Электронный микроскоп

Волновые свойства частиц позволяют использовать их для получения изображений, т. е. создавать приборы, аналогичные оптическим. Наиболее важным является электронный микроскоп, обладающий большей разрешающей способностью, чем оптический, так как длину волны де Бройля, связанную с движущимся электроном, легко сделать очень малой, а разрешающая способность увеличивается по мере уменьшения длины волны (см. § 5.12). Действительно, в гипотезе де Бройля было найдено, что электрон, ускоренный разностью потенциалов U, имеет длину волны де Бройля так что для длины волны порядка 1 А требуется напряжение около 150 В.

Электронный микроскоп позволяет получать изображения либо «самосветящихся» (т. е. испускающих электроны) предметов, либо же тел, отражающих и пропускающих (с некоторым рассеянием) электронные пучки...

Рис 12.3

В обоих случаях электронный пучок, выходящий из некоторой точки «предмета», подвергается воздействию электрического или магнитного поля и либо собирается на люминесцирующем экране или фотопленке, создавая действительное «изображение», либо же создает дифракционную картину в фокальной плоскости линзы, куда помещается экран. Затем эта картина анализируется при помощи электронно-вычислительных машин с целью воспроизведения изображения.

Управление электронным пучком в микроскопе производится электрическими или магнитными полями. Действие их можно описать на языке «лучевой электронной оптики», подобно тому как работу обычных оптических приборов было удобно описать в терминах «лучевой оптики» (гл. 5).

Пусть электронный пучок, движущийся со скоростью , попадает в пространство между двумя параллельными сетками S1, S2 (рис. 12.3), между которыми создана тормозящая разность потенциалов Uт, превышающая ускорявшую электроны разность потенциалов Uуск.Тогда электроны будут постепенно тормозиться и окажутся выброшенными обратно из междусеточного пространства, причем, так как составляющая скорости, нормальная к вектору напряженности тормозящего поля, изменений не претерпит, угол падения окажется равным углу отражения — к электронам приложим закон отражения света.

Пусть теперь тормозящая разность потенциалов меньше ускоряющей. Тогда составляющая скорости, параллельная линиям напряженности поля, будет уменьшаться, но не до нуля. Электронный пучок пройдет сквозь сетки, испытав преломление: угол его с вертикалью станет больше, чем при входе в поле (рис. 12.4).

Рис. 12.4

Если же между сетками создано ускоряющее поле, то также произойдет преломление пучка (рис. 12.5), но теперь угол преломления уменьшится.

Рис 12.5

Рис 12.6

Иногда электрические линзы представляют систему диафрагм (в простейшем случае — одну диафрагму Д, рис. 12.6), находящихся под разными потенциалами. Примерная форма поверхностей равного потенциала показана на рисунке. Узкий пучок электронов, испускаемых точкой К катода, выходя под разными углами, будет подвергаться различному влиянию электрического поля. Так как более удаленные от оси электроны попадут в более сильное поле, то возможно, осуществить такую конфигурацию поля, при которой электроны, вышедшие из одной точки, снова соберутся в некоторой другой точке К1, т.е. осуществится процесс фокусировки.

В практическом отношении удобнее магнитные линзы. Так как сила Лоренца влияет лишь на составляющую скорости электрона, нормальную к вектору магнитной индукции, то при попадании в однородное магнитное поле с индукцией электрон будет двигаться по винтовой линии. При этом для электронов, скорости которых образуют малые углы с вектором индукции, продольные составляющие скорости практически одинаковы. Поэтому (так как время оборота под действием силы Лоренца не зависит от радиуса;) электроны фокусируются на оси поля.

Более удобны, однако, короткие катушки создающие сильно неоднородное поле, также обладающее фокусирующим действием. Удобство магнитных линз, в частности, заключается в возможности Легкого изменения оптической силы (для этого достаточно изменить ток в обмотке катушки, образующей линзу). Электронный микроскоп представляет подходящую комбинацию таких линз и зеркал.

Наиболее совершенные современные электронные микроскопы позволяют получать изображения различных микрообъектов, вплоть до крупных молекул. Существующие в настоящее время ионные микроскопы, работающие с пучком положительных ионов, требуют еще меньших разностей потенциалов при той же разрешающей силе.