اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری

آنالیزآنالیزها و تجهیزاتتصویر برداریزیست فناوریشیمی، پلیمر و نساجیصنایع غذاییمتالورژی و مهندسی موادمکانیک و هوافضانانوتکنولوژی

نوشته شده توسط:

اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری و همانگی این اجزا هنگام کار کنار همدیگر بر کیفیت تصاویر خروجی و نتایج به دست آمده از این دستگاه تاثیر بسیاری می گذارند. در ادامه پست مربوط به میکروسکوپ الکترونی عبوری در این پست در مورد اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری صحبت می کنیم و تک تک اجزای این میکروسکوپ را مورد بررسی قرار می دهیم. این دسته از میکروسکوپ‌ها شامل تجهیزاتی از جمله تفنگ الکترونی، عدسی های متمرکز کننده، عدسی های شیئی، عدسی های پراش، عدسی های حد واسط، عدسی های پروژکتوری، سیستم خلا، دوربین و غیره در ستون میکروسکوپ است.

اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری

اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری

تفنگ الکترونی

در بررسی اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری ابتدا تفنگ الکترونی را بررسی میکنیم. وظیفه این بخش ایجاد پرتوهای پرانرژی الکترون به منظور عبور آنها از نمونه های نازک مورد بررسی است.

هر تفنگ الکترونی در بالای میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM  قرار دارد و از ۲ بخش: منبع الکترونی (معروف به کاتد) و یک سیستم شتاب‌دهنده تشکیل شده است. متداول ترین نوع تفنگ های الکترونی، تفنگ الکترونی حرارتی (thermoionic) یا همان سیستم گسل گرما یونی است که الکترون ها را در محدوده ۴۰-۲۰۰ کیلوولت شتاب می‌دهد. تعیین میزان انرژی الکترون ها وابسته به جنس و ویژگی های نمونه همچنین به قدرت تفکیک مورد نیاز کاربر وابسته است. در برخی کاربردها خصوصاً در ضخامت‌های نسبتاً زیاد نمونه و یا در مواردی که نیاز به قدرت تفکیک بالا باشد، احتیاج به انرژی‌های الکترونی بالاتری است. برای این منظور میکروسکوپ‌هایی با ولتاژ متوسط (۴۰۰-۳۰۰ کیلوولت) و یا ولتاژ بالا (۳۰۰۰-۶۰۰ کیلوولت) ساخته شده‌اند. امروزه از میکروسکوپ‌های با انرژی بسیار بالا کمتر استفاده می‌شود زیرا قدرت تفکیک میکروسکوپ‌هایی با انرژی کمتر نیز به دلیل طراحی بهتر عدسی‌ها بهبود یافته‌اند و همچنین تکنیک‌های موثرتری برای آماده‌سازی نمونه ایجاد گردیده است. علاوه براین، امروزه تفنگ‌های انتشار میدانی (field emission) ساخته شده‌اند که می‌توانند پرتوهای الکترونی بسیار ظریفی تولید کنند (در حد ۱ نانومتر بر نمونه) و اینگونه تفنگ‌ها کاربرد فزاینده‌ای پیدا کرده است.

دو نوع تفنگ الکترونی رایج در میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده می شود:

سیستم گسیل گرما یونی

همانطور که عنوان شد معمول‌ترین سیستم مورد استفاده در تفنگ الکترونی، سیستم گسیل گرمایونی از یک رشته داغ است. در تفنگ الکترونی، الکترون‌ها از میان اختلاف پتانسیل ده‌ها یا صدها شتاب داده می‌شوند تا پرتویی از الکترون‌ها با انرژی کنترل شده را ایجاد کنند، که حاصل آن ایجاد پرتوی متراکم از الکترون‌های پرانرژی است.
در این تفنگ‌ها معمولاً از سیم تنگستن به عنوان کاتد استفاده شده که با عبور جریان، تا حدود ۲۸۰۰ کلوین گرم و در حالت پتانسیل منفی بالایی نسبت به آند و بقیه میکروسکوپ نگه داشته می‌شود. در این تفنگ‌ها، الکترون‌ها از فیلامنت داغ منتشر و به سوی آند شتاب داده می‌شوند. در نتیجه پرتویی از الکترون‌ها، از محفظه آند خارج می‌شود. آند صفحه مثبت است که موجب شتاب پیدا نمودن پرتوهای الکترونی می‌شود. فیلامنت ماده‌ای با نقطه ذوب بالا و تابع کار نسبتاً پایین است که امکان ساطع نمودن الکترون‌های بیشتری را می‌تواند فراهم نماید. فیلامنت معمولا از تنگستن یا لانتانیوم هگزابوراید (La2B6) ساخته می‌شود.

شماتیک تفنگ الکترونی تنگستنی

شماتیک تفنگ الکترونی تنگستنی

 

 

ساختار تفنگ کاتدی LaB6

ساختار تفنگ کاتدی LaB6

تفنگ گسیل میدانی

اگر سطح یک فلز تحت ولتاژ بسیار زیاد قرار گیرد (بزرگتر از۱۰۰V/m)به احتمال زیاد الکترون‌ها می‌توانند سطح آن را ترک کنند بدون اینکه نیازی به اعمال انرژی پیشنهادی توسط تابع باشد. این امر به دلیل اتفاق افتادن پدیده تونل‌زنی است که توسط مکانیک کوانتوم پیش بینی شده است. نتیجه این است که می‌توان الکترون‌های بسیار بیشتری نسبت به انتشار ترمیونیک از تنگستن استخراج کرد و روشنایی را هزار برابر یا بیشتر افزایش داد. جریان انتشار میدانی بر مبنای رابطه فولر-نوردلهم (Fowler-Nordlhim) به میدان اعمال شده F بستگی دارد:
تفنگ گسیل میدانی

که در آن Ef انرژی فرمی بوده که برای تنگستن حدود ۵eV در دمای محیط است. برای میدانی بیش از حدود   ۱۰۹×۵  ولت بر متر جریانی که توسط انتشار میدانی در دمای محیط منتشر می‌شود بیش از آن چیزی است که به صورت ترمویونیکی می‌تواند منتشر شود. برای اینکه چنین میدان بالایی اعمال شود باید منتشر کننده، معمولاً تنگستن، به شکل نوک تیز تهیه شود. قطر نوک منتشر کننده حدود ۰٫۱μm یعنی چندین برابر کوچکتر از نوک سوزن است. برای حفظ این نوک تیز در حین استفاده، باید محیط کاری آن حاوی یون‌های بسیار کمی باشد، پس باید از تکنیک خلا بسیار بالا استفاده نمود.

ساختار تفنگ گسیل میدانی

ساختار تفنگ گسیل میدانی

 

 

عدسی ها

میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM از عدسی های متعددی تشکیل شده است که هرکدام نام و وظیفه ی خاص خود را دارند:

عدسی‌های میانی و شیئی

نقش عدسی شیئی تشکیل اولین تصویر یا الگوی پراش میانی است که بعداً توسط عدسی‌های تصویری بزرگ شده و بر روی صفحه نمایش نموده می‌شود. مشخصه اساسی سیستم شیئی، نگهدارنده دریچه‌ها (aperture) است که این امکان را به وجود می‌آورد که یکی از سه یا چهار دریچه کوچک بتواند در جایی که صفحه کانونی شیئی قرار دارد و به درون ستون میکروسکوپ برده شود. دریچه شیئی، محدوده‌ای را که الکترون‌های پراکنده شده می‌توانند به طرف پائین ستون میکروسکوپ حرکت و در تشکیل تصویر مشارکت کنند (باید توجه داشت این محدوده به صورت زاویه‌ای در نظر گرفته می‌شود) تعیین می‌کند؛ بنابراین قطر دریچه، قدرت تفکیک نهایی را به دست می‌دهد، کنترل می‌کند. پس برای قدرت تفکیک بالا، دریچه‌ای بزرگ مورد نیاز است. عدسی‌های شیئی از حساس‌ترین بخش‌های TEM محسوب می‌شوند که نمونه بین آن‌ها قرار می‌گیرد. بزرگنمایی اولیه، کانونی نمودن تصویر و ایجاد الگوهای پراش توسط همین عدسی‌ها انجام می‌گیرد. این عدسی ها پرتوهای الکترونی را کانونی میکنند تا وقتی که پرتوهای الکترونی به نمونه می‌رسند پرتوهایی ظریف و پرانرژی باشند و بتوانند از نمونه عبور کنند.
در یک TEM، عدسی‌های اضافی دیگری نیز وجود دارد که بین نمونه و تصویر قرار می‌گیرند. اولین آنها، عدسی پراش می‌باشد که برای ایجاد الگوی پراش مورد استفاده قرار گیرد. هر عدسی نیز تصویر حاصل از عدسی‌های قبلی را بزرگتر می‌نماید. عدسی‌هایی که بعد از عدسی‌های پراش قرار دارند، عدسی‌های میانی نامیده شده و آخرین عدسی، عدسی پروژکتوری می‌باشد. جریانی که از هر عدسی عبور می‌نماید، فاصله کانونی و در نتیجه بزرگنمایی را کنترل می‌نماید. تصویر نمونه توسط هر عدسی به طور متوالی بزرگ شده تا اینکه در نهایت تصویری با بزرگنمایی مطلوب ایجاد شود. باید توجه شود که برای بزرگنمایی کمتر نیازی به استفاده از تمام عدسی‌ها نیست، لذا می‌توان یک یا تعداد بیشتری از عدسی‌های تصویر را خاموش کرد.

ایده کانونی شدن پرتوهای الکترونی توسط میدان مغناطیسی در سال ۱۹۲۰ عنوان شد و تاکنون نیز در میکروسکوپ‌های الکترونی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نکته کلیدی در فهم مکانیزم کار عدسی‌های مغناطیسی، جهت نیرویی است که روی الکترون در حال حرکت در یک میدان مغناطیسی اعمال می‌شود.  عدسی های الکترومغناطیس میدانی الکترومغناطیس به موازات حرکت الکترون ها ایجاد می‌کنند و الکترون ها با آنها برخورد ندارند و فقط نیروی حاصل از میدان الکترومغناطیس این عدسی ها باعث  حرکت الکترون در مسیر یک منحنی مارپیچ در طول عدسی می‌شود به محض آنکه الکترون شروع به حرکت مارپیچ نمود، مولفه سرعتی عمود بر صفحه پیدا می‌نماید و تحت تاثیر نیرویی در جهت شعاعی قرار می‌گیرد. در نتیجه مسیر مارپیچ تنگتر و کوچکتری را می‌پیماید و اثر آن این است که پرتوهای الکترونی موازی وارد عدسی می‌شود، در یک نقطه همگرا می‌شوند.(این دقیقا همان عملی است که یک عدسی شیشه‌ای در مقابل نور انجام می‌دهد).

 

محفظه نمونه

محفظه نمونه که در زیر قسمت سیستم متمرکز کننده قرار دارد. نمونه‌ی مورد نظر بایدبسیار کوچک باشد و خیلی دقیق در جای مناسب خود در بین عدسی‌های شیئی قرار گیرد. محفظه نمونه باید بتواند در حد چند میلی‌متر جابجا شده و به میزان زیادی بچرخد.  باید نمونه‌ای بسیار کوچک به طور بسیار دقیقی در جای مناسب خود در بین عدسی‌های شیئی قرار گیرد.  همچنین  اگر از میکروسکوپ برای آنالیز شیمیایی نیز استفاده شود، پرتو X باید بتواند از این محل خارج شود. برای دستیابی به این مشخصات از میله نگهدارنده نمونه استفاده می‌شود که می‌تواند نمونه‌ای به قطر ۳ میلی متر یا کوچکتر را که بر روی شبکه حمایتی با اندازه ۳ میلی متر قرار دارد، مابین قطب‌های عدسی‌های شیئی قرار دهد.

تصویر یک محفظه نمونه

تصویر یک محفظه نمونه

 

میله نگهدارنده نمونه از طریق دریچه (airlock) به داخل ستون میکروسکوپ برده می‌شود. این میله می‌تواند در جهت های x و y تا ۲ میلی‌متر حرکت کند تا نمونه در محل مناسب و مورد نظر قرار گیرد. این میله همچنین می‌تواند در حد کسری از میلی متر در جهت z جابجا شود تا نمونه در موقعیت صفحه شیئی عدسی جای گیرد.

میله نگهدارنده نمونه

میله نگهدارنده نمونه

   سیستم تصویر و صفحه نمایش

اولین تصویر ایجادشده به وسیله عدسی‌های بزرگنمایی ۱۰۰-۵۰ برابر دارد این تصویر توسط یک سری از عدسی‌های میانی و تصویری بزرگ شده و نهایتاً بر روی صفحه نمایش فلورسانس میکروسکوپ تابانده می‌شود. با استفاده از سری عدسی ها ، که هر سری می‌تواند تا بیست برابر تصویر را بزرگ نماید، به راحتی بزرگنمایی نهایی تا یک میلیون برابر قابل دستیابی خواهد بود.

 دوربین (camera)

به طور سنتی وقتی از دوربین صحبت می‌شود این مفهوم به ذهن می‌آید که برگه‌ای ظریف که همان فیلم عکاسی است در زیر صفحه نمایش قرار داده می‌شود و از طریق شاتر تحت تاثیر پرتو قرار می‌گیرد. در TEM فضای کافی و وسیعی در بخش زیرین صفحه نمایش وجود دارد، لذا می‌توان سیستم تصویربرداری گوناگونی را در آن جای داد. بدلیل در دسترس بودن و نیز پیچیده بودن تکنولوژی تصویربرداری دیجیتالی، امروز استفاده از دوربین‌های (CCD =charge-coupled device camera) از فراگیری بیشتری برخوردار است. ساده‌ترین سیستم‌های دیجیتالی از مورد مصرف، از یک سیستم ویدیوئی کامپیوتری که به سوی صفحه نمایش جهت گیری شده است، بهره می‌گیرند. اما این سیستم از محدودیت‌هایی نیز برخوردار است که به پایین بودن میزان نور ساطع شده از صفحه فسفری مربوط است. همچنین پایین بودن قدرت تفکیک این نوع سیستم بر محدودیت‌های آنها می‌افزاید. دوربین‌های بسیار پیچیده‌تری نیز موجود می‌باشند که می‌توانند تصاویر را با قدرت بالاتر که به معنی هزاران نقطه تصویری می‌باشد نشان دهند. این دوربین‌ها میزان نور صفحه فسفری را نیز می‌سنجند، اما در این حالت نور از طریق یک فیبر نوری به CCD کانالیزه و منتقل می‌گردد معمولاً CCD باید خنک گردد تا از میزان نویز کاسته شده و زمان‌های طولانی در معرض قرارگرفتن در برابر پرتو امکان پذیر گردد.

      پمپ خلاء

هر میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM نیاز به یک پمپ خلاء دارد تا در سیستم خلاء ایجاد کند و مانع اکسید شدن نمونه شود. همچنین شرایط پراش راحت تر الکترون را فراهم کند (در شرایط اتمسفر معمولی، الکترون‌هایی با انرژی  ۱۵KeV، تنها ۱۰cm  نفوذ می‌کنند.)  و ستون میکروسکوپ را تمیز نگاه دارد.

چرا از سیستم خلا بالا در میکروسکوپ های الکترونی استفاده می شود؟

دلایل اصلی استفاده از پمپ خلا در میکروسکوپ ها الکترونی عبارتند از:

۱-الکترون‌ها توسط مولکول‌های گاز براحتی پراکنش یافته به حدی که در شرایط اتمسفر معمولی، الکترون‌هایی با انرژی  ۱۵KeV، تنها ۱۰cm امکان نفوذ پیدا می‌نمایند.
۲-از اکسیداسیون نمونه جلوگیری می‌شود.
۳-ستون میکروسکوپ تمیز باقی می‌ماند.

خدمات  میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) در آنابیز

آنابیز با ارائه خدمات متنوع در زمینه های مختلف سعی دارد بستر مناسب برای انتخاب آزمایشگاه و دستگاه متناسب با نیاز شما را فراهم کند. با استفاده از این لینک میتوانید از آزمایشگا های ارائه دهنده خدمات میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) موجود در پلتفرم آنابیز اطلاع یابید.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *