Cómo atraparon los electrones: línea de tiempo para el desarrollo de la microscopía electrónica

Este artículo es una continuación de una serie de materiales sobre un microscopio electrónico en un garaje. Por si acaso, aquí hay un enlace al primer número .

Nuestro proyecto ha llegado al escenario cuando se necesita un detector (electrones, secundarios o reflejados elásticamente). Pero primero le diré por qué se necesita este detector en particular y cómo los científicos llegaron a su diseño moderno.



Para mayor claridad, haremos esto en forma de una línea de tiempo.

1873 - 1878

Considerando la propagación de la luz como un proceso de onda, Ernst Abbe se entristeció por la incapacidad de superar el límite de difracción en ese momento. "Solo queda consolarnos con el hecho de que el genio humano algún día encontrará formas y medios para superar este límite ..." [1]

1935

En este momento, los científicos se dieron cuenta de que la longitud de onda del haz de electrones es tan pequeña que le permitirá construir un microscopio que es significativamente superior a un microscopio óptico.
Este año, Max Knoll (y Ernst Ruska) obtuvieron una imagen escaneando la superficie de la muestra con un haz de electrones. No había un sistema adicional para enfocar el haz de electrones; por lo tanto, el diámetro de haz más pequeño que se obtuvo fue de 100 μm.
[2]


Figura de [3].

La corriente del haz se midió mediante microamperios, por lo que fue posible amplificar la señal de una muestra conductora con la ayuda de tubos de electrones ya desarrollados en ese momento. Y así es como apareció el detector de corriente absorbida / corriente de muestra.


De hecho, Knoll obtuvo una imagen real en electrones secundarios. Debido a que la corriente absorbida por la muestra es cuántos electrones la alcanzan (haz de exploración) menos aquellos que se alejaron o se emitieron por segunda vez.

El aumento varió de 1x a 10x al cambiar la amplitud de las oscilaciones del haz de electrones en el microscopio (que, por cierto, V. Zvorykin demostró previamente en un microscopio óptico equipado con una cámara de televisión). Para obtener un aumento mayor, reduzca el diámetro de la viga.

Imagen de ferrosilicio de [3].

1937

Se han desarrollado modernos multiplicadores fotoelectrónicos electrostáticos y, por brevedad, un PMT . El PMT en EE. UU. Fue desarrollado por RCA Corporation, en la cual V. Zvorykin también trabajó en un microscopio electrónico.


Un ejemplo de un PMT con electrónica conectada. El mismo PMA fabricado por RCA, tipo 4517.

PMT es un dispositivo muy sensible, adecuado para detectar fotones individuales. Su ganancia es de unos 100 millones.

El principio de funcionamiento es muy simple. A través de la ventana de entrada de vidrio de cuarzo, los fotones entran al fotocatodo.



El fotocátodo emite electrones que vuelan a electrodos especiales: dinodos ubicados en serie. El coeficiente de emisión secundaria de dinodos es más de uno: un electrón entró y más de uno salió. Por lo tanto, se obtiene un aumento similar a una avalancha en el número de electrones, que finalmente alcanzan el ánodo, del cual se elimina la señal útil. Se mantiene una diferencia de potencial entre los dinodos usando un divisor resistivo, por lo que el PMT se llama electrostático.

En este PMT, los dinodos se encuentran de forma no lineal:

1938

Manfred von Ardenne utilizó lentes electrostáticas y electromagnéticas ya abiertas (que se muestran en la figura anterior para enfocar el haz en un tubo de rayos catódicos) para reducir el diámetro del haz de electrones hasta 4 nm.

Pero la corriente del haz se ha vuelto tan pequeña ( $$$10 ^ {- 13}$A, es decir aproximadamente 0.1 pA), que era imposible amplificarlo con un amplificador de tubo caliente: la señal útil era mucho menos ruido.

Tuve que grabar la imagen resultante a la luz (o reflejo) en la película, con un tiempo de exposición de aproximadamente 20 minutos. Para enfocar, había un sistema separado con un cristal sólido de sulfuro de zinc, examinado bajo un microscopio óptico.

1942

Al mismo tiempo, Vladimir Zvorykin estaba trabajando en un microscopio electrónico. Construyó un microscopio electrónico de barrido en su sentido moderno: una columna óptico-electrónica, una cámara con una muestra y un sistema de vacío. Escaneo de acuerdo con el estándar de TV en ese momento en los EE. UU .: 441 líneas, 30 cuadros / s. Pero con una disminución en el diámetro del haz inferior a 1 micra, la corriente se hizo demasiado pequeña y como resultado de la amplificación solo hubo ruido.

El siguiente intento fue aumentar la corriente del haz y aplicar un cátodo con emisión de campo. Para hacer esto, nuevamente tuve que volver al tubo de vidrio sellado, olvidando el cambio de muestras. Pero fue posible obtener experimentalmente un aumento de 8000x.

Volviendo nuevamente a un microscopio electrónico de barrido con un sistema de vacío conmutable, Vladimir Kozmich propuso la siguiente solución:

Coloque la pantalla luminiscente al lado de la muestra, y solo entonces detecte los fotones emitidos por ella utilizando un fotomultiplicador (la misma compañía en la que trabajó Zvorykin estaba desarrollando el fotomultiplicador).


Figura de [4].

La ventaja de esta solución de doble conversión (electrones - fotones - electrones) es que es posible reducir la velocidad de exploración y así aumentar la relación señal / ruido a la requerida.

A partir de aquí se pasó al modo de exploración lenta (exploración lenta), que también se encuentra en los microscopios electrónicos modernos. Pero debido a este modo, la imagen ya no se mostraba en tiempo real, sino que fue grabada por una máquina de fax especial (aparentemente producida por la misma compañía). Y nuevamente, el mismo problema surge con el ajuste del enfoque, pero von Ardenne sugirió una solución incluso antes: observando una línea de exploración en el osciloscopio, ajuste el enfoque para que prevalezcan las frecuencias altas.

Es interesante que la muestra tenía un potencial de + 800V, el cátodo estaba conectado a tierra y el ánodo aceleró los electrones a 10 keV. Así, los electrones se estrellaron contra la pantalla luminiscente con una energía de 9.2 keV. Esto era necesario para el funcionamiento de la cuarta lente electrostática de inmersión, que se suponía que afectaba solo a los electrones secundarios, y no al haz inicial.

1947

Palluel publicó un artículo en el que demostró experimentalmente la dependencia de la emisión de electrones reflejados elásticamente en el número atómico de un elemento para un haz de electrones con una energía de 20 keV. Cuanto mayor es el número, mayor es la emisión de electrones. Este fue un descubrimiento bastante importante, pero fue posible obtener la primera imagen con un contraste por número atómico solo en 1957.

Actualmente, con el desarrollo de detectores de electrones reflejados por semiconductores, no es difícil obtener tal contraste. Aquí, por ejemplo, hay una fotografía de un video pasado sobre antimonuro de galio:



Incluso a una tensión de aceleración de 15 kV, el contraste compositivo es muy notable.

1960 año

Thomas Everhart y Richard Thornley han desarrollado una versión mejorada del detector de electrones, que se llama en su honor: Detector Everhart-Thornley. Este es el detector más común utilizado en la exploración de microscopios electrónicos hasta el día de hoy. De hecho, el principio en sí no ha cambiado desde 1942. Se agregó novedad en la detección de electrones reflejados elásticamente, donde los sensores de semiconductores son ampliamente utilizados.

¿Qué sugirieron Everhart y Thornley? Esquemáticamente, se ve así:

Figura de [5].

En la cámara de vacío del microscopio, se encuentra una celda Faraday 1 al lado de la muestra, dentro de la cual se encuentra una pantalla luminiscente 3 ( centelleador ) que emite fotones cuando los electrones golpean. Estos fotones pasan a través de la fibra 2 fuera de la cámara de vacío y entran al PMT, donde se convierten de nuevo en electrones en el fotocátodo y se amplifican muchas veces por emisión de electrones secundarios en los dinodos dentro del PMT.

Para no hacer una lente de inmersión, como Zvorykin, y no mantener la mesa de objetos a un potencial de 800 V, la celda Faraday 1 realiza la función de un colector: recibe un potencial positivo de aproximadamente 200-400 V, que atrae electrones secundarios con bajas energías, pero prácticamente no tiene efecto en el haz de electrones principal.

Pero los electrones con energías del orden de cientos de eV no conducirán a la excitación del fósforo ni a la emisión de un número suficiente de fotones. Por lo tanto, el centelleador 3 (si está metalizado, si no, entonces debe hacer una lente electrostática a su alrededor) se le suministra un voltaje de aceleración del orden de + 12 kV, que garantiza que excita el fósforo. Por cierto, si no hubiera una celda Faraday 1, entonces este voltaje tendría un efecto significativo en el haz principal, desviándolo fuertemente.


Centellador metalizado.

Parece que hay muchas transformaciones innecesarias, pero "simplemente funciona".
Al comienzo del artículo, tomé una fotografía de la parte de vacío del detector Everhart-Thorneley, donde se puede ver claramente la jaula de Faraday, un centelleador metalizado, cables que suministran voltaje de aceleración, etc.

Y así es como el centelleador ve el mundo circundante :

En la proxima serie

Ahora puede hacer de forma independiente un detector Everhart-Thorneley para nuestro JEOL, un amplificador de corriente absorbida, y tratar de hacer un detector de electrones reflejados en semiconductores.

PS

Ha pasado un año desde la primera publicación. Durante este tiempo, logré aprender mucho, resolverlo de muchas maneras y compartirlo con ustedes. Conocer personas muy interesantes que han ayudado mucho al proyecto. Y escriba diez artículos sobre un microscopio electrónico en un garaje.

Por supuesto, quería llevar el proyecto a la primera imagen para esta fecha, pero estaba muy ocupado. Sin embargo, están llegando nuevos artículos sobre electrónica, experimentos con el haz de electrones y mucho más. ¡Espero que les guste! Inmediatamente después de la publicación de cada artículo, reviso cada pocos minutos los comentarios sobre quién escribe qué, si lo aprueban o si hay imprecisiones que requieren corrección. A lo largo del año, esta retroalimentación es la principal motivación para continuar trabajando en el proyecto.

Feliz año nuevo

Fuentes:

1. P. Hawks. Óptica electrónica y microscopía electrónica. Moscú 1974.
2. EL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE ESCANEO. Un pequeño mundo de enormes posibilidades.
3. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE ESCANEO 1928-1965. D. McMullan, Cavendish Laboratory, Universidad de Cambridge, Reino Unido.
4.www.rfcafe.com/references/radio-craft/scanning-electron-microscope-september-1942-radio-craft.htm
5. Bykov Yu.A., Karpukhin S.D. Microscopía electrónica de barrido y microanálisis de rayos X. Guía de estudio. MSTU nombrado después N.E.Bauman.