа с микроскопом делится на несколько этапов. Первый этап — нужно выявить структуру объекта. Для этого проводится изучение не травленной поверхности шлифа и его травленной поверхности. Исходя из природы добычи металла, это необходимо, чтобы выявить неметаллические объекты на его поверхности, например, графит, и различные шероховатости, деформации и т.д. На травленую поверхность шлифа наносится химически активное вещество. Главное, чтобы металл был отшлифован правильно, так как обработка объекта влияет на достоверность исследования не менее чем оборудование, которое используется для его проведения и сам процесс. Микрошлиф достигается с помощью полировки металла или его травления. Травление — химический процесс. Для этого применяется раствор азотной кислоты, составляющий 5% и смешанный с этиловым спиртом.

Второй этап — изучить параметры световых лучей, которые отражаются от исследуемого объекта. В этом и есть основной принцип его работы. Сейчас большинство результатов исследований фотографируют. Но так как металл плохо отражает свет, то нужен его дополнительный источник. Для этого применяются следующие методы:

• Метод светлого поля.
• Метод тёмного поля.
• Метод поляризации для получения анизотропии — преломления двух лучей света.
• Интерференционная микроскопия — разложение света на несколько лучевых пучков.

• Как правильно выбрать металлографический микроскоп

При выборе микроскопа
особое внимание нужно уделить качеству окуляра и объектива, так как на них возложена основная работа анализа.

Обратите внимание на эти характеристики:

• Значение числовой апертуры — при его большом значении можно увидеть больше деталей объекта, так как оно влияет на количество света попадающего на объектив.
• Рабочее расстояние — дистанция между объектом исследования и объективом. Если планируете изучать большие объекты, то необходимо большое рабочее расстояние, чтобы предмет мог поместиться между микроскопом и предметным столиком.
• Кратность увеличения — необходимо подбирать оптимальные параметры этого значения, чтобы не испортить четкость изображения.
• Фокусное расстояние — его значение влияет на качество видимости объекта в микроскоп.

Специалистам важно получить точные и правильные результаты исследований, поэтому они полагаются только на хорошие и качественные микроскопы, оснащённые отличной оптикой и нужным увеличением. Существует множество фирм, готовые поставлять качественные металлографические микроскопы для научно-исследовательских лабораторий и металлургических цехов, но гарантировать качество могут только производители, зарекомендовавшие себя на рынке лабораторного оборудования. Хорошие производители сотрудничают только с качественными поставщиками и магазинами. И таковым является ТД «Лабор».

ТД «Лабор» предлагает лабораторное оборудование
, которое прошло сертификацию и соответствует необходимым ГОСТам. Мы работаем с компаниями, чьи изделия состоят из экологически чистых компонентов, практичны, безопасны и удобны в использовании, гарантируют долгий срок эксплуатации и надёжную противоударную и химическую защиту. 

У нас широкий ассортимент лабораторного оборудования и его комплектующих. На официальном сайте компании удобная навигация по систематизированным блокам нашего каталога, с помощью которого вы легко найдёте нужную вещь, ничего не пропустив. Если же вы не знаете какое оборудование вам подходит, наши специалисты предоставят консультацию и подберут необходимое оснащение для вашего комплекса, исходя из характера проводимых исследований, его целей и поставленных задач вплоть до создания детального плана со всеми проходящими коммуникациями и месторасположением оборудования. Помимо этого мы предлагаем услуги по ремонту и строительству лабораторных помещений.

Также вы можете оформить заказ по телефону 8 (812) 509-60-85 или через специальную форму обратного звонка. После очень простого оформления с вами свяжутся наши менеджеры, чтобы уточнить все детали заказа, способа получения и желаемое время доставки. 

Запомните, что выбирая ТД «Лабор», вы выбираете качество и достоверность результатов проведённых исследований.

Для исследования микроструктуры металлов используются металлографические микроскопы
. Металлографический микроскоп позволяет рассматривать непрозрачные тела в отраженном свете. В этом основное его отличие от биологического микроскопа.

По расположению оптических систем и устройств различают вертикальные и горизонтальные. Вертикальные микроскопы МИМ–6 и МИМ–7 при визуальном наблюдении дают увеличение 60–1440 раз, что позволяет изучать детали структуры с минимальным размером 0,2 мкм. Горизонтальные микроскопы МИМ–8 обеспечивают увеличение до 1350 раз при визуальном наблюдении и до 2000 раз – при фотографировании.

Изображение предмета увеличивается в микроскопе дважды: в объективе и окуляре. Поэтому общее увеличение
микроскопа N _n

равно произведению увеличения объектива n _об

на увеличение окуляра n _ок

Главное увеличение или максимально полезное увеличение микроскопа обеспечивается объективом. Оно определяется разрешающей способностью объектива. Разрешающая способность объектива
− минимальное расстояние, на котором две близлежащие точки ещё видны отдельно.

Окуляры
предназначены для увеличения изображения, полученного объ­ективом, а также для исправления оптических недостатков объективов.

Рис. 4.1.3. Микроскоп МИМ–7:

1 – фонарь осветителя, 2 – нижний корпус микроскопа с фотокамерой, 3 – верхний корпус

микроскопа, 4 – визуальный тубус, 5 – осветительный тубус, 6 – предметный столик,

7 – микрометрический винт, 8 – макрометрический винт для вертикального перемещения

предметного столика, 9 – стопорное устройство для макровинта, 10 – винты для перемещения предметного столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях;

Микроскоп МИМ–7 (рис. 4.1.3) состоит из осветителя 1, нижнего корпуса с фотокамерой 2, верхнего корпуса 3, визуального тубуса 4, осветительного тубуса 5, предметного столика 6.

Осветительная лампа 1 питается через трансформатор, понижающий напряжение в пределах 6−18,5 В. Секционный переключатель служит для изменения напряжения на зажимах лампы. Контроль за режимом работы лампы ведётся по вольтметру.

Справа в корпусе выведен винт микроскопической фокусировки микроскопа на объект 8. На верхнем корпусе укреплён визуальный тубус 4, который при визуальном наблюдении вдвигается в корпус до упора, при фотографировании выдвигается до отказа и осветительный тубус 5, в верхнем срезе которого в посадочное отверстие вставляется объектив.

Предметный квадратный столик перемещается в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях вращением рукояток 10.

Рабочая высота предметного столика устанавливается совмещением рисок на кронштейне и на корпусе вращением рукоятки механизма грубой наводки на резкость 8. Для фиксации выбранного положения предметного столика служит рукоятка 9.

Оптическая схема металлографического микроскопа показана на рис. 4.1.4. Лучи от осветителя 1, преломляясь призмой 2, проходят через объектив 3, отражаются от микрошлифа 4, вновь проходят через объектив 3, преломляются призмой 5 и через окуляр 6 попадают в глаз наблюдателя.

Рис. 4.1.4. Оптическая схема металлографического микроскопа МИМ-7

Конструкция оптических микроскопов включает в себя устройства, позволяющие выполнять измерения размеров объекта, − объекта-микрометр
и окуляр-микрометр
.

Объекта-микрометр
– пластина, на которую нанесена шкала длиной 1 мм, разделенная на 100 равных частей.

Окуляр-микрометр
– окуляр, в который вставлена пластинка с линейкой, при помощи которого можно определить величину зерна, глубину слоя (азотирования, цементации), размер микродефектов.

Цена деления окуляра-микрометра зависит от увеличения объектива. Для определения цены деления окуляра-микрометра на предметный столик микроскопа устанавливается объект-микрометр. После наведения на фокус в поле зрения микроскопа видны шкалы объекта-микрометра и окуляра-микрометра. Совместив обе шкалы, можно определить, сколько делений шкалы объекта-микрометра совмещается с делениями шкалы окуляра-микрометра. На рис. 4.1.5 показана схема определения цены деления окуляра-микрометра. При данном объективе 40 делений окуляра-микрометра, видимых в поле зрения микроскопа, совмещаются с 28 делениями объекта-микрометра.

Цену деления окуляра-микрометра Ц _ок

рассчитывают по формуле

где Ц _об

– цена деления шкалы объекта-микрометра ( Ц _об

= 1/100 = 0,01 мм), М
– число делений объекта-микрометра, Н
– число делений окуляра-микрометра.

Рис. 4.1.5. Схема определения цены деления окуляра-микрометра

• JLIB_APPLICATION_ERROR_COMPONENT_NOT_LOADING
• Error loading component: com_users, 1

Электронный микроскоп

Разрешающая способность оптического микроскопа ограничена длиной световой волны. С его помощью можно наблюдать детали размером 0,1 — 0,2 мкм. Но этого недостаточно, чтобы видеть молекулы, атомы, или другие объекты, размеры которых значительно меньше. С этой задачей легко справляется электронный микроскоп.

Устройство и принцип действия электронного микроскопа

Чтобы увеличить разрешающую способность микроскопа, нужно уменьшить длину волны, освещающей исследуемый объект. Поэтому вместо световых лучей в электронном микроскопе используются электроны, длина волны которых в тысячи раз меньше длины волны фотонов. Разрешающая способность электронного микроскопа превосходит разрешение оптического микроскопа в 1000 — 10000 раз.

Принцип получения изображения в электронном микроскопе такой же, как и у оптического. Но в отличие от оптического микроскопа, где световым лучом управляют линзы, находящиеся в объективе и окуляре, в электронном микроскопе это делается с помощью магнитных линз.

Магнитные линзы
— это электромагниты, создающие сильные неоднородные электромагнитные поля. Изменяя силу тока, можно управлять магнитными полями и менять траекторию электронов, направляя их поток на исследуемый образец.

В электронном микроскопе поток электронов падает на образец сверху, а изображение получается внизу.

Корпус электронного микроскопа представляет собой металлическую трубу. В её верхней части расположен источник электронов. Это вольфрамовая нить накала, называемая катодом. На неё подаётся высокое напряжение, и начинается излучение электронов с поверхности катода. Пучок электронов ускоряется с помощью высокой разности потенциалов между катодом и анодом. Для этой цели используется напряжение от 20 кВ до 1 мВ. Далее ускоренный поток фокусируется и направляется системой магнитных линз на исследуемый образец. Пройдя через него, он попадает в систему увеличивающих магнитных линз. Вся эта система называется электронной колонной
.

Так как наш глаз не может воспринимать электронные пучки, то изображение создается на люминесцентном экране либо фиксируется на фотопластинке или цифровой камере.

Чтобы электроны не рассеивались в результате столкновений с молекулами воздуха, внутри колонны создаётся вакуум.

Виды электронных микроскопов

Существует 2 основных вида электронных микроскопов: просвечивающий электронный микроскоп и растровый электронный микроскоп.

Просвечивающий
, или трансмиссионный
, электронный микроскоп создаёт изображение исследуемого ультратонкого образца (толщиной порядка 0,1 мкм), пропуская через него пучок электронов. Часть электронов при этом рассеивается на образце, а часть проходит через него и затем увеличивается магнитными линзами, выполняющими роль объектива. Изображение регистрируется на экране или фиксируется на фотоплёнке.

Пучок электронов создаётся электронной пушкой. Пушки бывают термоэлектронными и автоэмиссионными.

В термоэлектронной пушке электроны вырываются с поверхности катода (вольфрамовой нити накала или заострённого кристалла гексаборида лантана) при нагревании. Причём чем выше температура, тем больше число вырвавшихся электронов.

В автоэмиссионной пушке электроны испускаются с поверхности катода (вольфрамовой нити) под действием внешнего электрического поля.

В растровом электронном микроскопе пучок электронов попадает на исследуемый объект таким же образом, как и в просвечивающем микроскопе. Но в отличие от него узкий электронный луч не проходит сквозь образец, а сканирует (обегает) каждую его точку, перемещаясь последовательно по горизонтальным строчкам, точка за точкой, строка за строкой. Усиленный сигнал синхронно передаётся на кинескоп. Этот процесс напоминает работу электронно-лучевой трубки в телевизоре. В современных растровых микроскопах изображение выдаётся в цифровой форме.

В растровом микроскопе
, как и в просвечивающем, электронный луч образуется электронной пушкой. В электронной колонне он фокусируется и направляется на объект, расположенный на предметном столике. Столик может вращаться в трёх направлениях.

Попадая на поверхность исследуемого образца, электроны взаимодействуют с ней. Часть электронов отражается от поверхности. А часть, получив энергию от электронного пучка, может оторваться от поверхности. Такие электроны называются вторичными. Информация, которую они несут, используется для анализа поверхности и состава образца.

Применение электронных микроскопов

Патент на первый просвечивающий электронный микроскоп был получен в 1931 г. немецким физиком Р. Рутенбергом. А первый такой прибор создали в 1932 г. Эрнст Август Руска и М. Кнолль. Он давал 400-кратное увеличение, которое было меньшим, чем у оптических микроскопов. Но в его конструкции использовались катушки индуктивности вместо стеклянных линз. Это был прототип современного электронного микроскопа.

В конце 30-х годов фирма Siemens создала первую промышленную модель просвечивающего микроскопа, который позволял исследовать внутреннюю структуру вещества.

Первый растровый микроскоп начали производить в середине 60-х годов прошлого века, хотя изобрели его ещё в 1952 г. С его помощью можно получить информацию о рельефе поверхности, составе частиц и даже о химическом составе вещества.

Благодаря высокой разрешающей способности, электронные микроскопы нашли широкое применение в микробиологии, медицине, фармакологии, вирусологии. Они дали возможность получать 3-хмерные изображения микроскопических структур (электронная томография), контролировать качество лекарственных препаратов, изучать воздействие токсинов на организмы. Незаменимы они в промышленности. Их используют для получения двухмерных и трёхмерных микрохарактеристик образцов, в микротехнологиях: травлении, полировке, легировании, литографии и др.

Электронные микроскопы появились в 1930-х годах и вошли в повсеместное употребление в 1950-х.

На рисунке изображен современный трансмиссионный (просвечивающий) электронный микроскоп, а на рисунке показан путь электронного пучка в этом микроскопе. В трансмиссионном электронном микроскопе электроны, прежде чем сформируется изображение, проходят сквозь образец. Такой электронный микроскоп был сконструирован первым.

В таблице суммированы некоторые сходства и различия между световым и электронным микроскопами. В верхней части колонны электронного микроскопа находится источник электронов — вольфрамовая нить накала, сходная с той, какая имеется в обычной электрической лампочке. На нее подается высокое напряжение (например, 50 000 В), и нить накала излучает поток электронов. Электромагниты фокусируют электронный пучок.

Внутри колонны создается глубокий вакуум. Это необходимо для того, чтобы сократить до минимума рассеивание электронов из-за столкновения их с частицами воздуха. Для изучения в электронном микроскопе можно использовать только очень тонкие срезы или частицы, так как более крупными объектами электронный пучок почти полностью поглощается. Части объекта, отличающиеся относительно более высокой плотностью, поглощают электроны и потому на сформировавшемся изображении кажутся более темными. Для окрашивания образца с целью увеличения контраста используют тяжелые металлы, такие как свинец и уран.

Электроны невидимы для человеческого глаза, поэтому они направляются на флуоресцирующий экран, который воспроизводит видимое (черно-белое) изображение. Чтобы получить фотоснимок, экран убирают и направляют электроны непосредственно на фотопленку. Полученный в электронном микроскопе фотоснимок называется электронной микрофотографией.

Преимущество электронного микроскопа:

1) высокое разрешение (0,5 нм на практике)

Недостатки электронного микроскопа:

1) подготовленный к исследованию материал должен быть мертвым, так как в процессе наблюдения он находится в вакууме;

2) трудно быть уверенным, что объект воспроизводит живую клетку во всех ее деталях, поскольку фиксация и окрашивание исследуемого материала могут изменить или повредить ее структуру;

3) дорого стоит и сам электронный микроскоп и его обслуживание;

4) подготовка материала для работы с микроскопом отнимает много времени и требует высокой квалификации персонала;

5) исследуемые образцы под действием пучка электронов постепенно разрушаются. Поэтому, если требуется детальное изучение образца, необходимо его фотографировать.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.

См. подробнее в пользовательском соглашении.

Давайте начнем с маленькой загадки — как вы думаете, что это такое?

Ну а пока представьте, что вы хотите рассмотреть что-то очень маленькое, то что невозможно увидеть просто “присмотревшись повнимательнее”? Или вы хотите увидеть самые мелкие детали чего-то? Что вы используете?

Первое, что приходит в голову — использовать лупу или сразу взяться за микроскоп!

Но что делать, если вы хотите рассмотреть саму структуру чего-то, например, увидеть транзистор в процессоре?

Что вы сделаете? Просто переключитесь в микроскопе на линзу с большим увеличением? Сработает ли это?

Сегодня мы с вами покроем множество очень интересных тем:

• посмотрим на настоящий электронный микроскоп,
• поймем — зачем он вообще нужен,
• разберемся как увеличить что-то в сотни тысяч раз с помощью электронов и расскажем как человек научился видеть отдельные атомы!

Все как вы любите! Подробно и понятно.

Ну и еще сразу вам тут затравочку — сегодня мы посмотрим на Droider в настоящий электронный микроскоп! И нет — это не кликбейт!

Наверняка кто-то из вас в детстве по примеру Шерлока Холмса с помощью обычной линзы разглядывал все вокруг! Ведь это так круто видеть что-то в увеличении — создается ощущение, что открывается абсолютно новый, неизведанный маленький мир.

Так вот, если говорить простыми словами, то по принципу обычной увеличительной линзы и работает обычный оптический микроскоп!

Конечно, его устройство сильно сложнее — микроскоп это комбинация линз с заранее подобранными оптическими параметрами, которые собраны в правильной комбинации. Однако, сам принцип работы остается тем же.

Свет в видимом диапазоне длин волн либо проходит сквозь объект, либо отражается от поверхности, и, проходя, через систему увеличивающих и фокусирующих линз попадает сначала в окуляр и потом к нам в глаз.

Современные оптические микроскопы — это действительно массивные и сложные устройства, состоящие из десятков различных линз и зеркал, которые собраны в особом порядке, чтобы дать человеку возможность смотреть на объекты разного типа и с разным увеличением!

И линзы бывают разные. От линз с 2-3 кратным увеличением до довольно массивных линз со способностью увеличивать объекты в 100 раз. Только посмотрите на разрез линзы от компании Цайз с 50кратным увеличением! А комбинацией с правильным окуляром можно добиться увеличения даже в две тысячи раз.

Проблема

И тут мы можем задать вопрос — в чем же тогда проблема вообще? Ведь можно просто до безумия искривлять линзы и создавать сложные системы, которые будут увеличивать даже в десятки тысяч раз. Таким образом мы и сможем посмотреть на самые крошечные детали чего угодно! Но все как обычно очень непросто и связано это с физическими ограничениями видимого света!

Ведь видимый свет это волна с определенной длинной. Оптический микроскоп использует его оптический спектр, то есть примерно от 800 до 400 нанометров.

А физика, бессердечная такая сволочь, к сожалению не позволяет нам, различать объекты, которые меньше примерно половины длины волны. То есть с помощью обычного оптического микроскопа, мы не сможем различить ничего что мельче примерно 200 нанометров.

Это ограничение получило название в честь Немецкого ученого Эрнста Аббе, которое так и называется — Дифракционный предел Аббе. И он позволяет получить значение минимального разрешения не только для видимого света, но и для любой другой электромагнитной волны. Вы ведь помните что свет — это тоже электромагнитная волна?

Внимательный наш читатель вспомнит, что эту же формулу мы показывали вам в ролике про экстремальную ультрафиолетовую литографию, когда говорили об ограничении разрешения для глубокого ультрафиолета. Так вот тут тоже самое.

Современные микроскопы со специальными линзами, конечно, умеют смотреть на маленькие объекты и позволяет, например, увидеть живые клетки или даже бактерии, но этого все равно не хватает, например, чтобы увидеть вирусы — тот же самый SARS-COV-2.

​​Решение проблемы

И как же обойти эту проблему? Да и вообще возможно ли ее обойти? Оказалось? что да. В целом есть два пути.

STED микроскопия

Первый путь, о котором мы вам тут расскажем — это изобретение за которое совсем недавно, в 2014 году, была вручена Нобелевская премия по химии.

Это так называемая STED или микроскопия на основе подавления спонтанного испускания. Именно она позволяет преодолеть дифракционный предел оптического микроскопа.

Правда у технологии есть ограничение — совсем не все материалы можно рассмотреть в такой микроскоп. Но она позволила видеть различные сложные белковые, да и другие органические соединения!

Это связано с тем, что необходимо смотреть на материалы, которые могут переходить в особое состояние под воздействием лазерного излучения. То есть в состояние, когда они сами начинают испускать свет!

Как же это работает?

Тут используется два лазера, один из которых называется возбуждающий лазер, и второй, специально подобранный по параметрам длины волны. Он называется охлаждающим лазером.

Этот охлаждающий лазер компенсирует по периметру возбуждение от первого лазера и в результате сочетания этих волн создается очень маленькая область, которая начинает светиться. Появилась возможность различать объекты величиной уже около 30 нм, что уже позволяет видеть вирусы, например! А это почти в 7 раз меньше, чем у обычного микроскопа! Все равно, что с Земли рассмотреть футбольный мяч на Луне! Вот такой вот элегантный метод обмануть физику!

Электронный микроскоп

Ну хорошо. Теперь мы разобрались с тем, как можно преодолеть физический барьер в оптической микроскопии. Какой же второй путь обхода барьера? Да и что делать, если мы хотим увидеть неорганические вещества или вообще что-то меньше 30 нанометров?

И тут мы опять возвращаемся к нашей формуле, которая говорит нам о том, что максимальное разрешение — это половина длины электромагнитной волны. И ученые подумали — а зачем использовать видимый спектр, когда можно взять что-то с очень короткой длиной волны и пошли смотреть, что же там есть в коротковолновом спектре!

В общем, они решили не мелочиться и использовать сразу пучок электронов. Ведь длина волны электронов, ускоренных в электрическом поле равна примерно 0,4 Ангстрем. Или 0.04 нанометра! Это в 10 тысяч раз меньше, чем у видимого света! Кстати, если вы не знали, то размер атома водорода как раз около 1 Ангстрема. Итак, давайте разберемся что же такого крутого в электронных микроскопах!

Источник электронов и линзы

Сам концепт и первый прототип такого микроскопа был представлен, вы не поверите, еще в 1932 году, в Германии, и выглядел он вот так!

Но как же он работает?

Если вы смотрели наше крутое видео о магии создания процессора или читали материал, то там мы рассказывали, что для испарения некоторых материалов используется сфокусированный луч электронов и источником этих электронов служит вольфрамовая нить. В электронном микроскопе все примерно также. Зачастую вольфрам служит источником электронов. Тонкая нить нагревается до высоких температур и начинает испускать электроны в большом количестве.

А дальше начинается самое интересное. Эти электроны надо ускорить и сфокусировать. Да — сфокусировать именно так, как вы фиксируете свет в вашем объективе или обычном оптическом микроскопе. Только в этом случае воспользоваться стеклянными линзами просто не получится — весь электронный пучок полностью поглотится на самой первой линзе. В итоге для этого надо использовать электростатические линзы. Фактически, это такие электроды специальной формы, которые создает определенное электромагнитное поле. Это и позволяет фокусировать луч электронов, а также ускорять их до больших энергий!

Так же как и свет, падающий на поверхность материала в оптическом микрокопе, электронный луч дает нам информацию и позволяет фактически увидеть образец.

Тут стоит сказать, что в целом существует два основных типа электронных микроскопов, которые очень сильно отличаются.

Первый — это так называемый сканирующий электронный микроскоп, или просто СЭМ.

В нем сфокусированный пучок электронов попадает на поверхность образца практически любого размера, и происходит магия физики, из-за которой одни электроны выбивают другие электроны из атомов материала, на который мы смотрим.

Эти новые электроны называются вторичными и обладают относительно маленькими энергиями, что и позволяет специальному детектору их легко улавливать. Появление этих вторичных электронов происходит очень локально и это позволяет повысить точность получение изображения.

Дальше сфокусированный пучок начинает сканировать поверхность материала и в зависимости от рельефа поверхности на детектор попадает разное количество вторичных электронов. Вот так и получается картинка.

Именно поэтому все изображения с электронного микроскопа черно-белые. То есть фактически — это просто разная интенсивность в разных участках снимка. А любые цветные изображения с электронного микроскопа — это просто раскрашенные картинки.

СЭМы — самые часто используемые микроскопы на производствах процессоров, так как они позволяют быстро посмотреть на качество поверхности, да и вообще их используют для контроля на каждом этапе изготовления.

И перед тем, как мы посмотрим на Droider в микроскоп, надо рассказать про еще один незаменимый инструмент в руках ученых и инженеров!

Это просвечивающий электронный микроскоп или ПЭМ! Это огромная труба, занимающая одну, а то и две комнаты. А стоит он около миллиона долларов. Но на самом деле интересно не то сколько он стоит, тут понятно что такая техника очень дорогая.

Интересно то, что для его работы строят специальные комнаты, с огромными бетонными подушками, уходящими на много метров под землю. Они нужны чтобы гасить любые вибрации и возмущения — вот настолько чувствительно это оборудование. Если бы не такие подушки, то любое изображение было бы смазанным из-за того, что кто-то хлопнул дверью в другом конце здания.

Его отличие от СЭМа в том, что он имеет гораздо большее разрешение! И связано это с особенностями самого образца и пучка электронов.

Если в СЭМе мы регистрировали новые электроны, которые вылетели из нашего образца под воздействием электронного пучка, то в ПЭМе мы смотрим на то как меняется наш исходный пучок электронов, который пролетел сквозь образец.

Суть в том, что пролетая через образец и взаимодействуя с атомами материала электроны меняются, а дальше попадают в детектор, который уже и говорит нам о том, как именно поменялся сам исходный пучок электронов.

Если вы внимательно слушали наше объяснение, то вы можете спросить, как же так — ведь электроны просто рассеются в образце и мы ничего не увидим.

И вы будете абсолютно правы! Ведь для ПЭМа нужно специально подготавливать образцы — они должны быть очень тонкими. До 100 нанометров, а вообще чем тоньше, тем лучше. В идеале всего десять-двадцать нанометров.

Для этого используются сложные методы подготовки образцов, например специальный луч ионов, который как тонкий лазер вырезает маленький кусок образца, который потом исследуют уже в микроскопе. Это и позволяет с помощью ПЭМа ученым видеть даже отдельные атомы!

Вот посмотрите: каждая точка это атом Палладия, видно даже то насколько ровная кристаллическая решетка у материала! Обратите внимание на шкалу в левом нижнем углу, всего один нанометр. И мы уже сейчас можем такое видеть, потрясающе!

Droider в электронном микроскопе

Теперь когда мы с вами разобрались с тем, как работает электронный микроскоп — настало время посмотреть на надпись Droider в настоящий электронный микроскоп, а точнее в СЭМ. Она была вырезана лазером на тонком листе нержавеющей стали. Более того были сделаны много надписей от большой, до надписи размером несколько микрометров.

Тут вы видите загрузку этой пластины в микроскоп!

А вот сама пластина в микроскопе уже. Кстати на всех этих картинках обращайте внимание на шкалу масштаба и на цифры в у параметра Mag, то есть увеличение! Вот уже можно рассмотреть надпись Droider с увеличением в 55 раз.

Так едем вниз к надписи поменьше.

Интересно, а какой толщины буква i в этой надписи — давайте глянем. Всего 100 микрометров, чуть толще человеческого волоса.

Так? но есть надпись и еще меньше — едем еще ниже и смотрим внимательнее.

Электронный микроскоп это устройство которым можно увеличить и исследовать структуру выбранного вещества.

Дифракция электронов используется для исследования структуры вещества, в частности и органических веществ (белки, полимеры).

С помощью прибора, называемого электронографом,
образуется электронное изображение объекта.

Если при этом обеспечивается его увеличение, то прибор называется электронным микроскопом.