Физические явления и дефекты линз, ограничивающие возможности электронного микроскопа
Дифракция. Дифракция обусловлена волновой природой световых и электронных лучей. Устранить дифракцию нельзя, однако можно свести к минимуму ее влияние на изображение. Любые препятствия и помехи, встречающиеся на пути распространения волн, порождают новые волны, которые распространяются во всех направлениях.
Это явление, приводящее к потере абсолютной резкости теней, называется дифракцией. Отраженные волны могут вступать в сложные взаимодействия друг с другом и с исходной волной, что вызывает колебания интенсивности, которые часто выявляются как дифракционные полосы.
Формирование изображения в световом и электронном микроскопах сопровождается двойной дифракцией, вначале на краях неровностей объекта, а затем на краях диафрагмы объективной линзы.
Такая двойная дифракция в диафрагме объективной линзы главным образом и ограничивает разрешение микроскопа. Именно дифракция обусловливает тот факт, что изображение отдельной точки объекта мы никогда не видим как точку, а воспринимаем как кружок (диск Эри), окаймленный множеством нерезко выраженных колец (дифракционных полос).
Радиус (d) центрального кружка, в котором концентрируется около 80% общей энергии, определяется формулой, где X — длина волны, р- показатель преломления среды между линзой и объектом и а — угол половины апертуры объективной линзы, т. е. половины угла 0, образованного линиями, соединяющими края линзы, или ограничивающей ее апертуры с точкой объекта.
В общем виде разрешение микроскопа можно определить следующим образом: две точки объекта будут разрешены, если центры образуемых этими точками дисков Эри отстоят друг от друга па расстоянии, равном d. Таким образом, приведенная формула определяет то наименьшее расстояние между двумя точками объекта, на котором они еще воспринимаются раздельно.
И световые и электронные микроскопы характеризуются так называемой «численной апертурой» (NA — numerical aperture), которая эквивалентна члену п sin a в приведенном выше уравнении. Поскольку d — это разрешающая способность (RP — resolving power), приведенное выше уравнение записывают иногда в следующем виде: при ускоряющем напряжении 60 кВ длина волны электронного луча будет равна 0,05А.
Если бы электронные линзы были такими же совершенными, как и оптические, то радиус диска Эри и минимальное разрешение составляли бы примерно половину этой величины. Практически же различные конструктивные недостатки и аберрации ограничивают ампертурный угол линз электронного микроскопа примерно до одной сотой того значения, которое может быть достигнуто с помощью оптических линз, так что разрешение составляет величину порядка нескольких ангстрем.
Сферическая аберрация. Этот дефект свойствен и оптическим и электронным линзам. В обоих случаях лучи, проходящие через линзу далеко от оптической оси линзы, фокусируются в иной плоскости, чем лучи, идущие вблизи нее; это ведет к смазанности изображения и соответствующему снижению разрешения.
В электронной микроскопии сферическая аберрация объективной линзы доставляет особенно много хлопот, поскольку именно эта линза формирует и фокусирует первичное изображение объекта. Влияние сферической аберрации можно свести к минимуму, если использовать только центральную часть линзы. С этой целью в капал объективной линзы помещают металлический диск с небольшим отверстием.
При этом в формировании изображения примут участие только те электроны, которые проходят достаточно близко от оптической оси линзы. Однако края отверстия вызовут дифракцию, которая ограничит разрешение. Таким образом, в конструкции объективной линзы приходится искать компромиссное решение, направленное на уменьшение сферической аберрации и снижение влияния дифракции.
Согласно данным Эгера, такой компромисс достигается в том случае, когда величина угла половины апертуры а равна приблизительно 10 2 рад, что составляет всего лишь примерно 36. Практически в повседневной работе обычно применяется апертура диаметром 50 мкм, а для более точных исследований — 25 мкм. Угол половины апертуры и размер апертуры связаны между собой следующим отношением.
Хроматическая аберрация может возникнуть по нескольким причинам. Во первых, из-за нестабильности ускоряющего напряжения микроскопа, что составляет проблему конструирования этого прибора и не может контролироваться работающим на нем оператором; во-вторых, вследствие загрязнения колонны микроскопа и, в-третьих, может быть обусловлена характером самого- изучаемого объекта. Два последних источника хроматической аберрации находятся в известной мере под контролем оператора.
В световой микроскопии хроматической аберрацией называют такое явление, когда лучи разного цвета (т. е. с разной длиной волны) фокусируются в разных плоскостях, в связи с чем изображение размывается. В электронной микроскопии мы сталкиваемся со сходным дефектом фокусировки, который также носит название хроматической аберрации, хотя электронный луч не имеет цвета. Длина волны электронного луча определяется ускоряющим напряжением.
Следовательно, любое колебание этого напряжения с неизбежностью приводит к изменению длины волны электронов и, таким образом, меняет плоскость фокусировки. Для уменьшения хроматической аберрации до уровня, который не ограничивает разрешение, необходимо стабилизировать ускоряющее напряжение так, чтобы колебания этого напряжения не превышали величины порядка нескольких миллионных долей единицы; это успешно осуществляется в современных электронных микроскопах.