Lentile Instrumente optice

Microscopie electronică

Refracţia pe o suprafaţă sferică

Formarea imaginii unui obiect liniar

Mărirea transversală Mărirea longitudinală

Imagini cu rol de obiecteMajoritatea sistemelor optice includ mai multe suprafeţe reflectante sau refractante. Imaginea formată de prima suprafaţă serveşe drept obiect pentru a doua iar imaginea formată de de cea de-a doua suprafaţă serveşte drept obiect pentru a treia ş.a.m.d

Suprafaţa 1 formează o imagine reală a obiectului în punctul P. Imaginea din P serveşte drept obiect pentru suprafaţa 2. A doua suprafaţă formează o imagine virtuală în punctul Q. Imaginea

din Q, formată de suprafaţa 2, serveşte drept obiect pentru suprafaţa 3. Imaginea din Q, deşi virtuală, constituie obiect real pentru suprafaţa 3. Razele incidente pe suprafaţa 3 devin

convergente şi dacă suprafata 4 nu ar exista, ele s-ar intersecta formănd o imagine reală în punctul R. Suprafaţa 4 formează în I o imagine reală.

Pentru fiecare suprafaţă, în afară de prima, obiectul constă din imaginea formată de suprafaţa precedentă

a) Imaginea reală a unui obiect realb) Imaginea virtuală a unui obiect realc) Imaginea reală a unui obiect virtual d) Imaginea virtuală a unui obiect virtual

Semnificaţia unui obiect virtual şi a unei imagini virtuale

Lentile

O lentilă este un sistem optic cu două suprafeţe refractante. Imaginea formată de prima suprafaţă este obiect pentru a doua suprafaţă.

Lentile subţiri convergente

Primul şi cel de-al doilea focar al unei lentile

- Punctul obiect a cărei imagine se formează la infinit se numeşte primul focar al lentilei şi este notat cu F.

- Punctul imagine al unui obiect infinit îndepărtat se numeşte al doilea focar şi este notat prin F’

- Focarele unei lentile subţiri se află de o parte şi de alta a lentilei, la distanţe egale cu distanţele focale faţă de aceasta

Planele care trec prin focarele unei lentile, perpendiculare pe axa optică, se numesc primul şi al doilea plan focal.

a) Razele paraxiale din punctul Q situat în primul plan focal al lentilei sunt paralele una cu alta după refracţie. Ele converg către o imagine a punctului Q formată la infinit

b) Un fascicul de raze paralele de la un punct infinit depărtat, situat în afara axei lentilei, converge către o imagine Q aflată în cel de al doilea plan focal al lentilei

O lentilă formează o imagine tridimensionala a unui obiect tridimensional

Lentile subţiri divergente

Focarele unei lentile divergente

Lentile convergente menisc, plan convexe şi biconvexe

Lentile divergente menisc, plan concave şi biconcave

Diverse tipuri de lentile convergente şi divergente

Metode grafice de formare a imaginii

1. O rază paralelă cu axa, după refracţia prin lentilă, trece prin cel de-al doilea focar al unei lentile convergente sau pare că provine din cel de-al doilea focar al unei lentile divergente.

2. O rază dusă prin centrul lentilei nu este deviată apreciabil din cauza faptului că cele două suprafeţe ale lentilei prin care trece raza centrală sunt aproape paralele în cazul când lentila este subţire. S-a văzut că efectul unei lame cu feţe plan paralele este devierea razei de lumină. În cazul unei lentile subţiri deviaţia poate fi neglijată.

3. O rază care trece prin (sau este îndreptată către) primul focar iese paralelă cu axa.

Ilustrare a metodei grafice de formare a imaginii

Metode grafice de formare a imaginii - exemple

Aberaţiile lentilelor

- Abaterile unei imagini efective faţă de predicţiile teoriei simple se numesc aberaţii- Aberaţiile produse de variaţia indicelui de refracţie cu lungimea de undă se numesc aberaţii cromatice

- Aberaţia sferică constă în faptul că razele care pornesc dintr-un obiect punctiform de pe axa optică nu converg către o imagine punctiformă. În loc de aceasta razele converg spre un cerc de rază minima numit cerc de difuzie minimă

Aberaţia sferică. Cercul de difuzie minimă este indicat prin C - C

Aberaţiile lentilelor

- Astigmatismul este producerea unei imagini de forma unei linii pentru un punct din afara axei optice. În cazul acestei aberaţii razele care pornesc de la un obiect punctiform converg, la o anumită distanţă faţă de lentilă, către o linie în planul definit de axa optică şi obiectul punctiform şi, la o anumită distanţă faţă de lentilă, către o linie perpendiculară pe acest plan. -Punctele obiect situate într-un plan dau în general imagini aflate nu într-un plan, ci pe o

suprafaţă curbă – efectul se numeşte curbura câmpului. Imaginea unei linii drepte care nu trece prin axa poate fi curbată şi drept urmare imaginea unui pătrat cu axa trecând prin

centru seamănă cu un butoiaş (laturile curbate spre exterior). Acest efect, numit

distorsiune, este rezultatul variaţiei măririi transversale cu distanţa faţă de axă.

- Este imposibil ca aberaţiile să fie eliminate cu o singură lentilă dar într-o lentilă compusă din câteva elemente aberaţiile unui element pot să anihileze parţial pe cele ale unui alt element.

- Este imposibil să se elimine toate aberaţiile dar este posibil să se decidă care anume sunt mai supărătoare pentru o anumită aplicaţie şi să se proiecteze instrumentul optic în mod corespunzător.

Ochiul

C - corneeA - umoarea apoasă (n=1,336)L - lentila cristalină (n=1,437)M - muşchiul ciliarV - umoarea vitroasă (n=1,336)R - retina P - pupilaO - nervul optic 500 x

Lupa

M – mărire unghiulară sau grosisment

Microscopie

Microscopia răspunde la întrebarea:

care este structura suprafeţei probelor ?

1 cm1 mm1 µm1 nm1 Å

Atomi

Molecule

Viruşi

Circuite electronice

Celule roşii din sânge

Fir de păr

- Microscopia optică (MO)- Microscopia electronică (ME)

Diferite tehnici pentru investigarea suprafeţei probelor

Microscopia:

Cuvântul microscop derivă din greceşte:

mikros = mic si skopeo = a privi la

De la începuturile ştiinţei a existat un interes deosebit pentru observarea detaliilor din ce în ce mai mici:

- biologii au fost interesaţi să examineze celule, bacterii, viruşi şi particule coloidale;

- cercetătorii din domeniul materialelor au vrut să vadă şi să înţeleagă cum fosilele şi mineralele pot furniza informaţii importante referitoare la originea planetei şi a resurselor sale;

- experţii criminalişti au folosit tehnica pentru analiza probelor şi microprobelor.

-Nimeni nu ştie cu certitudine cine a inventat microscopul. Microscopul optic a fost dezvoltat probabil o data cu

telescopul lui Galilei în secolul al 17.

- Unul dintre cele mai vechi instrumente pentru observarea obiectelor foarte mici a fost dezvoltat de germanul Anthony

van Leeuwenhoek (1632 – 1723) şi constă dintr-o lentilă convexă şi un suport ajustabil pentru obiectul studiat

(specimen). Cu acest remarcabil de simplu microscop Van Leeuwenhoek a mărit obiecte de 40 ori şi cu ajutorul lui au fost descoperite diferite microorganisme şi totodată a fost

posibilă clasificarea celulelor roşii după formă. Factorul limitator la acest microscop a fost calitatea lentilei convexe. Problema a fost rezolvată prin adăugarea unei a doua lentile care măreşte imaginea produsa de prima. Acest microscop

constând dintr-un obiectiv si un ocular, împreuna cu un sistem de focalizare, o oglindă, un suport pentru probe este

baza pentru microscoapele de astăzi.

Replica microscopului inventat de Antony van Leeuwenhoek

Microscop optic

http://www.greatscopes.com/important.htm

http://www.olympusmicro.com/primer/opticalmicroscopy.html

Microscopul

Principalele mărimi caracteristice unui microscop sunt puterea de mărire, mărirea liniară transversală, puterea de separaţie şi adâncimea câmpului.

Rezoluţia şi mărirea unui microscop

- Cu o lumină potrivită ochiul uman poate distinge două puncte aflate la o distanţă de 0,2 mm. Dacă punctele se află la o distanţă mai mică atunci ele nu mai pot fi văzute separat şi

ochiul va vedea un singur punct. Această distanţă se numeşte puterea de rezolvare sau rezoluţia ochiului. O lentilă sau un ansamblu de lentile (un microscop ) poate fi folosit pentru a

mări această distanţă şi astfel ochiul poate distinge două puncte care sunt apropiate la mai puţin de 0,2 mm. Puterea de mărire a unui microscop determina rezoluţia sa. Este necesar să se mărească puterea de rezoluţie la 0,2 mm pentru toate

detaliile unui obiect. O mărire mai mare nu va scoate în evidenţă alte detalii şi nu este necesară. Rezoluţia unui microscop este unul dintre cei mai importanţi parametri.

Mărirea dă informatii despre cât de mult a fost mărită imaginea.

- Prin puterea de mărire a unui microscop se înţelege mărimea numeric egală cu raportul dintre unghiul U’ sub care se vede imaginea obiectului prin microscop şi mărimea obiectului

unde L este distanţa dintre ocular şi obiectiv şi f1 respectiv f2 reprezintă distanţele focale ale obiectivului şi ocularului.

-Teoria formării imaginii în microscop arată că distanţa minimă (AB)min dintre două puncte obiect care mai pot fi văzute distinct cu ajutorul microscopului este limitată de fenomenul de difracţie care are loc la trecerea fasciculului de radiaţii prin deschiderea lentilei obiectiv. Această distanţă minimă este dată de formula Rayleight

în care UM este valoarea maximă a unghiului pe care îl formează cu axa optică razele care provin de la obiect şi pătrund in lentila obiectiv. Inversul acestui raport se numeşte putere de separaţie (rezoluţie) R. Nu depinde de distanţele focale ale obiectivului şi ocularului şi deci nu poate fi mărită prin creşterea puterii de mărire P.

- Mărirea liniara transversală M este definită ca fiind o mărime numeric egală cu raportul dintre mărimea imaginii aflată la distanţa de vedere optimă şi mărimea obiectului

Valorile măririlor obiectivului şi ocularului sunt înscrise pe monturile acestora.

-Adâncimea câmpului microscopului reprezintă distanţa pe care putem deplasa planul obiect pentru ca imaginea să rămână clara

Adâncimea câmpului microscopului fiind mică există totdeauna un plan bine determinat în care trebuie să se afle obiectul microscopic studiat pentru ca imaginea lui în microscop să fie clară. Cu ajutorul microscopului se pot observa clar numai puncte obiect aflate într-un plan bine determinat sau în imediata lui vecinătate. De aici rezultă posibilitatea de a utiliza microscopul pentru măsurarea dimensiunii obiectelor microscopice.

In 1929 Calvin Goddard şi Phillip Gravelle au utilizat microscopul comparator pentru a absolvi Departamentul de Poliţie din Chicago de acuzaţia de a fi participat la St. Valentine's Day Massacre.

Microscopul comparator

St. Valentine's Day massacre

Colonel Goddard was the key forensic expert in solving the 1929 St. Valentine's Day Massacre in which seven gangsters were killed by rival Al Capone mobsters dressed as Chicago police officers. It also led to the establishment of the United States' first independent criminological laboratory, which was located at Northwestern University and headed by Goddard. At this new lab, ballistics, fingerprinting, blood analysis and trace evidence were all brought under one roof. In 1929, using a comparison microscope adapted for the ballistics comparison by his partner, Phillip Gravelle, Goddard used similar techniques to absolve the Chicago Police Department of participation in the St. Valentine's Day Massacre.[4] The case of Sacco and Vanzetti, which took place in Bridgewater, Massachusetts, is responsible for popularizing the use of the comparison microscope for bullet comparison..

Studiul asupra cartuşelor efectuat cu ajutorul unui microscop comparator. Gloanţele sau tuburile de cartuşe pot fi montate individual, pot fi rotite şi apoi pot fi observate simultan.

Imaginea capătului unui tub de cartuş. Se acordă atenţie deosebită urmelor imprimate de cuiul percutor al armei pe tuburile repective.

Aparatul de fotografiat - Fotografia judiciara

O varietate de rigle precise folosite în timpul fotografierii

Fotografia cu radiaţii vizibile, ultraviolete şi infraroşii Camera foto digitalăCamera video digitală

Fotografie a locului împuşcăturii Fotografie a locului împuşcăturii după ce rana a fost curăţată (aceeaşi dimensiune)

Hainele sunt fotografiate pe un fundal curat (cu şi fără riglă ataşată)

De ce electroni în loc de radiaţii luminoase ?

- Un microscop optic modern are o mărire de aproximativ 1000x şi permite vizualizarea de obiecte separate de o distantă de 0,0002

mm.

- În căutarea de noi soluţii pentru îmbunătăţirea acestor performanţe s-a constatat că puterea de rezoluţie a microscopului a fost limitată nu numai de numărul şi calitatea lentilelor dar de asemenea şi de lungimea de undă a radiaţiilor luminoase folosite. A fost imposibil să se observe detalii ale obiectelor mai apropiate

de cateva sute de nm.

- Utilizarea radiaţiilor luminoase cu lungimea de undă mică (albastru sau ultraviolet) a îmbunătăţit puţin rezoluţia.

- Rezoluţia a fost îmbunătăţită şi prin imersarea obiectului şi a obiectivului într-un mediu cu indice de refracţie mare,

ajungându-se până la o rezoluţie de aproximativ 100 nm.

- În anul 1920 s-a descoperit că electronii acceleraţi se comportă în vid ca şi radiaţia luminoasă. Aceştia se deplasează în linie dreaptă şi

au lungimi de undă asociate de aproximativ 100 000 ori mai mici decât a luminii. În plus s-a descoperit faptul că un ansamblu de

câmpuri electrice şi magnetice are acelaşi efect asupra electronilor ca şi lentilele şi oglinzile asupra luminii vizibile.

- Dr. Ernst Ruska, la Universitatea din Berlin, a combinat aceste caracteristici şi a construit primul microscop cu transmisie

(abreviere TEM) in anul 1931. Pentru cercetările efectuate acesta a primit premiul Nobel in 1986.

- Primul microscop electronic a utilizat două lentile magnetice şi trei ani mai tarziu a fost adaugată o a treia obţinându-se o rezoluţie de 100 nm, de două ori mai bună decât a microscoapelor optice din

acea vreme.

- Astăzi, prin utilizarea a 5 lentile magnetice în sistemul electronooptic se pot obţine rezoluţii de 0,1 nm şi măriri de peste 1

milion de ori.

Uacc = 80 kV, v = 150 000 km/sec (1,5 x 108 m/s); ½ din viteza luminii

Uacc = 300 kV, v = 230 00 km/sec (2,3 x 108 m/s)

I = 1 pA (10-12 A)

e = 1,6x10-19 C

N = 6X106 electroni/sec interacţionează cu proba

•1 keV λ= 39nm •10 keV λ= 12nm •100 keV λ= 3.7nm •1 MeV λ= 0.87nm•10 MeV λ= 0.12nm

-Nu este complet clar cine a fost primul cercetător care a propus principiul scanării suprafeţei obiectului de cercetat cu un fascicul îngust

de electroni pentru a obţine imagini ale suprafeţei.

- Prima descriere a apărut in 1935 şi a fost publicată de către fizicianul german Dr. Max Knoll.

- Deşi un alt fizician german Dr. Manfred von Ardenne a efectuat unele experimente care ar putea fi asemănătoare unui SEM în 1937, abia in 1942 trei cercetatori americani Dr. Zworykin, Dr. Hiller şi Dr.Snijder au descris un SEM adevărat cu o putere de rezoluţie de 50 nm şi o mărire de 8000x.

- Microscoapele SEM actuale pot să aiba o putere de rezoluţie de 0,1 nm şi măriri de peste 1 milion de ori.

-O combinaţie între principiile utilizate la SEM şi TEM se numeşte scanning transmission electron microscopy (STEM) şi a fost descrisă în

1938 de către Dr. Manfred von Ardenne. Nu se cunoaşte care a fost puterea de rezoluţie a acestui instrument.

-Primul instrument comercial în care au fost combinate tehnicile a fost Phillips EM200 echipat cu un microscop STEM dezvoltat de Dr. Ong la

Phillips Electronic Instruments în SUA (1969). La acel timp rezoluţia era de 25 nm şi mărirea de 100 000x. Microscoapele TEM moderne echipate

cu facilitatea STEM au rezoluţii de 1 nm şi măriri de până la 1 milion.

Comparaţie între MO, TEM şi SEM

Traiectoria razelor de lumină şi a electronilor în microscopul optic şi în

cel electronic cu transmisie

SEM

Schema unui microscop SEM (Scanning Electron Microscope)

- Imaginea poate fi observata pe un ecran fluorescent (sau monitor) şi

poate fi înregistrată.

-Sistemul de vid

-Electronica: pentru a obţine o rezoluţie mare este necesar ca

tensunile de accelerare şi curenţii prin bobinele de focalizare să fie

foarte bine stabilizate

-Controlul cu PC a tuturor funcţiilor

- Un microscop electronic SEM, similar cu un TEM, constă dintr-un sistem electrono-optic aflat într-o coloană vidată, un sistem

de vacuum şi partea electronică.

- Coloana este mult mai scurta ca la TEM pentru că se folosesc numai trei lentile pentru focalizarea electronilor pe suprafaţa

probei. Camera probei este mai largă pentru că nu sunt impuse restricţii asupra dimensiunilor probei.

-Cele mai importante diferenţe dintre SEM şi TEM sunt:

-a) fasciculul de electroni nu este static ca la TEM; cu ajutorul câmpului electromagnetic produs de bobina de scanare

fasciculul este scanat, linie cu linie, pe o arie extrem de mică a probei

-b) tensiunea de accelerare este mult mai mică decât la TEM pentru că nu este necesară pătrunderea electronilor în probă; în

cazul SEM poate fi în domeniul 200 – 30 000 V

-c) probele nu necesită o pregătire specială; cele dielectrice trebuiesc metalizate

Sectiune prin sursa de electroni pentru microscopul electronic

Lentila

electromagnetică

Atunci când prin bobine trece un curent electric se formează un câmp magnetic între piesele polare P. Prin variaţia curentului din

bobine mărirea lentilei poate fi variată. Aceasta este diferenta principală dintre lentila electromagnetică şi cea din sticla. Cu toate

că sunt diferie ca principiu cele doua lentile se comportă asemănător în sensul că prezintă acelaşi tip de aberaţii: aberaţii sferice (mărirea în centrul lentilei diferă de mărirea în exteriorul

acesteia), aberaţii cromatice (mărirea lentilei variază cu lungimea de undă asociată electronilor din fascicul) şi astigmatism (un cerc de

pe proba devine o elipsă în imagine). Aberaţiile sferice sunt caracteristici importante şi sunt determinate de proiectarea şi

producerea lentilei. Aberaţiile cromatice sunt reduse prin stabilizarea tensiunii de accelerare. Astigmatismul poate fi corectat

prin utilizarea unor bobine de compensare.

Sistemul de lentile de condensare focalizează fasciculul de electroni pe probă. Lentila obiectiv produce o imagine a probei care apoi este

mărita de restul lentilelor şi apoi imaginea este proiectată pe ecranul de observaţie. Daca proba este cristalină atunci imaginea va

prezenta un patern de difracţie.

Pentru a asigura stabilitatea în funcţionare lentilele electromagnetice sunt răcite cu apă.

În drumul lor de la filament la probă electronii trec şi printr-un ansamblu de diafragme care opresc electronii ce nu contribuie la formarea imaginii (de exemplu electronii împrăştiaţi). Diafragmele respective pot fi controlate din exterior şi astfel pot fi folosite în

mod diferit pentru diferite aplicaţii.

Interacţiunea fascicul de electroni – obiectCele mai multe probe nu sunt afectate de bombardamentul electronic. Cand electronii bombardează

proba au loc o serie de procese:

a) O parte din electroni sunt absorbiţi în functie de grosimea şi compoziţia probei; acest fapt determină ceea ce se numeşte contrastul de amplitudine a imaginii

b) O parte din electroni sunt imprăştiaţi după unghiuri mici depinzând de compoziţia probei; acest fapt determină contrastul de fază a imaginii

c) În probele cristaline electronii sunt împrăştiaţi în direcţii bine determinate care sunt dependente de structura cristalină; aceasta determină contrastul de difracţie a imaginii

d) O parte din electroni sunt reflectaţi

e) O parte din electroni determină ca proba să emită electroni secundari

f) Electronii pot determina ca proba să emită raze X a căror energie şi lungime de undă poate fi corelată cu compoziţia elementară a probei

g) Electronii pot determina ca proba să emită fotoni (sau lumină): procesul se numeşte catodoluminiscenţă

h) Electronii care au pierdut o parte din energie în urma interacţiunii cu proba pot fi detectaţi şi analizaţi.

In microscopul TEM standard primele două fenome contribuie la formarea imaginii TEM pentru probe necristaline (biologice), contrastul de fază şi contrastul de difracţie sunt factori importanţi în formarea imaginii. Este necesar să se adauge accesorii şi dispozitive periferice la structura de bază cu scopul de a exploata informaţii adiţionale

care pot fi obţinute din studiul ultimeler 5 interacţiuni listate.

Detecţia electronilor

Pentru detecţia electronilor se folosesc detectori cu scintilaţie sau cu semiconductori. În primul caz electronii interacţionează cu un ecran fluorescent care emite lumină care este amplificată şi convertită în semnal electric de

către un tub fotomultiplicator. În cel de-al doilea caz electronii produc un semnal electric într-un strat semiconductor care apoi este amplificat.

Observarea şi înregistrarea imaginii

De obicei un SEM este dotat cu două monitoare pentru afişarea şi prelucrarea imaginii. Pentru că la SEM imaginea este produsă electronic,

aceasta poate fi apoi supusă la o multitudine de prelucrări ca de exemplu îmbunatăţirea

contrastului.

-Tunul de electroni produce un fascicul de electroni cu un diametru de 4 nm pe proba de studiat. Acest

fascicul este scanat pe o suprafaţă rectangulară a probei.

- Electronii secundari emişi de probă sunt analizaţi cu ajutorul unui detector. Amplitudinea curentului de

electroni secundari variază în timp conform cu topografia probei. Semnalul este amplificat şi utilizat

pentru a controla strălucirea unui fascicul de electroni pe ecranul unui monitor.

- Atât fasciculul de electroni din SEM cât şi de pe monitor sunt scanaţi cu aceeasi viteza şi deci există o

relaţie de corespondenţă între suprafaţa probei şi imaginea afişată.

Lungimea liniei afişată pe monitorMărirea SEM

Lungimea scanată de electroni pe probă

Mărirea SEM

Mărirea poate să fie mai mare de 300 000 ceea ce este mai mult decât suficient. In principiu rezoluţia la SEM este determinată de diametrul

fasciculului pe suprafaţa probei. Rezoluţia practică depinde însă de proprietăţile probei, de tehnica de pregătire a probei şi totodată de

mulţi parametri instrumentali ca intensitatea fasciculului, tensiunea de accelerare, viteza de scanare, distanţa de la ultima lentilă la specimen

(numită în mod curent distanţa de lucru) şi de unghiul dintre suprafaţa probei şi axul detectorului. In condiţii optime se pot obţine rezoluţii de

1 nm.Orientarea si manipularea probei

După cum s-a specificat calitatea imaginii SEM depinde de orientare şi de distanţa dintre probă, detector şi lentila finală. Suportul probei permite ca aceasta să fie mişcată în planul orizontal (direcţiile

X şi Y), în sus şi în jos (direcţia Z) precum şi efectuarea unor mişcări de înclinare şi rotire. La echipamentele noi aceste mişcări sunt motorizate cu ajutorul unor motoare electrice şi sunt controlate

de către calculator. Diferite modele de SEM au camere pentru probe cu diferite dimensiuni ceea ce permite ca să fie observate şi analizate probe cu forme şi dimensiuni diferite. Dimensiunea camerei

pentru probă determină de asemenea şi preţul echipamentului pentru că pe măsură ce proba este mai mare atunci şi sistemul pentru poziţionarea probei este mai mare ş drept consecinţă sistemul de

pompare pentru obţinerea şi mentinerea vidului este mai mare. Modelele cele mai simple acceptă probe de câţiva cm în diametru şi acestea pot fi mişcate pe o distanţă de 50 mm în direcţia X şi Y.

Camerele mai mari acceptă probe până la 200 mm în diametru şi pe care le pot deplasa până la 150 mm în ambele direcţii. Toate modelele permit ca probele să fie înclinate cu unghiuri mari şi să fie rotite

cu până la 360 grade. Unele modele sunt prevăzute cu accesorii pentru incălzirea şi răcirea probelor.

Pregătirea probelor

Pregătirea probelor poate fi minimală sau poate fi complexă în funcţie de natura acestora şi de informaţiile necesare. Pregătirea minimă presupune prelevarea probelor care trebuie să aibă dimensiuni potrivite pentru a intra în camera de analiză şi operaţii pregătitoare pentru cele izolatoare electric. Probele care sunt izolatoare electric sunt acoperite cu un strat subţire dintr-un material conductor. În mod uzual se foloseşte carbonul, aurul sau unele aliaje metalice. Alegerea materialului pentru acoperire depinde de informaţiile necesare în urma analizei probelor: carbonul este utilizat dacă este necesară o analiză a elementelor din care este constituită proba iar acoperirile metalice sunt potrivite dacă se doreşte o rezoluţie mare a imaginii obţinute. Ca o alternativă probele izolatoare electric pot fi analizate (fără depunerea unui strat conductor) cu un microscop electronic care poate lucra la presiune mare (ESEM).

Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS)

Interacţiunea electronilor cu proba de analizat produce şi raze X. Un detector de tip EDS este utilizat pentru a separa razele X caracteristice diferitelor elemente din probă în vederea realizării unui spectru. Un program ce rulează pe un calculator este utilizat pentru a analiza abundenţa elementelor detectate. EDS poate fi utilizat pentru a găsi compoziţia chimică a unor microprobe cu dimensiuni de câţiva microni şi apoi de a realiza o hartă a distribuţiei elementelor pe o suprafaţă mai mare. Aceste posibilităţi determină ca această tehnică sa-şi găsească o arie mare de aplicţii în criminalistică pentru analiza cantitativă şi calitativă.

Sistemul EDS include un detector sensibil la radiaţii X, un vas Dewar pentru azot lichid (necesar răcirii detectorului) şi un program de calculator necesar analizării spectrului energetic. Detectorul este montat în camera pentru probe la capătul unui braţ lung răcit cu azot lichid. Cele mai des utilizate detectoare sunt realizate din cristale Si(Li) care lucrează la tensiuni mici cu sensibilitate mare. Un detector EDS conţine un cristal care absoarbe energie de la razele X incidente, generează electroni şi devine conductor. Absorbtia de raze X converteşte energia acestora într-o diferenţă de potenţial corespunzătoare iar impulsurile electrice obţinute dau informaţii despre emisia de radiaţii X caracteristice elementelor prezente în probă.

Avantaje:

Se poate obţine un spectru caracteristic într-un timp foarte scurt. Programul aferent permite să se identifice elementele prezente şi face ca această tehnică să permita detectarea elementelor înaintea analizei cantitative. Tehnica poate fi utilizată intr-o manieră semicantitativă pentru determinarea compozitiei chimice din raportul înălţimii picurilor faţă de cele ale unei probe standard.

Dezavantaje:

Au loc suprapuneri ale semnalelor provenite de la diferite elemente (corespunzătoare diferitelor nivele energetice din diferite elemente). In acest caz utilizatorul poate aplica metode de decomvoluţie pentru a separa diferitele elemente prezente în proba. Pentru analize mai precise se folosesc alte tehnici ca de exempu XPS.

Spectrul obţinut

Spectru EDS obţinut pentru sticlă (conţine O, Al, Si, Ca, Ba şi Fe)

Un spectru EDS este o reprezentare bidimensională a unor impulsuri în funcţie de energie. Picurile respective corespund diferitelor elemente din probă. În general picurile sunt înguste şi separate dar unele elemente au picuri multiple. Elemente care au o concentraţie mică dau picuri de intensitate mică ce nu pot fi separate de semnalul de zgomot sau de fond.

Fotografie ultrarapida a momentului împuşcăturii. Un volum mare de gaz este eliminat pe ţeava pistolului. Reziduurile se depun pe obiectele din jur inclusiv pe mâinile trăgatorului.

Distribuţia reziduurilor pe mână. Particule fine de grafit au fost depuse pe locurile repective.

Piese din oţel inoxidabil sunt folosite pentru colectarea reziduurilor de pe mână.

Imagine SEM a suprafeţei colectoare. Se observă un fragment provenit de la arderea

prafului de puşcă (mărit de 1770 ori). Compozitia poate fi determinata folosind tehnica

EDS.

ESEM

- Probele pentru SEM trebuie să fie curate, uscate, compatibile la vid şi conductoare electric. In vederea analizei probelor care nu îndeplinesc aceste condiţii a fost dezvoltată o nouă tehnică de microscopie - Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM). Exemple de asemenea probe sunt ţesături din lână şi bumbac, grăsimi şi emulsii, etc.

- Incercări de a observa probe care conţin componente volatile prin plasarea lor într-o cameră la presiune ridicată, izolat faţă de coloana principală a microscopului, prin una sau mai multe aperturi cu pompaj diferenţial s-au confruntat cu problemele legate de realizarea unui detector care să lucreze la presiune mare. Detectorul GSED (Gaseus Secondary Electron Detector) utilizează o amplificare în cascadă pentru a îmbunatăţi semnalul de electroni secundari şi de asemenea de a produce ioni pozitivi. Ionii sunt atraşi de către sarcina negativă de pe proba izolatoare şi suprimă efectele de încărcare electrostatică care crează artefacte în imagine.

Ionizarea gazului amplifică electronii secundari şi pe

probele neconductoare ionii pozitivi sunt atraşi pe suprafaţa

probei atunci când sarcina negativă se acumulează.

Se lucrează la 4,6 Torr.

Tehnici adiţionale

STEM – Scanning Transmission Microscopy

Dacă proba folosită la SEM are o transparenţă ridicată pentru electroni atunci electronii pot fi colectaţi cu un detector potrivit. Această tehnică este de obicei folosită la TEM care are deja o lentilă electromagnetică situată între probă şi detector.

Informaţii suplimentare referitoare la probă

Bombardamentul cu electroni a probelor determină emisia de raze X a căror energie este dată de compoziţia probei. Când un detector potrivit este plasat lângă probă este posibilă determinarea unor concentraţii foarte mici din diferite elemente prezente în probă. Pot fi detectate concentraţii mai mici decât o miime de picogram (10-12 g). Detectorul respectiv este denumit Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). Cu acest detector se înregistrează spectre care prezintă peak-uri distincte pentru elementele prezente iar înălţimea acestor peak-uri dă informaţii despre concentraţia elementelor. Această tehnică se aplică atât la SEM cât şi TEM.

La trecerea prin proba electronii pierd energie. Aceasta pierdere de energie poate fi măsurata cu un spectrometru numit Electron Energy Loss Spectrometer (EELS).

Alte surse de electroni

- Filamente din materiale termoemisive sunt utilizate atât la TEM cât şi SEM.

- Cu cât temperatura filamentelor este mai mare cu atât intensitatea curentului emis este mai mare şi claritatea imaginii obţinute este mai mare. Creşterea temperaturii filamentului determină un timp de viaţă redus al filamentului.

- Au fost dezvoltate surse de electroni care determină o strălucire mai mare a imaginilor: hexaborura de lantan (LaB6) şi tunul de electroni cu emisie de câmp (FEG – Field Emission Gun). In primul caz un cristal din hexaborură de lantan încălzit emite un curent de 10 ori mai mare atunci când este incălzit la aceeaşi temperatură ca un filament din wolfram. In cazul FEG electronii sunt extraşi cu ajutorul unui câmp electric foarte intens. In acest caz se pot obţine curenţi electronici de 1000 ori mai mari decât în cazul wolframului. Curenţii emişi mai mari permit o reducere a diametrului fasciculului de electroni ceea ce permite o mai bună rezoluţie atât în cazul SEM cât şi TEM. Totodată se poate obţine o analiză mai precisă cu ajutorul razelor X emise. Câştigul nu este proporţional cu creşterea strălucirii: alţi factori ca de exemplu aberaţiile lentilelor electromagnetice au un rol important.

- Costul instrumentelor TEM şi SEM care utilizează surse cu emisie de câmp sunt mai mari dar permit obţinerea de performanţe superioare.

Tehnologii cu fascicule de ioni- Electronii nu sunt singurele particule încărcate care pot fi accelerate şi focalizate prin utilizarea câmpurilor electrice şi magnetice. Un atom care a pierdut unul sau mai mulţi dintre electroni poate fi accelerat, deflectat şi focalizat într-un mod similar cu electronii folosiţi la TEM şi SEM. Diferenţa constă în masele diferite pentru că ionii au o masă de aproximativ 2000 ori mai mare decât a electronilor. Ionii fiind grei, la interacţia cu probele, dislocă particule de pe suprafaţă şi determină emisia de electroni şi ioni secundari.

- Fasciculele de ioni modifică suprafaţa pe care o bombardează. Ionii pot prelucra suprafaţa cu precizie submicronică iar ionii şi electronii secundari emişi sunt folosiţi pentru a obţine imaginea suprafeţei respective. Prin controlul energiei şi intensităţii fasciculului de ioni este posibilă prelucrarea suprafeţelor sau să se fabrice microcomponente.

- Controlul prelucrării se face cu ajutorul unui SEM integrat în aparat. Asemenea instrumente se numesc instrumente cu două fascicule.

MO comparativ cu SEM

Trochodiscus longispinus observat cu OM si SEM.

(De notat rezoluţia mult mărita a SEM)