Elektronový mikroskop

Zobrazovací systém – TEM

Osvětlovací systém má za úkol osvítit preparát požadovaným průměrem svazku s požadovanou úhlovou aperturou a proudovou hustotou. Zobrazovací soustava vytváří zvětšený obraz elektronového svazku prošlého preparátem, který nese informaci o jeho vnitřní struktuře.

Objektiv

Objektiv je nejdůležitější částí zobrazovací soustavy TEM, na jeho vlastnostech závisí dosažitelná rozlišovací schopnost. Omezení rozlišovací schopnosti je dáno především velikostí sférické vady, která klesá se zmenšující se ohniskovou vzdáleností objektivové čočky a maximální úhlovou aperturou objektivu danou průměrem objektivové clony (na obrázku – levý diagram zobrazuje průměr křižiště, pravý jej zanedbává).

Paprskový diagram objektivu:

Změnou průměru objektivové clony se dá zmenšit poškození preparátu elektronovým svazkem, ale za cenu snížení jasu snímaného obrazu, průměr clon se pohybuje v desítkách mikrometrů (20, 50, 80 m pro JEOL JEM–1010). Objektivová clona také plní funkci pohlcování elektronů odkloněných interakcemi v preparátu, clonou pronikají pouze elektrony odchýlené po určitý úhel.

Projektiv

Projektiv slouží k dosažení požadovaného celkového zvětšení v celém jeho rozsahu, protože ostatní čočky mají obvykle pevně nastavené zvětšení. K tomuto účelu se používá změny ohniskové vzdálenosti, což vyvolá rozostření obrazu při změně zvětšení. Při minimálním zvětšení se projevuje vliv zkreslení a při maximálním, kdy je ohnisková vzdálenost nejkratší, se především projevuje vliv chromatické vady. Zkreslení projektivu je důsledkem sférické vady a pro minimální zvětšení jej nelze dostatečně kompenzovat, proto je u elektronových mikroskopů udáváno minimální zvětšení, při němž je zaručeno příslušné rozlišení (pro JEOL JEM–1010 to je 5000×). Pro dosažení vyšší kvality se používají dva projektivy - pomocný a hlavní, kde pomocný projektiv mění zvětšení v celém rozsahu a hlavní projektiv je nastaven na pevnou hodnotu zvětšení.

Stínítko

K přímému pozorování je používáno luminiscenčních materiálů s účinností ~ 5 – 25 %, které pracují na principu katodoluminiscence. Stínítko je obvykle vyráběno z polykrystalického luminiscenčního materiálu. Rozlišovací schopnost je dána především rozptylem elektronů a rozptylem světla. Tloušťka luminiscenční vrstvy má minimální hodnotu pro dané urychlovací napětí, protože by část elektronů dopadla bez užitku na kovovou podložku stínítka.

Hlavní stínítko je umístěno kolmo k primárnímu svazku elektronů, vedle toho je mikroskop vybaven malým stínítkem, které je vůči primárnímu svazku umístěno pod určitým úhlem, aby bylo možno jej pozorovat binokulárem s obvyklým zvětšením 10 – 12 krát. Stínítko je používáno pouze pro rychlé hledání při zvětšeních do 100 000, protože pak dochází k extrémnímu poklesu jasu.

Kamera

Pro záznam obrazu je používáno CCD (Charge Coule Device) kamer a fotografický záznam. Snímání obrazu fotografickou cestou je postupně vytlačováno CCD kamerami, přesto je nadále používáno, protože dosahuje nejvyšší rozlišovací schopnosti. Citlivost fotografování stoupá se vzrůstajícím urychlovacím napětím, až do hodnoty kdy elektrony pronikají celou vrstvou. Citlivost fotografických materiálů používaných pro světlo je při použití v elektronové mikroskopii desetkrát menší, proto se v elektronové mikroskopii používají speciální materiály, které mají citlivost upravenou pro vlnové délky urychlených elektronů.

CCD snímače pracují na principu fotoefektu. V první fázi dojde k odsátí veškerého náboje ze snímače. V druhé fázi je přivedeno na elektrodu 1 kladné napětí a snímač se vystaví působení světla, kdy dopadající fotony vytváří v polovodiči elektron-díra páry. Elektrony jsou přitahovány k elektrodě 1, která je od polovodičové vrstvy oddělena nevodivou vrstvou SiO₂. Díry jsou přitahovány k záporné elektrodě - viz obrázek. Zelená tečkovaná čára znázorňuje hranice pixelu.

Vytváření náboje

v CCD snímači:

Po ukončení expozice dochází v třetí fázi ke sběru elektronů z jednotlivých pixelů. Sběr elektronů je prováděn snižováním napětí na elektrodě 1, vedle toho je na elektrodě 2 zvyšováno napětí, které přitahuje elektrony, jak je naznačeno na obrázku. Tento proces se poté děje mezi elektrodou 2 a 3. Celý cyklus se opakuje dokud nejsou odebrány elektrony ze všech pixelů. Elektrony vytváří na výstupu CCD snímače proud který je zesilován a dále zpracován pro digitální přenos.

Posun náboje na

výstup CCD snímače:

Pro elektronovou mikroskopii jsou používány CCD snímače ve spojení se scintilátory, například YAG krystalem (uměle vytvořený krystal granátu), nebo GOS fosforem (gadolinium oxy-sulfid). Optická vlákna přenáší fotony bezeztrátově přímo na CCD snímač, nebo je použito ostřící čočky, která vykazuje světelné ztráty. Kamery navíc mohou být chlazeny Peltierovým článkem, aby byl snížen šum snímače. Šum je snižován také pomocí metody binning, což je sdružování pixelů do matice 2×2 nebo 4×4. Tím se zvětší kapacita jednoho takto vytvořeného pixelu.

CCD snímač s YAG scintilátorem:

CCD kamera se umisťuje v elektronovém mikroskopu buďto místo zásobníků na filmy nebo do prostoru nad stínítko. Umístění pod stínítkem je určeno pro kamery s vysokým rozlišením, protože zde 3) vytvořený obraz je více zvětšen, než obraz nad stínítkem 1). Tak lze při stejné velikosti pixelu navýšit jejich počet na snímanou plochu

Umístění kamery:

Kamera MegaViewIII naznačená na pozici 1) je používána v elektronovém mikroskopu JEOL JEM–1010, rozlišení je 1376 × 1032 pixelů, lze aplikovat bining, barevná hloubka 12 bit, minimální počet snímků za sekundu 10 (dvojnásobný s použitím biningu 2 × 2), nepoužívá chlazení snímače, scintilátor je vyroben z fosforu optimalizovaného pro elektrony s energií 100 keV a zasouvání kamery je provedeno pneumatickým posuvem.