Отражательный электронный микроскоп
Описанный выше электронный микроскоп требует обязательно ультратонких объектов, так как он работает в результате прохождения электронов сквозь объект. Однако возможен электронный микроскоп, работающий благодаря отражению пучка электронов от поверхности самого объекта. Этого можно достичь, направляя пучок электронов на металлический образец почти касательно к поверхности и затем фокусируя пучок электронов, рассеиваемых поверхностью объекта. Этот метод имеет несколько неудобств. Во-первых, при работе, с электронным микроскопом желательно, чтобы все электроны имели одну и ту же начальную энергию; при отражении же электронов от металла происходит перераспределение их энергий, и они покидают объект с различными скоростями. Это неизбежно ведет к размыванию изображения, и в лучшем случае разрешение получается около 200 А по сравнению с 5 А для хороших инструментов, работающих в режиме «прохождения». Более того, так как мы рассматриваем пучок при почти скользящем падении, происходит значительное перспективное сокращение (в 50 раз и более) вдоль луча зрения. Поскольку в направлении, перпендикулярном лучу зрения, сокращения нет, то изображение сильно искажается.
Недавно предложена модификация, позволяющая непосредственно наблюдать поверхность объекта, так называемая иммерсионно-линзовая электронная микроскопия (название, возможно, неудачное). В этом устройстве используются электроны, испускаемые с поверхности объекта, когда ее, нагревают или бомбардируют пучком электронов. Например, раскаленная нить является источником электронов, необходимых для построения изображения линзой электронного микроскопа. Так как число испускаемых электронов в данном месте нити зависит от ее микрокристаллической
структуры, то грйницй между мельчайшими зврваыж' металла нити сами образуют электронное изображение* В другом устройстве поверхность металла бомбардируется электронным лучом. Изображения образуют вторичные электроны, по-разному выбиваемые из разных мест кристаллической структуры. Таким образом, получается изображение реакции поверхности на бомбардировку электронами, и, поскольку это связано с ориентацией поверхностных микрокристаллов, получается картина микрокристаллической структуры поверхности объекта.
Сканирующий электронный микроскоп
Одна из новинок техники, являющаяся развитием! конструкции уже описанного оптического микроскопа" с бегущим лучом, — это сканирующий электронный микроскоп. Особенно ценен он для изучения очень грубых поверхностей и дает изображение поразительной глубины. Принцип его работы в каком-то смысле обретен обычному электронному микроскопу. Посредством трех магнитных линз, следующих одна за другой, пучок электронов, вместо того чтобы образовать увеличенное изображение источника электронов, напротив, создает уменьшенное изображение источника в виде очень маленького пятна. В результате образуется нечто вроде электронного зонда, диаметр которого составляет всего 200 А, или 1/25 видимой световой волны. Это крохотное пятнышко фокусируют на объект^твердый предмет (не реплику), который устанавливают примерно под 45° к падающему электронному лучу. По пути к объекту электронный луч проходит через специальные «сканирующие» катушки, которые заставляют электронное пятно сканировать объект точно таким же образом, как электронный луч строит изображение на телевизионной трубке, но в предельно уменьшеном масштабе. Этот принцип весьма сходен с принципом работы оптического микроскопа с бегущим лучом; различие состоит в том, что кадр теперь образуется тонким электронным лучом.
Электрические колебания, обеспечивающие сканирование объекта электронным лучом, одновременноной трубил Когда тонкий электронный луч» сканирует поверхность предмета, эта поверхность испускает вторичные электроны. Последние попадают на специальную мишень и используются для управления яркостью изображения на телевизионном экране (опять точно так же, как в оптическом микроскопе с бегущим лучом, за исключением того, что там собирался на коллекторе и подавался на светочувствительный фотоумрожитель пучок света). Поскольку телевизионная трубка точно синхронизирована с микрокадром, вторичные электроны дают точное изображение.
Задача электронно-оптической системы в этом микроскопе состоит в создании зондирующего пучка электронов достаточно малых размеров, который фокусируется на объект. В итоге прибор может разрешать детали, отстоящие друг от друга на 500 А. Это, конечно» гораздо, меньше, чем дает обычный электронный ми«р©г скоп, но зато новый прибор обладает рядом достоинств. В нем достижимо увеличение до 200 000 раз. Увеличение изображения на экране телевизионной трубки есть просто отношение размера кадра на экране трубки к размеру микрокадра на объекте. Пусть кадр на телевизионной трубке имеет поперечник 50 см. Если нам удастся уменьшить размер микрокадра на объекте до 1/1000 см в поперечнике — а достичь этого можно без труда, — тогда изображение на экране в этом частном случае будет увеличено в 50 000 раз.
Ионный микроскоп
Электронный микроскоп с его трансформаторами высокого напряжения, вакуумными насосами, линзовыми системами и зспомогательной аппаратурой представляет собой достаточно внушительный образец электронного машиностроения (его вес может превышать тонну). Э. Мюллер (ФРГ) предложил остроумную конструкцию электронного микроскопа нового типа, замечательного своей простотой. Он назвал его ионным микроскопом. Принцип действия этого прибора основан на следующих соображениях. Предположим, у нас имеется маленький металлический шарик, находящийся в центре большого стеклянного баллона сферической формы. Изнутри стеклянная сфера покрыта тончайшим слоем металла, что делает поверхность проводящей, а также слоем флуоресцирующего вещества. Если из баллона выкачать воздух,, а между ним и шариком создать электрическое поле, то оно будет вырывать эйектроны из центрального гааV» рика, которые, падая на стенки баллона, будут вызывать свечение.
С маленького внутреннего шарика электроны летят по радиусам стеклянного баллона. Предположим, что по какой-либо причине на металлическом шарике имеется небольшая область, испускающая электроны легче, чем -соседние участки поверхности. Тогда более сильный поток электронов из этой области создаст на сфере яркое пятно. Пусть теперь на шарике будут две такие области, разделенные расстоянием, ясно, что на стенке баллона мы получим два ярких пятна, расстояние между которыми будет равно X. Очевидно, это увеличение равно отношению радиуса^ стеклянного баллона к радиусу маленького металлического шарика.
Мюллер попробовал заменить шарик острием иглы. Путем химического травления у тонкой вольфрамовой проволоки можно создать предельно тонкое острие, которое можно приближенно считать полушарием с очень малым радиусом кривизны; тогда радиус стеклянной сферы может в миллион и даже более раз превышать радиус острия иглы. Это означает, что два отдельных луча, исходящих из острия, вызовут появление на стенке баллона двух светящихся точек с увеличением расстояния между ними в миллионы раз. Затем Мюллер пропитал кончик иглы некоторыми органическими соединениями. Он обнаружил, что когда между острием и баллоном создавалось электрическое поле, то молекулы соединения ионизовались! Этот процесс состоял в отрыве отдельных электронов от молекул, входящих в соединение; какие именно электроны отрываются, зависит от их положений в молекулах и сил связи между молекулами. Следовательно, электроны из одной части молекулы отрываются легче, чем из другой. Но это в точности повторяет рассмотренный ранее случай, когда отдельные области острия испускают больше электронов, чем соседние.
Поскольку коэффициент увеличения огромен, то На экране регистрируется эмиссия электронов, вырванных из молекул, находящихся на острие иглы. При этом разрешение и увеличение настолько велики, что выявляется истинное расположение электронов в отдельных молекулах. Они обрисовывают истинную структуру молекул, которую химики зачаетую могут предсказывать ие теоретических «отражений. Оннсаниая же система заставляет отдельные молекулы делать свои собственные фотографии и при этом с огромным увеличением.
Следовательно, этот простой и вместе с тем изящный прибор представляет собой электронный микроскоп, правда весьма специализированного типа. Применение его довольно ограничено, и все-таки поразительно высокое разрешение и увеличение, которые он дает, не могут не вызывать восхищения, особенно если еще учесть крайнюю простоту устройства.