कैसे इलेक्ट्रॉनों को पकड़ा गया: इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के विकास के लिए समयरेखा

यह लेख एक गैरेज में एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के बारे में सामग्री की एक श्रृंखला का एक निरंतरता है। बस के मामले में, यहाँ पहले मुद्दे के लिए एक कड़ी है।

हमारी परियोजना उस चरण में आई है जब एक डिटेक्टर की आवश्यकता होती है (इलेक्ट्रॉनों, माध्यमिक या elastically परिलक्षित)। लेकिन पहले मैं आपको बताता हूं कि इस विशेष डिटेक्टर की आवश्यकता क्यों है और वैज्ञानिक इसके आधुनिक डिजाइन में कैसे आए।



स्पष्टता के लिए, हम यह समयरेखा के रूप में करेंगे।

1873 - 1878

प्रकाश के प्रसार को एक तरंग प्रक्रिया के रूप में देखते हुए, अर्नस्ट अब्बे उस समय विवर्तन सीमा को पार करने में असमर्थता से दुखी थे। "यह केवल इस तथ्य के साथ खुद को सांत्वना देने के लिए रहता है कि मानव प्रतिभा किसी दिन इस सीमा को पार करने के तरीके और साधन ढूंढ लेगी ..." [1]

1935

इस समय तक, वैज्ञानिकों ने महसूस किया कि इलेक्ट्रॉन बीम की तरंग दैर्ध्य इतनी छोटी है कि यह आपको एक माइक्रोस्कोप बनाने की अनुमति देगा जो ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप से काफी बेहतर है।
इस वर्ष, मैक्स नोल (और अर्न्स्ट रसका) ने पहली बार एक इलेक्ट्रॉन बीम के साथ नमूना की सतह को स्कैन करके एक छवि प्राप्त की। इलेक्ट्रॉन बीम पर ध्यान केंद्रित करने के लिए कोई अतिरिक्त प्रणाली नहीं थी, इसलिए, प्राप्त की गई सबसे छोटी बीम व्यास 100 माइक्रोन थी।
[2]


चित्रा [३] से।

बीम वर्तमान को माइक्रोएम्पैस द्वारा मापा गया था, इसलिए पहले से ही विकसित इलेक्ट्रॉन ट्यूबों की मदद से एक प्रवाहकीय नमूने से संकेत को बढ़ाना संभव था। और यह कैसे अवशोषित वर्तमान / नमूना वर्तमान डिटेक्टर दिखाई दिया।


वास्तव में, नोल को माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों में एक वास्तविक छवि मिली। क्योंकि सैंपल द्वारा अवशोषित करंट कितने इलेक्ट्रॉनों ने इसे मारा (बीम को स्कैन करते हुए) माइनस किया, जो दूसरी बार उड़ गए या उत्सर्जित हो गए।

माइक्रोस्कोप में इलेक्ट्रॉन बीम दोलनों के आयाम को बदलकर 1x से 10x तक की वृद्धि हुई (जो, वैसे, पहले वी। ज़्वोरकिन द्वारा एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप में एक टेलीविज़न कैमरा से लैस किया गया था)। एक बड़ी वृद्धि प्राप्त करने के लिए, बीम के व्यास को कम करें।

[3] से फेरोसिलिकॉन की छवि।

1937

आधुनिक इलेक्ट्रोस्टैटिक फोटोइलेक्ट्रॉनिक मल्टीप्लायर विकसित किए गए हैं, और फिर, संक्षिप्तता के लिए, एक पीएमटी । यूएसए में पीएमटी को आरसीए कॉर्पोरेशन द्वारा विकसित किया गया था, जिसमें वी। ज़्वोरकिन ने इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप पर भी काम किया था।


कनेक्टेड इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ एक पीएमटी का एक उदाहरण। आरसीए द्वारा निर्मित वही पीएमए, टाइप 4517।

पीएमटी एक बहुत ही संवेदनशील उपकरण है, जो व्यक्तिगत फोटॉनों का पता लगाने के लिए उपयुक्त है। इसका लाभ लगभग 100 मिलियन है।

ऑपरेशन का सिद्धांत बहुत सरल है। क्वार्ट्ज ग्लास की प्रवेश खिड़की के माध्यम से, फोटोन फोटोकैथोड में प्रवेश करते हैं।



फोटोकैथोड उन इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है जो श्रृंखला में स्थित विशेष इलेक्ट्रोड - डायोड्स के लिए उड़ान भरते हैं । डायनोड्स के द्वितीयक उत्सर्जन का गुणांक एक से अधिक है: एक इलेक्ट्रॉन ने उड़ान भरी, और एक से अधिक ने उड़ान भरी। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉनों की संख्या में एक हिमस्खलन जैसी वृद्धि प्राप्त की जाती है, जो अंत में एनोड तक पहुंचती है, जिससे उपयोगी संकेत हटा दिया जाता है। एक प्रतिरोधक विभक्त का उपयोग करके डायनोड के बीच एक संभावित अंतर बनाए रखा जाता है, इसलिए पीएमटी को इलेक्ट्रोस्टैटिक कहा जाता है।

इस पीएमटी में, डायनोड गैर-स्थित हैं:

1938

Manfred von Ardenne ने पहले से खोले गए इलेक्ट्रोस्टैटिक और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक लेंस (ऊपर एक कैथोड रे ट्यूब में बीम को फ़ोकस करने के लिए दिखाया गया है) का इस्तेमाल किया और इलेक्ट्रॉन बीम के व्यास को 4 एनएम तक कम किया।

लेकिन बीम करंट इतना छोटा हो गया है ( $$$10 ^ {- 13}$ ए, यानी के बारे में 0.1 पीए), कि यह एक गर्म ट्यूब एम्पलीफायर के साथ बढ़ाना असंभव था: उपयोगी संकेत बहुत कम शोर था।

मुझे फिल्म पर प्रकाश (या प्रतिबिंब) में परिणामी छवि रिकॉर्ड करनी थी, जिसमें लगभग 20 मिनट का समय था। ध्यान केंद्रित करने के लिए, एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत जांच की गई जस्ता सल्फाइड के एक ठोस क्रिस्टल के साथ एक अलग प्रणाली थी।

1942

उसी समय, व्लादिमीर ज़्वोरकिन एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप पर काम कर रहा था । उन्होंने अपने आधुनिक अर्थों में एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का निर्माण किया: एक इलेक्ट्रॉन-ऑप्टिकल कॉलम, एक नमूना के साथ एक कक्ष और एक वैक्यूम सिस्टम। संयुक्त राज्य अमेरिका में उस समय टीवी पर मानक के अनुसार स्कैनिंग: 441 लाइनें, 30 फ्रेम / एस। लेकिन 1 माइक्रोन से कम बीम व्यास में कमी के साथ, वर्तमान बहुत छोटा हो गया और प्रवर्धन के परिणामस्वरूप केवल शोर था।

अगला प्रयास बीम वर्तमान को बढ़ाने और क्षेत्र उत्सर्जन के साथ एक कैथोड लागू करने का था। ऐसा करने के लिए, मुझे फिर से सील किए गए ग्लास ट्यूब पर लौटना पड़ा, नमूनों के परिवर्तन के बारे में भूल गया। लेकिन प्रयोगात्मक रूप से 8000x की वृद्धि प्राप्त करना संभव था।

स्केलेबल वैक्यूम सिस्टम के साथ स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में फिर से लौटना, व्लादिमीर कोज़्मिच ने निम्नलिखित समाधान का प्रस्ताव दिया:

नमूने के बगल में ल्यूमिनेसेंट स्क्रीन रखें, और उसके बाद ही एक फोटोमल्टीप्लायर (उसी कंपनी जिसमें ज़्वोरकिन ने काम किया था, फोटोमल्टीप्लायर विकसित कर रहा था) का उपयोग करके इसके द्वारा उत्सर्जित फोटोन का पता लगाएं।


चित्रा [4] से।

इस दोहरे रूपांतरण समाधान (इलेक्ट्रॉनों - फोटॉनों - इलेक्ट्रॉनों) का लाभ यह है कि स्कैनिंग गति को कम करना संभव है और इस प्रकार सिग्नल-टू-शोर अनुपात को आवश्यक एक तक बढ़ा दिया जाता है।

यहां से धीमी गति से स्कैनिंग (धीमी स्कैन) की गई, जो आधुनिक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में भी है। लेकिन इस मोड के कारण, छवि अब वास्तविक समय में प्रदर्शित नहीं हुई थी, लेकिन एक विशेष फैक्स मशीन (जाहिरा तौर पर उसी कंपनी द्वारा निर्मित) द्वारा दर्ज की गई थी। और फिर से, फोकस समायोजन के साथ एक ही समस्या उत्पन्न होती है, लेकिन वॉन अर्दीन ने पहले भी एक समाधान का सुझाव दिया था: आस्टसीलस्कप पर एक स्कैन लाइन का निरीक्षण करके, फोकस समायोजित करें ताकि उच्च आवृत्तियां प्रबल हों।

यह दिलचस्प है कि नमूने में + 800 वी की क्षमता थी, कैथोड को जमीन पर रखा गया था, और इलेक्ट्रॉनों को एनोड द्वारा 10 केवी तक त्वरित किया गया था। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉन 9.2 केवी की ऊर्जा के साथ ल्यूमिनसेंट स्क्रीन में दुर्घटनाग्रस्त हो गए। यह चौथे, विसर्जन इलेक्ट्रोस्टैटिक लेंस के संचालन के लिए आवश्यक था, जिसे केवल माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों को प्रभावित करना था, न कि प्रारंभिक बीम।

1947

पल्लूएल ने एक पेपर प्रकाशित किया, जिसमें उन्होंने प्रयोगात्मक रूप से 20 केवी की ऊर्जा के साथ एक इलेक्ट्रॉन बीम के लिए एक तत्व के परमाणु संख्या पर elastically परावर्तित इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन की निर्भरता दिखाई। जितनी बड़ी संख्या होगी, इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन उतना ही अधिक होगा। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी, लेकिन पहली छवि को एक विपरीत संख्या के साथ केवल 1957 में प्राप्त करना संभव था।

वर्तमान में, अर्धचालक परिलक्षित इलेक्ट्रॉन डिटेक्टरों के विकास के साथ, इस तरह के विपरीत को प्राप्त करना मुश्किल नहीं है। यहाँ, उदाहरण के लिए, गैलियम एंटीमोनोइड के बारे में पिछले वीडियो की एक तस्वीर है:



15 केवी के एक त्वरित वोल्टेज पर भी, संरचना विपरीत बहुत ध्यान देने योग्य है।

1960 वर्ष

थॉमस एवरहार्ट और रिचर्ड थॉर्नले ने इलेक्ट्रॉन डिटेक्टर का एक उन्नत संस्करण विकसित किया है, जिसे उनके सम्मान में कहा जाता है: एवरहार्ट-थॉर्नले डिटेक्टर। यह आज तक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपों ​​को स्कैन करने में उपयोग किया जाने वाला सबसे आम डिटेक्टर है। वास्तव में, सिद्धांत ही 1942 से अपरिवर्तित रहा है। व्यापक रूप से परावर्तित इलेक्ट्रॉनों की खोज में नवीनता को जोड़ा गया, जहां सेमीकंडक्टर सेंसर व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।

एवरहार्ट और थॉर्नले ने क्या सुझाव दिया? योजनाबद्ध रूप से, यह इस तरह दिखता है:

चित्रा [5] से।

माइक्रोस्कोप के वैक्यूम चेंबर में, एक फैराडे सेल 1 नमूना के बगल में स्थित है। इसके अंदर एक ल्यूमिनेन्सेंट स्क्रीन 3 ( स्किन्टिलेटर ) है जो इलेक्ट्रॉनों के हिट होने पर फोटॉन का उत्सर्जन करता है। ये फोटोन वैक्यूम चेंबर के बाहर फाइबर 2 से गुजरते हैं और पीएमटी में प्रवेश करते हैं, जहां उन्हें फोटोकैथोड पर इलेक्ट्रॉनों में परिवर्तित किया जाता है और पीएमटी के अंदर डायनोड पर माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन द्वारा कई बार प्रवर्धित किया जाता है।

Zvorykin की तरह एक विसर्जन लेंस नहीं बनाने के लिए, और 800 V की क्षमता पर ऑब्जेक्ट टेबल को न रखने के लिए, फैराडे 1 सेल एक कलेक्टर का कार्य करता है: यह लगभग 200 - 400 V की सकारात्मक क्षमता प्राप्त करता है, जो कम ऊर्जा वाले माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करता है, लेकिन व्यावहारिक रूप से कोई प्रभाव नहीं पड़ता है मुख्य इलेक्ट्रॉन बीम पर।

लेकिन सैकड़ों ईवी के आदेश की ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों को फॉस्फोर की उत्तेजना और पर्याप्त संख्या में फोटॉनों के उत्सर्जन के लिए नेतृत्व नहीं किया जाएगा। इसलिए, scintillator 3 (यदि इसे धातुकृत किया जाता है, यदि नहीं, तो आपको इसके चारों ओर एक इलेक्ट्रोस्टैटिक लेंस बनाना होगा) + 12 kV के क्रम के एक त्वरित वोल्टेज के साथ आपूर्ति की जाती है, जो फॉस्फर को उत्तेजित करने की गारंटी है। वैसे, अगर फैराडे 1 सेल नहीं थे, तो इस वोल्टेज का मुख्य बीम पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव होगा, इसे दृढ़ता से विक्षेपित करना।


मेटैलिज्ड स्किंटिलिएटर।

ऐसा लगता है कि बहुत सारे अनावश्यक परिवर्तन हैं, लेकिन "यह सिर्फ काम करता है।"
लेख की शुरुआत में, मैंने एवरहार्ट-थोरनेली डिटेक्टर के वैक्यूम भाग की एक तस्वीर ली, जहां आप स्पष्ट रूप से फैराडे पिंजरे, एक धातुयुक्त स्किन्टिलर, तेज वोल्टेज की आपूर्ति करने वाले तारों और इतने पर देख सकते हैं।

और यह है कि कैसे scintillator आसपास की दुनिया को देखता है :

अगली श्रृंखला में

अब आप स्वतंत्र रूप से हमारे जेईओएल के लिए एक एवरहार्ट-थोरनेली डिटेक्टर बना सकते हैं, एक अवशोषित वर्तमान एम्पलीफायर, और एक अर्धचालक परावर्तित इलेक्ट्रॉन डिटेक्टर बनाने की कोशिश करें।

पुनश्च

पहले प्रकाशन को एक वर्ष बीत चुका है। इस समय के दौरान, मैं बहुत कुछ सीखने में कामयाब रहा, कई तरीकों से इसका पता लगाया और इसे आपके साथ साझा किया। बहुत दिलचस्प लोगों से मिलने के लिए जिन्होंने परियोजना में बहुत मदद की है। और, एक गैरेज में एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के बारे में दस लेख लिखें।

बेशक, मैं इस तारीख तक परियोजना को पहली छवि में लाना चाहता था, लेकिन मैं बहुत व्यस्त था। फिर भी, इलेक्ट्रॉनिक्स के बारे में नए लेख, इलेक्ट्रॉन बीम के साथ प्रयोग और बहुत कुछ आ रहा है - मुझे आशा है कि आपको यह पसंद आएगा! प्रत्येक लेख के जारी होने के तुरंत बाद, मैं उन टिप्पणियों के लिए हर कुछ मिनटों की जांच करता हूं कि कौन क्या लिखता है, क्या वे अनुमोदन करते हैं, या यदि गलतियां सुधार की आवश्यकता होती हैं। पूरे वर्ष के दौरान, यह प्रतिक्रिया परियोजना पर काम करना जारी रखने की मुख्य प्रेरणा है।

नया साल मुबारक हो!

सूत्रों का कहना है:

1. पी। हॉक्स। इलेक्ट्रॉनिक प्रकाशिकी और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी। मास्को 1974।
2. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कैप। विशाल संभावनाओं की एक छोटी सी दुनिया।
3. SCANNING ELECTRON MICROSCOPY 1928-1965। डी। मैकमुलेन, कैवेंडिश प्रयोगशाला, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय, ब्रिटेन।
4. www.rfcafe.com/references/radio-craft/scanning-electron-microscope-september-1942-radio-craft.htm
5. बाइकोव यू.ए., करपुखिन एस.डी. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और एक्स-रे माइक्रोएनालिसिस। गाइड का अध्ययन करें। MSTU के नाम पर रखा गया बाऊमन।