میکروسکوپ های الکترونیکی

به نام خدا
۱- مقدمه
به طور کلی در میکروسکوپ های الکترونی سه نوع عدسی وجود دارد:
۱-عدسی جمع کننده (Condenser Lens)
2-عدسی شیئی (Objective Lens)
3-عدسی تصویری (Projector Lens)
عدسی جمع کننده دسته الکترون را بر روی نمونه متمرکز می نماید. عدسی شیئی یک تصویر بزرگ شده اولیه ایجاد نموده، برای حصول بزرگنمایی بیشتر از عدسی تصویری استفاده می شود. تصویر نهایی بدست آمده بر روی یک صفحه فلورسنت قابل رویت است.
از انواع عدسی های شیئی مورد مصرف می توان به:
• عدسی مخروطی (Conical Lens)
• عدسی فروبر (Immersion Lens)
اشاره نمود. تصویری از این دو نوع عدسی در شکل مشاهده می شود. عمدتا عدسی های مخروطی در میکروسکوپ الکترونی روبشی Scanning Electron Microscope) عدسی های فروبر در میکروسکوپ الکترونی عبوری Transmission Electron Microscope یا TEM کاربرد دارند.

الف) عدسی مخروطی که اجازه می دهد یک نمونه بزرگ در بیرون آن قرار گیرد.
ب)عدسی فروبر که یک نمونه کوچک در داخل آن قرار می گیرد.

به دلیل وجود محدودیت طراحی، عدسی های الکترونی با روزنه های بسیار کوچکتری نسبت به عدسی های شیشه ای میکروسکوپ های نوری کار می کنند. میدان الکترونی که توسط روزنه عدسی قابل کنترل است، ستون میکروسکوپ (Microscope Column) نامیده می شود. بسیاری از میکروسکوپ های الکترونی جدید حاوی ۴ تا ۶ عدسی هستند.
یک عدسی مغناطیسی مشتمل بر پوسته ای آهنی و سیم پیچ هایی مسی است که درمیدان مغناطیسی خود به دسته الکترون های وارد شده نیرو وارد کرده و بر اساس قانون دست راست فلمینگ آن ها را از مسیر خود منحرف می سازد. در این صورت این امکان فراهم می آید که بتوان الکترون ها را در مسیر خاصی قرار داده همگرا نموده و بر جای مشخصی متمرکز نمود. فاصله نقطه همگرا شدن الکترون ها تا عدسی را فاصله کانونی (Focal Distance) می نامند. فاصله کانونی در ارتباط مستقیم با مقدار ولتاژ شتاب دهنده الکترون ها و در ارتباط معکوس با تعداد دور سیم پیچ و شدت جریان عبوری قرار دارد.

۲- عدسی های مغناطیسی
دانشمندان در دهه ۱۹۲۰ متوجه شدند که می توان پرتو الکترونی را به وسیله یک میدان مغناطیسی یا یک میدان الکترو استاتیک متمرکز کرد. از هر دو روش در عدسی های الکترونی استفاده شده است ولی امروزه استفاده از عدسی های الکترومغناطیسی در میکروسکوپ الکترونی تجارتی متداول است زیرا که عدسی های الکترو مغناطیسی دارای ضریب انحراف کمتری نسبت به عدسی های الکترو استاتیکی بوده و در حالت فشرده، پاک کردن ستون الکترونی از الکترون های زاید را تسهیل می کنند. مخصوصاً اگر ولتاژ مورد استفاده بالا باشد، در این مورد عدسی های الکترو استاتیک پر زحمت شناخته شده اند بنابراین بیش از این به عدسی های اولیه الکترو استاتیکی نمی پردازیم.

کلید درک این عدسی ها که در واقع بسیار ساده است که بر روی یک الکترون در حال حرکت در یک میدان مغناطیسی اعمال می شود. چنانچه الکترونی با سرعت V در یک میدان مغناطیس یبا قدرت B حرکت کند، نیرویی برابر F=Bev در جهت عمود، بر امتداد حرکت و امتداد میدان مغناطیسی بر آن اعمال خواهد شد. می توان این مسئله را به طور دقیق تر با روابط برداری به صورت زیر نشان داد:

V)8F = e(B
معمولا عدسی های الکترو مغناطیسی طوری طراحی می شوند که یک میدان مغناطیسی تقریبا موازی با جهت حرکت الکترون ها ایجاد کنند. الکترونی که وارد این عدسی می شود یم میدان مغناطیسی B را تجربه می کند که می تواند به راحتی به مؤلفه های Bax در امتداد میکروسکوپ و Brad در جهت عمود بر آن تجزیه شود. در ابتدا مولفه Bax که موازی با امتداد حرکت الکترون است اثری روی آن ندارد و نیروی کمی به اندازه Bradev از طرف مؤلفه کوچک عمودی بر آن اعمال می شود. این نیرو باعث می شود که الکترون یک مسیر مارپیچ را از میان عدسی طی کند. به محض اینکه الکترون مسیر مارپیچ را شروع کرد، یک مؤلفه دایره ای سرعت vcircum هم عمود ب صفحه کاغذ پیدا می کند و بنابراین نیرویی به اندازه

Baxevcicum در جهت عمود بر آن وارد می شود. بنابراین مسیر مارپیچی الکترون تنگ و تنگ تر می شود و در نتیجه پرتو موازی الکترون ها که وارد عدسی می شود در یک نقطه متمرکز می شود. این پدیده ردست مانند متمرکز شدن نور در یک عدسی شیشه ای می باشد. اگر میدان مغناطیسی فقط تا طول کوتاهی از محور میکروسکوپ ادامه داشته باشد عدسی به صورت یک عدسی نازک عمل میکند.

نحوه عملکرد یک عدسی معمولی الکترو مغناطیس، الکترونی که در ورود به این عدسی، دقیقا در جمعیت اپتیکی (خط چین) قرار نداشته باشد، نیروهایی مانند آنچه که در سمت راست تصویر نشان داده شده است را تجربه می کند.

برای ایجاد یک میدان مغناطیسی با قدرت اندازه و شکل مناسب تقریبا همیشه از وسائلی مشابه آنچه در شکل نشان داده شده است استفاده می شود. یک کویل با دورهای زیادی ازسیم W روی هسته ای از آهن نرم C (قطب) پیچیده شده و فقط یک شکاف بسیار کوچک هوا،G دارد که به دقت تراشکاری شده است ومیدان در عرض آن تشکیل می شود. با تغییر جریانی که از کویل می گذرد، معممولا صفر تا ۱ آمپر، قدرت میدان مغناطیسی و ینابراین فاصله کانونی عدسی را می توان به دلخواه تغییر داد.

اگر چه در هر میکروسکوپ الکترونی چند عدسی وجود دارد که ممکن است اندازه و شکل آن ها متفاوت باشد، طرح اصلی آن ها همان است که در شکل نشان داده شده است. یک ویژگی مهم که معادلی برای آن در میکروسکوپ نوری وجود ندارد، حرکت مارپیچی الکترون ها در حین عبور از عدسی الکترومعناطیسی است. از آنجا مه الکترون ها به ندرت در انتهای عدسی، دقیقاً به موقعیت اولیه خود در هنگام ورود به عدسی بر می گردند (یعنی معمولا دورهای آن ها دقیقا کامل نمی شود)، معمولا این باعث می شود که تصویر بعد از عدسی بچرخد. این یک اعوجاج نیست چون تصویر فقط می چرخد اما یکی دو اثر، خصوصا در میکروسکوپ الکترونی عبوری دارد که باید به هنگام نگاه کردن به عکس های میکروسکوپی و الگوهای پراش (DPs) آن ها را در نظر داشت. طراحی ماهرانه و زیرکانه سیستم های الکترون- اپتیک در میکروسکوپ های جدید گاهی شامل استفاده از ترتیب عدسی هایی است که چرخش تصویر را جبران می کند به صورتی که اثری از آن ظاهر نمی شود، اگرچه هنوز این اثر وجود دارد.

میدان الکترو مغناطیس برای تغییر مسیر تمام پرتو الکترون هم استفاده می شوند مثلا برای ایجاد حرکت روبش در الکترون های میکروسکوپ روبش. برای این کاربردها، میدان باید عمود بر پرتو الکترون باشد و میدان های بسیار کوچکتری برای ایجاد این انحراف کافی بوده و در نتیجه این کویل ها کاملا موچک هستند. اغلب میکروسکوپ ها یک دو جین یابیشتر از این کویل ها دارند و طوری طراحی شده اند که پرتو را در موقعیت بهینه در ستون میکروسکوپ قرار دهند.