АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Рождение электронного микроскопа

Как мы уже говорили, нельзя увидеть объекты меньше полудлины волны света, а значит и нельзя получить изображения этих объектов меньше 1/4 микрона. Именно волновые свойства света определяют предел разрешения в микроскопе. Поэтому естественно было попытаться отказаться от фотонов и перейти к получению изображения с помощью потока электронов. Использование для этих целей электронов привело к возникновению в первой половине XX в. электронного микроскопа.

Успехи, достигнутые в начале XX в. в области теоретической физики, позволили сделать вывод о том, что распространение потока любых материальных частиц управляется волновыми законами, как это имеет место в случае светового потока. Согласно формуле, полученной Луи де Бройлем в 1923 г., l = h / mv, где l - длина волны излучения, m - масса частицы, v - скорость частицы, h - постоянная Планка.

Согласно этой формуле, длина волны уменьшается с увеличением массы и скорости движения частиц. Однако даже для частиц с наименьшей известной массой - электронов, движущихся с умеренной скоростью, соответствующая длина волны очень мала. По этой причине вполне естественным было использовать электроны для увеличения разрешающей способностью оптических приборов.

Установив, как зависит показатель преломления волн от свойств среды, т.е. силовых полей, в которых движется электрон, можно рассчитать его движение по законам геометрической оптики. С другой стороны, можно рассчитывать движение электрона по обычным законам механики, зная силы, действующие на электрон. Еще в 1830 г. на это обстоятельство обратил внимание В. Гамильтон. Он показал, что уравнениям механики можно придать вид, вполне аналогичный уравнениям геометрической оптики.

Способы расчета траекторий электронов в электромагнитных полях, используются ли методы механики или геометрической оптики, позволяют установить условия, при которых электроны, вышедшие из какого-либо источника, соберутся вновь в некоторой точке. Совокупность электрических и магнитных полей, в которых должен двигаться электрон, чтобы мы могли получить стигматическое изображение, представляет собой "электронные линзы" (магнитные и электростатические), играющие в электронной оптике такую же роль, как обычные линзы в геометрической оптике. По этим причинам расчет электронного микроскопа может быть выполнен по законам геометрической оптики.

В конце XIX в. была обнаружена возможность фокусировки электронных пучков с помощью электрических и магнитных полей. Существенным шагом на пути к созданию электронного микроскопа явилось появление в 1924-1927 гг. двух работ, принадлежащих перу французского физика Луи де Бройля и немецкого ученого Г. Буша. В первой из них было показано, что электроны имеют волновую природу, а согласно второй - любое неоднородное магнитное поле, имеющее вращательную симметрию, действует на электронные лучи так же, как на световые лучи действует оптическая линза. В 20-х годах XX в. появился термин "электронная оптика", введенный немецким физиком Э. Брюхе.

К началу 30-х годов XX в. немецкие ученые М. Кнолль и Э. Руска разработали магнитные линзы, а в 1931 - 1932 гг. при помощи магнитных и электростатических линз Кнолль, Руска и почти одновременно с ними Э. Брюхе и Г. Иохансон получают электронно-оптические изображения. Крупным вкладом в развитие электронной оптики было исследование А.А. Лебедева, выполненное в 1929 г., во время пребывания его в Англии. Им были показаны применимость и преимущества электромагнитной фокусировки при электронографировании [32]. Этот способ получения электронограмм в сходящемся электронном пучке получил название "дифракции по Лебедеву" [33].

Первые работы по электронной микроскопии в СССР были начаты в Государственном оптическом институте (ГОИ) в конце 1939 г. Вел их В.Н. Верцнер при содействии академика С.И. Вавилова. Примерно к этому времени за рубежом фирма "Сименс" приступила к выпуску промышленных образцов электронных микроскопов.

В 1940 г. в ГОИ был создан первый экспериментальный образец электронного микроскопа, дававший увеличение до 10000 крат и разрешение порядка 400 А. Начавшаяся Великая Отечественная война в значительной степени затормозила работы, но все же в 1942-1943 гг. в Йошкар-Ола, куда был эвакуирован ГОИ, удалось построить более совершенный макет электронного микроскопа с увеличением 20000 крат и разрешением 150 А [34]. В конце 1944 г. ГОИ было поручено создание небольшой серии электронных микроскопов с увеличением 25000 крат и разрешающей способностью в 100 А. В феврале 1946 г. была выпущена первая партия советских электронных микроскопов [35]. За их разработку А.А. Лебедеву, В.Н. Верцнеру и Н.Г. Зандину в 1947 г. была присуждена Государственная премия.

Рис. 7. Принципиальная схема электронного микроскопа

На рис. 7 изображена принципиальная схема магнитного электронного микроскопа ГОИ. Электронный пучок, вышедший из электронной пушки 1, концентрируется магнитной линзой 2 на предмете 3. Расходимость электронного пучка ограничивается диафрагмой 4. Электронная пушка вместе с конденсорной магнитной линзой и диафрагмой составляет осветительное устройство электронного микроскопа. Объектив электронного микроскопа образует линза 5 с апертурной диафрагмой 6. Для облегчения настройки прибора используется промежуточный экран 7. Изображение, порученное в плоскости промежуточного экрана, в свою очередь, является предметом для магнитной линзы 8, которая проектирует увеличенное изображение на экран 9. Это изображение может наблюдаться через стеклянные окна 10 в корпусе электронного микроскопа.

Минимальное фокусное расстояние объективной линзы равно 2 мм, а ее увеличение составляет 130 крат. Минимальное фокусное расстояние проекционной линзы равно 1 мм, при этом ее максимальное увеличение равно 200. Таким образом, результирующее увеличение электронного микроскопа равно произведению увеличений его объективной и проекционной линз и составляет 130Х200 = 26000 раз. Увеличенное во столько раз изображение рассматривается на блюдателем с помощью лупы, которая увеличивает его еще примерно в два раза. В результате общее увеличение электронного микроскопа ГОИ достигает 50000. Увеличение микроскопа можно при желании уменьшить, понизив ток в проекционной линзе. В результате этого ее фокусное расстояние возрастает, а увеличение уменьшается.

Рис. 8. Советские электронные микроскопы марки ГОИ: слева - конструкция 1955 г.; справа - 1947 г.; Политехнический музей. Москва

Общий вид электронного микроскопа ГОИ представлен на рис. 8. Один экземпляр этого микроскопа находится ныне в Отделе оптики Политехнического музея. Микроскоп имеет вид металлической колонны, укрепленной на специальном стенде. Внутри колонны размещены основые узлы микроскопа. В нижнюю часть вмонтированы экран и специальная кассета для фотопластинок. К основанию колонны присоединен диффузионный масляный насос.

Необходимый для работы вакуум создается отдельным ротационно-масляным насосом. К микроскопу подводится анодное напряжение 50 киловольт. Все магнитные линзы питаются от аккумуляторов, которые обеспечивают необходимое постоянство тока. Система питания электронного микроскопа размещается в отдельном металлическом шкафу, на передней панели которого расположены измерительные приборы.

Промышленное освоение электронных микроскопов системы ГОИ началось в 1947 г., а в 1949 г. было начато серийное промышленное производство более совершенной конструкции электронного микроскопа ЭМ-3 [36].

Как и предполагал Аббе, электронный микроскоп внешне совершенно не был похож на обычный оптический микроскоп и не имел с последним ничего общего, кроме названия. На прогресс электронной оптики существенное влияние оказало то обстоятельство, что к моменту ее появления была достаточно хорошо развита теория обычных оптических систем, основанная на геометрической оптике. Немаловажное значение сыграли электроника и вакуумная техника. В конце 70-х годов XX в. появились электронные микроскопы, позволяющие рассмотреть отдельные атомы.

Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 820 | Нарушение авторских прав