Como os elétrons capturados: linha do tempo para o desenvolvimento da microscopia eletrônica

Este artigo é uma continuação de uma série de materiais sobre um microscópio eletrônico em uma garagem. Por precaução, aqui está um link para a primeira edição .

Nosso projeto chegou ao estágio em que um detector é necessário (elétrons, secundários ou elasticamente refletidos). Mas primeiro vou explicar por que esse detector específico é necessário e como os cientistas chegaram ao seu design moderno.



Para maior clareza, faremos isso na forma de uma linha do tempo.

1873 - 1878

Considerando a propagação da luz como um processo de onda, Ernst Abbe ficou entristecido pela incapacidade de superar o limite de difração naquele momento. "Resta apenas nos consolar com o fato de que o gênio humano algum dia encontrará meios e meios para superar esse limite ..." [1]

1935

A essa altura, os cientistas perceberam que o comprimento de onda do feixe de elétrons é tão pequeno que permite construir um microscópio que é significativamente superior a um microscópio óptico.
Este ano, Max Knoll (e Ernst Ruska) obtiveram uma imagem pela primeira vez escaneando a superfície da amostra com um feixe de elétrons. Não havia um sistema adicional para focalizar o feixe de elétrons; portanto, o menor diâmetro de feixe obtido foi de 100 μm.
[2]


Figura de [3].

A corrente do feixe foi medida por micro-lâmpadas, sendo possível amplificar o sinal de uma amostra condutora com a ajuda de tubos de elétrons já desenvolvidos na época. E foi assim que o detector de corrente absorvida / corrente de amostra apareceu.


De fato, Knoll obteve uma imagem real nos elétrons secundários. Como a corrente absorvida pela amostra é quantos elétrons a atingem (feixe de varredura) menos aqueles que voaram ou foram emitidos pela segunda vez.

O aumento variou de 1x a 10x, alterando a amplitude das oscilações do feixe de elétrons no microscópio (que, a propósito, foi demonstrado anteriormente por V. Zvorykin em um microscópio óptico equipado com uma câmera de televisão). Para obter um aumento maior, reduza o diâmetro da viga.

Imagem de ferrosilicon de [3].

1937

Modernos multiplicadores fotoeletrônicos eletrostáticos foram desenvolvidos e, em breve, um PMT . O PMT nos EUA foi desenvolvido pela RCA Corporation, na qual V. Zvorykin também trabalhou em um microscópio eletrônico.


Um exemplo de PMT com eletrônicos conectados. O mesmo PMA fabricado pela RCA, tipo 4517.

O PMT é um dispositivo muito sensível, adequado para detectar fótons individuais. Seu ganho é de cerca de 100 milhões.

O princípio de operação é muito simples. Pela janela de entrada de vidro de quartzo, os fótons entram no fotocatodo.



O fotocatodo emite elétrons que voam para eletrodos especiais - dínodos localizados em série. O coeficiente de emissão secundária de dínodos é mais de um: um elétron entrou e mais de um saiu. Assim, é obtido um aumento do número de elétrons em forma de avalanche, que finalmente atinge o ânodo, do qual o sinal útil é removido. Uma diferença de potencial é mantida entre os dínodos usando um divisor resistivo, de modo que o PMT é chamado eletrostático.

Nesta PMT, os dínodos estão localizados não linearmente:

1938

Manfred von Ardenne usou lentes eletrostáticas e eletromagnéticas já abertas (mostradas na figura acima para focalizar o feixe em um tubo de raios catódicos) para reduzir o diâmetro do feixe de elétrons em até 4 nm.

Mas a corrente do feixe tornou-se tão pequena ( $$$10 ^ {- 13}$A, ou seja, cerca de 0,1 pA), que era impossível amplificá-lo com um amplificador de tubo quente: o sinal útil era muito menos ruído.

Eu tive que gravar a imagem resultante na luz (ou reflexão) no filme, com um tempo de exposição de cerca de 20 minutos. Para focalizar, havia um sistema separado com um cristal sólido de sulfeto de zinco, examinado ao microscópio óptico.

1942

Ao mesmo tempo, Vladimir Zvorykin estava trabalhando em um microscópio eletrônico. Ele construiu um microscópio eletrônico de varredura em seu sentido moderno: uma coluna elétron-óptica, uma câmara com uma amostra e um sistema de vácuo. Digitalização de acordo com o padrão na TV da época nos EUA: 441 linhas, 30 quadros / s. Porém, com uma redução no diâmetro do feixe menor que 1 mícron, a corrente ficou muito pequena e, como resultado da amplificação, houve apenas ruído.

A próxima tentativa foi aumentar a corrente do feixe e aplicar um cátodo com emissão de campo. Para fazer isso, tive que voltar novamente ao tubo de vidro selado, esquecendo a troca de amostras. Mas foi possível obter experimentalmente um aumento de 8000x.

Voltando novamente ao microscópio eletrônico de varredura com um sistema de vácuo comutável, Vladimir Kozmich propôs a seguinte solução:

Coloque a tela luminescente ao lado da amostra e só então detecte os fótons emitidos por ela usando um fotomultiplicador (a mesma empresa em que Zvorykin trabalhou estava desenvolvendo o fotomultiplicador).


Figura de [4].

A vantagem desta solução de dupla conversão (elétrons - fótons - elétrons) é que é possível reduzir a velocidade de varredura e, assim, aumentar a relação sinal / ruído para a necessária.

A partir daqui foi o modo de varredura lenta (varredura lenta), que também está nos microscópios eletrônicos modernos. Porém, devido a esse modo, a imagem não era mais exibida em tempo real, mas era gravada por um aparelho de fax especial (aparentemente produzido pela mesma empresa). E, novamente, o mesmo problema surge com o ajuste do foco, mas von Ardenne sugeriu uma solução ainda mais cedo: observando uma linha de varredura no osciloscópio, ajuste o foco para que as altas frequências prevaleçam.

É interessante que a amostra tivesse um potencial de + 800V, o cátodo foi aterrado e os elétrons foram acelerados pelo ânodo para 10 keV. Assim, elétrons colidiram com a tela luminescente com uma energia de 9,2 keV. Isso foi necessário para a operação da quarta lente eletrostática de imersão, que deveria afetar apenas elétrons secundários, e não o feixe inicial.

1947

Palluel publicou um artigo no qual ele demonstrou experimentalmente a dependência da emissão de elétrons refletidos elasticamente no número atômico de um elemento para um feixe de elétrons com uma energia de 20 keV. Quanto maior o número, maior a emissão de elétrons. Esta foi uma descoberta bastante importante, mas foi possível obter a primeira imagem com um contraste por número atômico apenas em 1957.

Atualmente, com o desenvolvimento de detectores de elétrons refletidos por semicondutores, não é difícil obter esse contraste. Aqui, por exemplo, está uma fotografia de um vídeo passado sobre antimoneto de gálio:



Mesmo a uma tensão de aceleração de 15 kV, o contraste de composição é muito perceptível.

1960 ano

Thomas Everhart e Richard Thornley desenvolveram uma versão aprimorada do detector de elétrons, que é chamado em sua homenagem: Everhart-Thornley Detector. Este é o detector mais comum usado na digitalização de microscópios eletrônicos até hoje. De fato, o próprio princípio permaneceu inalterado desde 1942. Novidade foi adicionada na detecção de elétrons refletidos elasticamente, onde sensores semicondutores são amplamente utilizados.

O que Everhart e Thornley sugeriram? Esquematicamente, fica assim:

Figura de [5].

Na câmara de vácuo do microscópio, uma célula Faraday 1 está localizada ao lado da amostra, e dentro dela existe uma tela luminescente 3 ( cintilador ) que emite fótons quando os elétrons atingem. Esses fótons passam através da fibra 2 fora da câmara de vácuo e entram no PMT, onde são convertidos novamente em elétrons no fotocátodo e amplificados muitas vezes pela emissão de elétrons secundários nos dínodos dentro do PMT.

Para não criar uma lente de imersão como Zvorykin e não manter a mesa de objetos com um potencial de 800 V, a célula Faraday 1 atua como um coletor: recebe um potencial positivo de cerca de 200 - 400 V, que atrai elétrons secundários com baixas energias, mas praticamente não tem efeito no feixe de elétrons principal.

Mas elétrons com energias da ordem de centenas de eV não levarão à excitação do fósforo e à emissão de um número suficiente de fótons. Portanto, o cintilador 3 (se for metalizado, se não for o caso, você precisará fazer uma lente eletrostática ao seu redor) é fornecido com uma tensão de aceleração da ordem de + 12 kV, que é garantida para excitar o fósforo. A propósito, se não houvesse célula Faraday 1, essa tensão teria um efeito significativo no feixe principal, defletindo-o fortemente.


Cintilador metalizado.

Parece que há muitas transformações desnecessárias, mas "simplesmente funciona".
No começo do artigo, tirei uma foto da parte de vácuo do detector Everhart-Thorneley, onde você pode ver claramente a gaiola de Faraday, um cintilador metalizado, fios que fornecem tensão acelerada e assim por diante.

E é assim que o cintilador vê o mundo ao redor :

Na próxima série

Agora você pode fazer independentemente um detector Everhart-Thorneley para o nosso JEOL, um amplificador de corrente absorvido, e tentar fazer um detector de elétrons refletido em semicondutor.

PS

Um ano se passou desde a primeira publicação. Durante esse período, consegui aprender muito, descobrir de várias maneiras e compartilhar com você. Conhecer pessoas muito interessantes que ajudaram muito o projeto. E escreva dez artigos sobre um microscópio eletrônico em uma garagem.

É claro que eu queria trazer o projeto para a primeira imagem até essa data, mas estava muito ocupado. No entanto, novos artigos sobre eletrônica, experimentos com o feixe de elétrons e muito mais estão chegando - espero que vocês gostem! Imediatamente após o lançamento de cada artigo, verifico a cada poucos minutos se há comentários sobre quem escreve o quê, se eles aprovam ou se existem imprecisões que exigem correção. Ao longo do ano, esse feedback é a principal motivação para continuar trabalhando no projeto.

Feliz Ano Novo!

Fontes:

1. P. Hawks. Ótica eletrônica e microscopia eletrônica. Moscow 1974.
2. O MICROSCÓPIO DE ELETRÔNICO DE DIGITALIZAÇÃO. Um pequeno mundo de enormes possibilidades.
3. MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE DIGITALIZAÇÃO 1928-1965 D. D. McMullan, Cavendish Laboratory, Universidade 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. Microscopia eletrônica de varredura e microanálise por raios-X. Guia de estudo. MSTU nomeado após N.E. Bauman.