Вакуумная электронная микроскопия

Электронная микроскопия – это новый метод исследования структуры твердых веществ на молекулярном уровне, включающий в себя анализ электрических и магнитных полей. Осуществляется с использованием электронного пучка для получения максимально увеличенного изображения

В отличие от оптических микроскопов, известных миру ещё с XVII века, впервые об электронном методе сканирования заговорили в 1938 году. Толчком к открытию инструмента послужили эксперименты немецкого ученого Ганса Буша, который открыл прямое воздействие электромагнитного поля на перемещение частиц, имеющих заряд. Именно он изобрел электромагнитные линзы, которые впоследствии вошли в конструкцию сканирующего электромикроскопа.

Главное назначение электронных микроскопов – сканирование и исследование наноматериалов. Стандартный электронный микроскоп имеет разрешающую способность с увеличением в 1 миллион раз (в качестве единицы измерения используются нанометры). По сравнению с привычным микроскопом электронный прибор показывает структуру молекул в 500 раз ближе.

Современный микроскоп электронного типа способен исследовать объекты размером менее 200 нанометров (менее 2*10-5 сантиметров). Оптический микроскоп не справится с данной задачей из-за того, что длина волны света имеет свой предел. Но если вместо фотона – центрального элемента оптической микроскопии – использовать электрический пучок (состоящий из электронов), то изменится и длина волны – она станет меньше.

Вместо фотонного источника в электронном микроскопе установлена пушка, которая генерирует электроны. Специальные движущиеся катушки наклоняют электронный пучок в нужном направлении. Точное попадание на микрообъект возможно благодаря использованию в механизме электромагнитных линз и линз с электростатическим эффектом. Фиксация полученного увеличенного изображения происходит отдельным рабочим прибором. Данные исследования сохраняются в удобном цифровом формате.

Преимущество электронного микроскопа – это фактическое получение 3D-скана объекта. Элемент можно рассмотреть в различных векторных направлениях, а также проанализировать его химическую структуру – то есть пучок электронов может проникать прямо в химический состав элементов, позволяя наблюдателю изучать свойства компонентов.

Данный способ исследования уже используется в стремительно развивающихся отраслях – атомной энергетике, медицине, создании наноматериалов, биологии, для выпуска новой электронной продукции.

Микроскопия с использованием пучков электронов может проводиться только в вакууме. Это связано с физическими свойствами самих электронов, которые не могут перемещаться свободно в условиях атмосферного давления. Для обеспечения процесса в системе необходимо поддерживать давление на уровне высокого и сверхвысокого вакуума.

В качестве высоковакуумных средств откачки используются безмасляные решения. Основным средством откачки являются турбомолекулярные насосы, гарантирующие предельное остаточное давление до 10^-10 мбар. Для достижения более глубокого разряжения устанавливаются ионно-геттерные насосы с нераспыляемым геттером. В качестве форвакуумной ступени выбираются как масляные (маслозаполненные пластинчато-роторные насосы), так и безмасляные технологии (спиральные, винтовые и мембранные насосы) в зависимости от требований по «чистоте» создаваемого вакуума.

Поскольку электроны контактируют с электромагнитным полем, на время проведения исследований необходимо исключить любую возможность влияния посторонних излучений на результаты анализов, а также необходимо полностью исключить все возможные вибрации исходящие от вакуумной системы. В случае с турбомолекулярными насосами разработаны специальные версии насосов с минимальным уровнем вибраций, не оказывающие влияния не процесс исследования.