كيف اشتعلت الإلكترونات: الجدول الزمني لتطوير الميكروسكوب الإلكتروني

هذه المقالة هي استمرار لسلسلة من المواد حول المجهر الإلكتروني في مرآب. فقط في حالة وجود رابط إلى المشكلة الأولى .

لقد وصل مشروعنا إلى المرحلة عندما تكون هناك حاجة إلى كاشف (إلكترونات ، ثانوية أو منعكسة). لكن أولاً سأخبرك لماذا هناك حاجة إلى هذا الكاشف الخاص وكيف وصل العلماء إلى تصميمه الحديث.



من أجل الوضوح ، سنفعل ذلك في شكل جدول زمني.

1873 - 1878

بالنظر إلى انتشار الضوء كعملية موجية ، حزن إرنست آبي بسبب عدم القدرة على التغلب على حد الانعراج في ذلك الوقت. "يبقى فقط مواساة أنفسنا بحقيقة أن العبقرية البشرية ستجد يومًا ما طرقًا للتغلب على هذا الحد ..." [1]

1935

في هذا الوقت ، أدرك العلماء أن الطول الموجي لحزمة الإلكترون صغير جدًا لدرجة أنه سيسمح لك ببناء مجهر متفوق بشكل كبير على المجهر الضوئي.
هذا العام ، حصل Max Knoll (و Ernst Ruska) أولاً على صورة عن طريق مسح سطح العينة باستخدام شعاع إلكتروني. لم يكن هناك نظام إضافي لتركيز الشعاع الإلكتروني ؛ وبالتالي ، كان أصغر قطر شعاع تم الحصول عليه 100 ميكرومتر.
[2]


الرقم من [3].

تم قياس تيار الشعاع بواسطة المكبرات الدقيقة ، لذلك كان من الممكن تضخيم الإشارة من عينة موصلة بمساعدة الأنابيب الإلكترونية التي تم تطويرها بالفعل في ذلك الوقت. وهذه هي الطريقة التي ظهر بها كاشف تيار التيار الممتص / العينة.


في الواقع ، حصل Knoll على صورة حقيقية في الإلكترونات الثانوية. لأن التيار الذي تمتصه العينة هو عدد الإلكترونات التي تضربها (شعاع المسح) ناقص تلك التي طارت أو انبعثت مرة ثانية.

تفاوتت الزيادة من 1x إلى 10x من خلال تغيير سعة تذبذبات الشعاع الإلكتروني في المجهر (الذي ، بالمناسبة ، أظهر V. Zvorykin سابقًا في مجهر بصري مجهز بكاميرا تلفزيون). للحصول على زيادة أكبر ، قم بتقليل قطر الشعاع.

صورة من الفيروسيليكون من [3].

1937

تم تطوير مضاعفات الكتروضوئية كهروستاتيكية حديثة ، ومن ثم ، للإيجاز ، PMT . تم تطوير PMT في الولايات المتحدة الأمريكية من قبل شركة RCA ، حيث عمل V. Zvorykin أيضًا على مجهر إلكتروني.


مثال على PMT مع الأجهزة الإلكترونية المتصلة. نفس سلطة النقد الفلسطينية المصنعة من قبل RCA ، نوع 4517.

PMT هو جهاز حساس للغاية ومناسب للكشف عن الفوتونات الفردية. مكاسبه حوالي 100 مليون.

مبدأ التشغيل بسيط للغاية. من خلال نافذة مدخل زجاج الكوارتز ، تدخل الفوتونات في مسار التصوير الضوئي.



يبعث الكاثود الضوئي الإلكترونات التي تطير إلى أقطاب كهربائية خاصة - ديناميات تقع في سلسلة. يكون معامل الانبعاث الثانوي للدينود أكثر من واحد: طار إلكترون واحد ، وأكثر من طائر. وبالتالي ، يتم الحصول على زيادة شبيهة بالانهيار الجليدي في عدد الإلكترونات ، والتي تصل أخيرًا إلى الأنود ، الذي تتم إزالة الإشارة المفيدة منه. يتم الحفاظ على فرق محتمل بين الديناميات باستخدام مقسم مقاوم ، لذلك يسمى PMT كهرباء ساكنة.

في PMT هذه ، تقع الديناميات بشكل غير خطي:

1938

استخدم Manfred von Ardenne العدسات الإلكتروستاتيكية والكهرومغناطيسية التي تم فتحها بالفعل (كما هو موضح في الشكل أعلاه لتركيز الحزمة في أنبوب أشعة الكاثود) لتقليل قطر الحزمة الإلكترونية حتى 4 نانومتر.

لكن تيار الشعاع أصبح صغيرًا جدًا ( $$$10 ^ {- 13}$أ ، أي حوالي 0.1 باسكال) ، أنه كان من المستحيل تضخيمه بمضخم الأنبوب الدافئ: كانت الإشارة المفيدة ضجيجًا أقل بكثير.

اضطررت إلى تسجيل الصورة الناتجة في الضوء (أو الانعكاس) على الفيلم ، مع وقت تعريض يبلغ حوالي 20 دقيقة. للتركيز ، كان هناك نظام منفصل مع بلورة صلبة من كبريتيد الزنك ، تم فحصه تحت المجهر الضوئي.

1942

في الوقت نفسه ، كان فلاديمير زفوريكين يعمل على مجهر إلكتروني. قام ببناء مجهر مسح إلكتروني بمعناه الحديث: عمود بصري إلكترون ، غرفة مع عينة ، ونظام فراغ. المسح وفقًا للمعيار على التلفزيون في ذلك الوقت في الولايات المتحدة الأمريكية: 441 خطًا ، 30 إطارًا / ثانية. ولكن مع انخفاض قطر الحزمة أقل من 1 ميكرون ، أصبح التيار صغيرًا جدًا ونتيجة للتضخيم كان هناك ضوضاء فقط.

كانت المحاولة التالية لزيادة تيار الشعاع وتطبيق كاثود بانبعاث المجال. للقيام بذلك ، اضطررت مرة أخرى إلى العودة إلى الأنبوب الزجاجي المختوم ، متناسيًا تغيير العينات. ولكن كان من الممكن الحصول على زيادة تجريبية قدرها 8000x.

بالعودة مرة أخرى إلى مجهر المسح الإلكتروني بنظام فراغ قابل للتحويل ، اقترح فلاديمير كوزميتش الحل التالي:

ضع الشاشة المضيئة بجوار العينة ، وعندها فقط اكتشف الفوتونات المنبعثة منها باستخدام مضاعف ضوئي (نفس الشركة التي عمل بها Zvorykin كانت تطور المضاعف الضوئي).


الرقم من [4].

تتمثل ميزة حل التحويل المزدوج هذا (الإلكترونات - الفوتونات - الإلكترونات) في أنه من الممكن تقليل سرعة المسح وبالتالي زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى المطلوبة.

من هنا ذهب وضع المسح البطيء (المسح البطيء) ، والذي هو أيضًا في المجاهر الإلكترونية الحديثة. ولكن بسبب هذا الوضع ، لم تعد الصورة معروضة في الوقت الفعلي ، ولكن تم تسجيلها بواسطة جهاز فاكس خاص (على ما يبدو تم إنتاجه من قبل نفس الشركة). ومرة أخرى ، تنشأ نفس المشكلة مع ضبط التركيز ، لكن فون أردين اقترح حلاً حتى قبل ذلك: من خلال مراقبة خط مسح واحد على مرسمة الذبذبات ، اضبط التركيز بحيث تسود الترددات العالية.

من المثير للاهتمام أن العينة كان لديها إمكانات + 800 فولت ، وتم تأريض الكاثود ، وتم تسريع الإلكترونات بواسطة الأنود إلى 10 كيلو فولت. وهكذا ، تحطمت الإلكترونات في الشاشة المضيئة بطاقة 9.2 كيلو فولت. كان ذلك ضروريًا لتشغيل العدسة الإلكتروستاتيكية الرابعة الغاطسة ، والتي كان من المفترض أن تؤثر على الإلكترونات الثانوية فقط ، وليس الشعاع الأولي.

1947

نشر بالويل ورقة أظهر فيها تجريبيًا اعتماد انبعاث الإلكترونات المنعكسة بمرونة على العدد الذري لعنصر لشعاع إلكترون بطاقة 20 كيلوفولت. كلما زاد العدد ، زاد انبعاث الإلكترونات. كان هذا اكتشافًا مهمًا إلى حد ما ، ولكن كان من الممكن الحصول على الصورة الأولى مع تباين بالرقم الذري فقط في عام 1957.

في الوقت الحالي ، مع تطور أجهزة الكشف الإلكترونية المنعكسة لأشباه الموصلات ، ليس من الصعب الحصول على مثل هذا التباين. هنا ، على سبيل المثال ، صورة من مقطع فيديو سابق عن غاليوم أنتيمونيد:



حتى عند الجهد المتسارع 15 كيلو فولت ، فإن التباين المركب ملحوظ للغاية.

1960 سنة

طور توماس إيفرهارت وريتشارد ثورنلي نسخة محسنة من كاشف الإلكترون ، والتي تسمى على شرفهم: كاشف إيفرهارت-تورنلي. هذا هو الكاشف الأكثر استخدامًا في مسح المجاهر الإلكترونية حتى يومنا هذا. في الواقع ، ظل المبدأ نفسه دون تغيير منذ عام 1942. تمت إضافة الطرافة في الكشف عن الإلكترونات المنعكسة بمرونة ، حيث يتم استخدام أجهزة استشعار أشباه الموصلات على نطاق واسع.

ماذا اقترح إيفرهارت وتورنلي؟ من الناحية التخطيطية ، يبدو هذا:

الرقم من [5].

في غرفة التفريغ بالمجهر توجد خلية فاراداي 1 بجانب العينة ، وداخلها توجد شاشة مضيئة 3 ( لمعان ) تنبعث منها الفوتونات عندما تضرب الإلكترونات. تمر هذه الفوتونات عبر الألياف 2 خارج غرفة التفريغ وتدخل PMT ، حيث يتم تحويلها مرة أخرى إلى إلكترونات على الكاثود الضوئي وتتضخم عدة مرات عن طريق انبعاث الإلكترونات الثانوية على الديناميات داخل PMT.

من أجل عدم صنع عدسة غامرة مثل Zvorykin ، وعدم الاحتفاظ بجدول الكائن بقدرة 800 فولت ، تعمل خلية فاراداي 1 كمجمع: تتلقى إمكانات إيجابية تبلغ حوالي 200-400 فولت ، والتي تجذب الإلكترونات الثانوية ذات طاقات منخفضة ، ولكن ليس لها أي تأثير عمليًا على شعاع الإلكترون الرئيسي.

لكن الإلكترونات ذات الطاقات التي تصل إلى مئات من المركبات الكهربائية لن تؤدي إلى إثارة الفوسفور وانبعاث عدد كاف من الفوتونات. لذلك ، فإن scintillator 3 (إذا كان معدناً ، إذا لم يكن كذلك ، فمن الضروري عمل عدسة إلكتروستاتيكية حوله) يتم تطبيق جهد تسارع بترتيب +12 كيلو فولت ، وهو مضمون لإثارة الفوسفور. بالمناسبة ، إذا لم يكن هناك خلية Faraday 1 ، فإن هذا الجهد سيكون له تأثير كبير على الحزمة الرئيسية ، مما يؤدي إلى انحرافها بقوة.


اللمعان الممعدن.

يبدو أن هناك الكثير من التحولات غير الضرورية ، لكنها "تعمل فقط".
في بداية المقال ، التقطت صورة للجزء الفراغي من كاشف Everhart-Thorneley ، حيث يمكنك أن ترى بوضوح قفص فاراداي ، وميض معدني ، والأسلاك التي تزود الجهد المتسارع ، وما إلى ذلك.

هكذا يرى اللمعان العالم المحيط :

في السلسلة التالية

الآن يمكنك صنع كاشف Everhart-Thorneley بشكل مستقل لـ JEOL ، مكبر للصوت الحالي الممتص ، ومحاولة جعل كاشف إلكترون يعكس أشباه الموصلات.

ملاحظة

لقد مر عام واحد منذ النشر الأول. خلال هذا الوقت ، تمكنت من تعلم الكثير ، اكتشافه بطرق عديدة ، ومشاركته معك. لمقابلة أشخاص مهمين للغاية ساعدوا المشروع بشكل كبير. واكتب عشر مقالات عن مجهر إلكتروني في مرآب.

بالطبع ، أردت أن أحمل المشروع إلى الصورة الأولى بحلول هذا التاريخ ، لكني كنت مشغولاً للغاية. ومع ذلك ، هناك مقالات جديدة حول الإلكترونيات والتجارب مع شعاع الإلكترون والمزيد غير ذلك - آمل أن تعجبك! مباشرة بعد نشر كل مقال ، أتحقق من كل بضع دقائق للتعليق على من يكتب ماذا ، سواء وافقوا ، أو إذا كانت هناك أخطاء في الدقة تتطلب التصحيح. على مدار العام ، هذه الملاحظات هي الدافع الرئيسي لمواصلة العمل في المشروع.

سنة جديدة سعيدة!

مصادر:

1. P. هوكس. البصريات الإلكترونية والميكروسكوب الإلكتروني. موسكو 1974.
2. المجهر الإلكتروني المسح الضوئي. عالم صغير من الاحتمالات الضخمة.
3. مسح المجهر الإلكتروني 1928-1965 د.ماكمولان ، مختبر كافنديش ، جامعة كامبريدج ، المملكة المتحدة.
4.www.rfcafe.com/references/radio-craft/scanning-electron-microscope-september-1942-radio-craft.htm
5. Bykov Yu.A.، Karpukhin S.D. المسح المجهري الإلكتروني والتحليل الدقيق للأشعة السينية. دليل الدراسة. سميت MSTU بعد NE بومان.