Оптическая схема просвечивающего электронного микроскопа

Одной из наиболее важных характеристик объектива является разрешающая способность линзы, т. е. свойство линзы разрешать близко расположенные детали образца. Иными словами, разрешающая способность объективной линзы — это наименьшее расстояние между двумя точками объекта, при котором эти точки на изображении разрешаются как две отдельные точки. Предельная разрешающая способность линзы определяется дифракционными свойствами линзы и может быть записана в виде.

где л — длина волны света, используемого для освещения объекта;

A — числовая апертура объективной линзы.

Другой характеристикой линзы является глубина резкости. Она характеризует величину смещения образца вдоль оптической оси, которое может быть произведено без заметного ухудшения фокусировки изображения.

Наряду с дифракционными ограничениями разрешающую способность линз ухудшают различного рода дефекты, называемые в оптике аберрациями. Наиболее распространенными считаются пять типов аберраций: сферическая и хроматическая аберрации, астигматизм, кома, и дисторсия.

Рис. 2. Аберрации линз. а) сферическая аберрация, б) кома, в) хроматическая аберрация, г) астигматизм, д) — дисторсия

Сферическая аберрация обусловлена тем, что лучи, проходящие через участки линзы, расположенные на различных расстояниях от оптической оси, фокусируются на различных расстояниях от центра линзы, т. е. имеют слегка отличные фокусные расстояния. Поэтому фокус линзы будет размыт вдоль оптической оси. Это главный дефект объективных линз, в особенности в электронной микроскопии. Если рассматривать изображения точек образца, располагающихся на некотором расстоянии от оптической оси линзы, то изображения их будут размытыми даже в случае полной компенсации сферической аберрации. Такие искажения получили название кома.

Хроматическая аберрация возникает в случае освещения объекта немонохроматическим светом. Световые лучи более короткой длины волны преломляются6 меньше, чем лучи более длинноволновые, отсюда возникает цветовое размытие фокуса вдоль оптической оси.

Более сложным видом искажений является астигматизм. Он обусловлен нарушением осевой симметрии линзы и приводит к отличию фокусных расстояний для лучей, проходящих в плоскости рисунка, и лучей, располагающихся в перпендикулярной плоскости. Искажения этого типа особенно существенны для электронной микроскопии, т.к. изготовить магнитную линзу (диаметры полюсных сердечников такой линзы могут составлять 10 см. и более) с высокой степенью осевой симметрии достаточно сложно.

И, наконец, аберрация, называемая дисторсией, возникает, когда отдельные точки объекта, располагающиеся на разных расстояниях от оптической оси, имеют разное увеличение. В случае, когда увеличение уменьшается с увеличением расстояния от оптической оси, дисторсия называется бочковидной, в противоположном случае — подушковидной.

В оптической микроскопии перечисленные виды аберраций в значительной степени удается скорректировать высоким качеством изготовления оптики и применением специальных сложных объективов (ахроматические, апохроматические). Однако, полностью исправить все аберрации линз практически невозможно.

Образцы Образец должен быть твердофазным, проводящим. При необходимости на образец наносится аморфная углеродная пленка. Стандартный держатель для методики ПЭМ8 предоставляет возможность изучения объемных образцов, максимальный внешний размер которых составляет 3 мм. Толщина исследуемых образцов не должна превышать 0,2 мкм. Место в образце, представляющее интерес для изучения, должно быть прозрачно для пучка проходящих электронов, т. е. его толщина не более 50−70 нм.

Косвенные методы исследования применяются при изучении в ПЭМ поверхности массивных объектов. Обычно прибегают к методу отпечатков — реплик, которые готовятся в виде тонких пленок из материала, отличного от материала объекта, и точно передающего рельеф его поверхности. Сущность метода состоит в том, что на поверхность исследуемого образца наносится тонкий слой вещества, который затем отделяется тем или иным способом и изучается на просвет в просвечивающем электронном микроскопе. Применяемые способы приготовления реплик весьма разнообразны по технике изготовления и использования материалов — в зависимости от природы и свойств исследуемых образцов Отпечатки с поверхности образцов получают: 1) из пластиковых материалов (лаковые реплики — коллодий, формвар); 2) из веществ, испаряемых в вакууме (напыленные реплики — углерод, углерод с металлом, металлы, моноокись кремния, кварц), 3) в результате окисления поверхности образца (окисные реплики — окисленный материал объекта).