НПР _Иващенков А.. Принцип работы сканирующего электронного микроскопа и его использование в Геологии

• Название: Принцип работы сканирующего электронного микроскопа и его использование в Геологии
• Дата: 09.03.2023
• Размер: 4.35 Mb.
• Имя файла: НПР _Иващенков А..docx
• Тип: Научно-исследовательская работа; #977387

Муниципальное образовательное учреждение

«Многопрофильная гимназия №12»

XXIV городская научно-практическая конференция школьников «шаг в будуЩее»
Научно-исследовательская работа

секция: «Физика»

Научно-исследовательская работа на тему: «Принцип работы сканирующего электронного микроскопа и его использование в Геологии»


Выполнил:

ученик 10 «А» класса

Иващенков Андрей

Научный руководитель:

Заслуженный учитель РФ,

учитель физики высшей категории

Андреева Ольга Николаевна


г. Тверь

2020

Содержание

Введение 2

Теоретическая часть 5

История развития сканирующей электронной микроскопии 5

Устройство сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) 10

Взаимодействие электронного пучка с образцом 14

Сканирование исследуемого образца электронным пучком и формирование изображения 23

Подготовка исследуемого образца для СЭМ 25

Практическая часть 26

Заключение 38

Список литературы 39

Введение

Моя научно-исследовательская работа будет интересна всем, кто хочет узнать новую информацию об одном из современных методов изучения веществ в Геологии при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) – это один из наиболее универсальных электронных микроскопов, который используется для получения изображения поверхности объекта с высоким пространственным разрешением. При наличии соответствующих детекторов при помощи СЭМ можно получить информацию о химическом составе, строении и некоторых других свойствах исследуемых различных твердых тел. Основной принцип работы СЭМ – это взаимодействие электронного пучка с исследуемым веществом.

Я выбрал данную тему научно-исследовательской работы, потому что мне стало интересно при помощи каких приборов геолог изучает вещественный состав каменного образца, захотел детально изучить устройство СЭМ, разобраться в принципах работы данной модели микроскопа и провести свой эксперимент, проанализировав отобранный лично мной образец.

Актуальность темы научно-исследовательской работы заключается в том, что СЭМ является одним из самых востребованных и популярных приборов в современной геологии для быстрого изучения вещественного состава образца.

Целью данной работы является получение новых знаний о сканирующем электронном микроскопе и его использование в геологии.

Для оптимального достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. 
   Изучить литературу по данной теме и раскрыть, на мой взгляд, важные характеристики СЭМ.
   
2. 
   Отобрать каменный образец и сделать специальную пробоподготовку.
   
3. 
   Определить качественный элементный состав исследуемого образца методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) в СЭМ.
   

Работа рассчитана для возрастных категорий, начиная с учащихся старших классов.

Для реализации поставленной цели и решения задач, стоящих в научно-исследовательской работе, был проведен теоретический анализ учебных и справочных источников информации, представленных в библиографическом списке.

Теоретическая часть

История развития сканирующей электронной микроскопии

История развития электронной микроскопии берет свое начало с теоретических работ немецкого физика Г. Буша. Но стоит отметить, что до этого момента в физике были сделаны весьма важные открытия, а именно – в 1987 году «открытие электрона» (Дж. Томсон); гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме всех видов материи (1924 г.); а также в 1926 г. был проведен эксперимент Дж. Дэвиссоном и Л. Джермером и обнаружены волновые свойства электрона.

В 1926 году Г. Буш смог доказать в своих работах «О влиянии электромагнитного поля на траекторию заряженных частиц», что такие поля могут быть использованы в качестве электромагнитных линз. Он спроектировал магнитную линзу, которая позволяла фокусировать электронные лучи. Совершенное им открытие стало основополагающим принципом геометрической электронной оптики. После этого открытия ученые из Берлинского технического университета М. Кнолл и Э. Руска совместно с Э. Брушем начали развивать идею проектирования электронного микроскопа. И в 1931 году М. Кнолл и Э. Руска создали первый просвечивающий электронный микроскоп (рис.1).

М. Кнолл продолжал свои исследования и разработал анализатор электронной трубки. Этот анализатор мог моделировать необходимые характеристики электронного микроскопа, а именно – образец располагался с одной стороны отпаянной стеклянной трубки, а «электронная пушка» с другой. Электроны, которые были ускорены напряжением от 500 до 4000 вольт, фокусировались на поверхности образца, а система катушек в этот момент обеспечивала их отклонение. Электронный пучок сканировал поверхность образца со скоростью 50 изображений в секунду, а измерение тока, который проходил через образец, давало возможность восстановить изображение на поверхности.

В 1938 г. немецкий ученый Манфред фон Арденне построил первый сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СПЭМ). Этот прибор не был похож на современный СЭМ, так как на нем можно было изучать только очень тонкие образцы (рис.2). Манфред фон Арденне добавил сканирующую систему к просвечивающему электронному микроскопу, и он смог в приборе реализовать две системы изображения. Первая система – регистрация изображения на кинескопе, вторая – это фоторегистрация на пленке, которая располагалась на вращающемся барабане. Принцип работы прибора заключался в следующем: электронный пучок, диаметр которого был 0,01 мкм, сканировал поверхность образца, а прошедшие электроны засвечивали фотопленку, которая перемещалась синхронно с электронным пучком.

Первая микрофотография, которая была получена ученым, зафиксировала увеличенный кристалл ZnO с разрешением от 50 до 100 нанометров. Рабочее ускоряющее напряжение было 23 кВ. Увеличение в приборе было 8000, а разрешение находилось в пределах между 50 и 100 нанометров [1, с.19]. Это изображение было из 400х400 линий сканирования (растра), и для его накопления было необходимо 20 минут. Сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СПЭМ) имел две электрические линзы, которые были окружены отклоняющими катушками.



Рис.1 Первый просвечивающий электронный микроскоп (М. Кнолл и Э.Руска, 1931)



Рис.2 Первый сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (Манфред фон Арденне, 1938)

В 1942 г. русский физик В. Зворыкин, который в то время работал в США, опубликовал вместе с коллегами детали первого сканирующего электронного микроскопа. Изобретенный микроскоп позволял проанализировать не только тонкий образец на просвет, но и поверхность массивного образца. Прибор включал в себя три электростатических линзы и отклоняющие катушки, которые размещались между второй и третьей линзами [1, с.21]. Электронная пушка с вольфрамовым катодом эмитировала электроны, которые затем ускорялись напряжением. Для удобства размещения образца электронная пушка в приборе располагалась внизу (рис.3). Это был первый растровый микроскоп, который смог продемонстрировать разрешение порядка 50 нанометров. К сожалению, Вторая мировая война приостановила исследования в данной области, В. Зворыкин и др. не смогли окончательно доработать свой прибор.


Рис.3 Сканирующий электронный микроскоп (В. Зворыкин и др., 1942)
В 1952 г. в К. Оутли вместе с Мак-Маллэном создают первый СЭМ в Кембриджском университете. Разрешение этого прибора достигло 500 Å.

В 1956 г. К. Смит ученый из Кембриджского университета обнаружил, что качество микрофотографии может быть улучшено за счет обработки сигналов. С этой целью он ввел нелинейное усиление сигнала. Он заменил электростатические линзы на электромагнитные и улучшил систему сканирования за счет введения двойного отклонения. Смит первым ввел стигматор¹ в СЭМ [1, с.21].

Следующий этап развития в СЭМ – это усовершенствование детектора В. Зворыкина. В 1960 г. Т. Эверхат и Р. Торнли изобрели новый детектор – «детектор Эверхарта-Торнли». Ученые смогли повысить сигнал и улучшить отношения «сигнал/шум». Это усовершенствование дало возможность лучше исследовать механизм формирования слабого контраста. Детектор становится очень популярным и встречается достаточно часто даже сейчас на современных СЭМ.

Стоит отметить, что работы, которые велись в Кембриджском университете в 60-е годы, очень способствовали развитию СЭМ. И в 1965 г. на базе университета был выпушен первый коммерческий сканирующий электронный микроскоп – «Stereoscan». В последующие годы более 1000 СЭМ были проданы ряду фирм-производителей Японии, США, Великобритании, Франции и др.

Устройство сканирующего электронного микроскопа (СЭМ)

Основными составляющими СЭМ являются: электронно-оптическая колонна, вакуумная система и система управления микроскопом (рис. 4).



Рис. 4 Общая схема СЭМ

Электронно-оптическая колонна находится перед образцом. Она служит для формирования пучка и управления его основными параметрами: диаметром, током и расходимостью. Электронно-оптическая колонна включает в себя электромагнитную пушку и две (или более) электромагнитные линзы.

В свою очередь электронная пушка состоит из источника электронов (вольфрамовый катод; катод гексаборида лантана (LaB₆₎; автоэмиссионный катод), модулятора (цилиндра Венельта²) и анода [2, с.3]. То есть «классическая конструкция» электронной пушки – это триод (рис. 5). В основе работы электронной пушки используется принцип испускания электронов нагретыми телами (термоэлектронная эмиссия³). Под воздействием проходящего тока происходит разогрев катода и испускание электронов. Ток эмиссии регулируется при помощи цилиндра Венельта, а анод ускоряет пучок электронов до заданного потенциала. Вместе они формируют пучок и определяют путь движения электронов вдоль колонны до образца. Зависимость тока электронного пучка (зонда) от тока накала нити нелинейная. Выше некоторого значения тока накала - ток зонда начинает быстро расти и достигает насыщения [3, с.6]. Оператор, который р аботает за прибором, сам устанавливает положение точки насыщения при регулировке прибора. Если увеличение тока накала будет выше этого значения, то это приведет к сокращению службы катода и нестабильности пучка.



Рис.5 Схема электронной пушки

Стоит отметить, что СЭМ – это вакуумный прибор (при нормальном атмосферном давлении электронный пучок подвержен сильному рассеиванию и поглощению, что делает невозможным его фокусировку). Вакуум в приборе создается при помощи ротационного или диффузионного насоса.

Траектории электронов в электронно-оптической колонне почти параллельны, они фокусируются в область размером от нескольких нанометров до микрометров. Расстояние между оптическими элементами системы всегда строго постоянно. Исключение – это расстояние от образца до последней линзы, его можно изменить. Тем самым, основная функция электронной колонны – это формирование остросфокусированного электронного пучка (зонда). По принципу работы: первая часть пушки соответствует собирающей линзе, ускоряющая зона вокруг анода – это рассеивающая линза. После анода электроны попадают под действие электромагнитных линз.

Электромагнитные линзы в СЭМ служат как для уменьшения диаметра пучка электронов (конденсорные линзы), так и для фокусировки пучка электронов на поверхности исследуемого образца (объективные линзы). Уменьшение диаметра пучка электронов может быть разной, в зависимости от катода, который используется при исследовании. А фокусировка пучка электрона осуществляется при помощи магнитного поля. Поле создается электромагнитной катушкой (соленоид⁴) и имеет осевую симметрию. Форма линз подбирается производителем согласно наличию «свободного места» в колонне микроскопа. К сожалению, частые явления для оптических систем – это различные погрешности, например – сферическая аберрация, хроматическая аберрации, астигматизм. Поэтому, чтобы скорректировать магнитное поле линзы, например, восстановить её симметрию, устанавливают стигматор⁵. Расположен стигматор в объективной линзе и может быть 4-х полюсным или 8-полюсным. Принцип корректировки магнитного поля линзы, при помощи работы стигматора, заключается в следующем: находят два положения хорошей фокусировки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, устанавливают фокусировку между этими положениями и используют стигматор, который стремится улучшить качество изображения (рис. 6).



Рис.6 Принцип устранения астигматизма в СЭМ

Диафрагмы (апертуры) также используются для улучшения четкости изображения в СЭМ. Диафрагма представляет собой тонкий диск (пластинку), изготовлена либо из платины, либо из молибдена, в ней есть отверстие, через которое проходит пучок электронов. Диафрагма пропускает только узкие сфокусированные пучки и отсекает сильно рассеянные. Диафрагма конденсорной линзы необходима для отсечения внешних зон исходного пучка электронов, а диафрагма объективной линзы ограничивает диаметр пучка (рис. 4).

Взаимодействие электронного пучка с образцом

В СЭМ для построения изображения используются различные типы сигналов. Эти сигналы появляются при взаимодействии сфокусированного электронного пучка (зонда) с исследуемым образцом. Каждый тип сигнала формируется в различных областях взаимодействия и схематично представлен на рисунке 7. Регистрация таких сигналов в СЭМ осуществляется при помощи специальных детекторов.



Рис. 7 Область генерации различных типов сигналов в СЭМ
При попадании электронного пучка на поверхность образца происходит множество сложных явлений, но все они связаны с передачей энергии электронного пучка веществу образца. Все эти явления, которые генерируются в СЭМ, формально можно разделить на две большие группы: 1) упругое рассеяние, которое связано с изменением траектории электронов при малой потере энергии;

2) неупругое рассеяние, которое связано с передачей энергии исследуемому образцу.

Неупругое рассеяние электронов приводит к возбуждению электронов (вторичные электроны), ионизации внутренних оболочек атома (оже-электроны, характеристическое и непрерывное рентгеновские излучения) и катодолюминесценции (световое излучение). То есть, все эти сигналы являются носителями информации о топографии (рельефе) и природе образца.

Электроны пучка, которые проникают в исследуемый образец, многократно взаимодействуют с электронами атомов решетки, с электрическими полями ядер. Траектории движения каждого электрона имеют весьма сложную форму, и со временем в образце образуется область, в которой электроны пучка (зонда) растрачивают всю свою энергию. Это область называется областью взаимодействия. Для образцов легких элементов электроны могут глубоко проникать внутрь образца, и область взаимодействия имеет «грушевидную форму», для тяжелых – «чашевидную» (рис. 8).

Были уже перечислили основные источники сигналов, которые используются в СЭМ для формирования изображения (рис.7), но остановимся на них еще раз и дадим им краткую характеристику.


Рис. 8 Форма областей взаимодействия падающих электронов с образцом (а – низкий атомный номер, б – высокий атомный номер)
Часть электронов пучка (зонда) при «бомбардировке» образца вылетает из него. Такие электроны называются отраженными (обратно рассеянные электроны). Согласно экспериментам, количество отраженных электронов растет с возрастанием атомного номера исследуемого образца [4, с.26]. Такой тип электронов несет информацию о природе образца.

Вторичные электроны образуются в результате взаимодействия с атомами образца. Электроны первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам, которые слабо связаны с атомами. В результате такого взаимодействия и происходит образование вторичных электронов. Эти электроны обладают небольшой энергией, и поэтому их «выход» возможен только с приповерхностных слоев образца. Так как вторичные электроны генерируются приповерхностными слоями, то они очень чувствительны к состоянию поверхности образца. Самые минимальные изменения будут отражаться на количестве собираемых электронов. Такой тип электронов несет информацию о рельефе образца.

Рентгеновское излучение образуется в случае, когда электронный пучок выбивает электроны с внутренних оболочек атомов элемента образца. При таком взаимодействии электрон с более высокого энергетического уровня переходит на нижний уровень энергии с одновременным испусканием кванта рентгеновского излучения. Такой тип излучения позволяет идентифицировать состав и измерить количество элементов в образце. Рентгеновское излучение в СЭМ бывает двух видов: непрерывное и характеристическое.

Непрерывное рентгеновское излучение простирается от области ультрафиолета и видимого света до рентгеновского излучения с энергией. Такой вид излучения часто является фоновым и равен энергии падающих электронов.

Характеристическое рентгеновское излучение образуется в результате перехода атома из возбужденного состояния в стационарное, которое следует за ионизацией от падающего электрона. То есть, такой вид излучения происходит за счет переходов электронов с одной оболочки на другую, при этом образуется квант энергии рентгеновской области спектра. Спектр характеристического рентгеновского излучения представляет собой прерывистый набор спектральных линий. Длина волны зависит от излучившего элемента. Как показано на рисунке 7, рентгеновское излучение порождается в значительной части «груши» взаимодействия подающего электронного пучка с образцом.

Оже-электроны образуются в результате ионизации внутренних электронных оболочек. Суть явления заключается в следующем: атом, возбужденный в результате ионизации внутренних электронных оболочек электронным пучком, может возвратиться в основное состояние путем безызлучательного перехода [2, с.12]. Энергия возбуждения передается другому электрону, который занимает соседний уровень, после этого выходит за пределы образца и регистрируется. Основная область применения оже-электронов – это исследование состояния атомов на поверхности образца.

Катодолюминесценция – это люминесценция, которая возникает при возбуждении кристаллической решетки исследуемого образца под действием электронного пучка. Ускоренные электроны, которые попадают в кристаллическую решетку неметаллического образца (например, диэлектрик, полупроводник), вызывают ионизацию атомов, в следствие возникают вторичные электроны, которые в свою очередь могут производить ионизацию. Это происходит до тех пор, пока электроны окончательно не растеряют всю энергию или не покинут образец. Образовавшиеся «дырки», которые перемещаются по решетке, захватываются центрами люминесценции, где через какое-то время происходит рекомбинация⁶ электронов и дырок, приводящая к образованию фотонов⁷, спектр, которых аналогичен спектру фотолюминесценции для данной решетки. Спектр катодолюминесценции располагается обычно в ультрафиолетовой или видимой части спектра [2, с.13]. Такой тип сигнала позволяет исследовать распределение и тип рекомбинации в кристаллической решетке.

Для того, чтобы изображение было сформировано в СЭМ, необходимо использовать соответствующий детектор (рис.4). Детектор преобразует интересующее оператора излучение в электрический сигнал и модулирует⁸ интенсивность на рабочем экране для наблюдения и получения фотографии.

Любая детекторная система характеризуется тремя важными параметрами: 1) угол по отношению к поверхности образца, под которым детектор принимает интересующий оператора сигнал (угол приема или выхода); 2) телесный угол, в котором детектор принимает сигнал; и 3) эффективность преобразования детектором излучения в электрический сигнал [5, с.9].

Согласно литературным данным основной тип изображения, который используется в СЭМ, определяется вторичными электронами, испускаемыми с поверхности образца после взаимодействия его с пучком падающих электронов [4, с.54-55].

Первый детектор и самый распространенный в СЭМ был «детектор Эверхата – Торнли» (рис.9). В таком типе детектора вторичные электроны регистрируются при помощи сцинтиллятора⁹. Сцинтиллятор светится при бомбардировке электронами, и далее фотоумножитель преобразует свет (фотоны) в электрический сигнал. На фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) создаются импульсы, детектируются как вторичные, так и часть отраженных электронов. Между сцинтиллятором и фотоэлектронным умножителем расположен световод, который позволяет «вывести» ФЭУ за пределы вакуумной камеры СЭМ. Это необходимо сделать, так как работа ФЭУ крайне чувствительна к внешним электрическим полям.


Рис. 9 Схема детектора Эверхата – Торнли


Материал, из которого сделан сцинтиллятор, постоянно ухудшается за счет накопления радиационных дефектов, которые возникают под действием подающих электронов. Такой тип детектора требует периодической замены.

В полупроводниковых детекторах (ППД) вторичные электроны, которые попадают на материал полупроводника, создают в нем электронно-дырочные пары, что приводит к появлению тока в цепи. Стоит отметить, что такой ток будет пропорционален количеству электронов, поглощенных в монокристалле полупроводника. Электроны должны иметь энергию, которой будет достаточно для образования электронно-дырочных пар, поэтому ППД обычно используют для регистрации высокоэнергетической части вторичных электронов [2, с.5].

Еще один важный тип детектора, который используют в СЭМ – это детектор, регистрирующий рентгеновское излучение. Здесь использует для регистрации рентгеновского излучения детектор с дисперсией по длинам волн, либо по энергиям попадающих фотонов.

Принцип работы спектрометра с дисперсией по длинам волн заключается в том, что небольшая часть рентгеновского излучения, которая образуется исследуемым образцом, выходит из электронно-оптической камеры, падает на поверхность кристалла-анализатора, дифрагирует¹⁰ и после регистрируется пропорциональным счетчиком (рис.10).

Принцип работы спектрометра с дисперсией по энергии волн основан на том, что рентгеновское излучение проходит сквозь тонкое берилловое окно в криостат¹¹ с охлажденным кремниевым детектором, который легированный¹² литием. При поглощении каждого фотона рентгеновское излучение образует фотоэлектрон, который расходует большую часть своей энергии на образование электрон-дырочных пар. Эти пары в свою очередь разделяются приложенным напряжением и формируют импульс заряда [5, с.11]. Усиленный импульс поступает в анализатор, и происходит разделение по амплитуде. Амплитуда имеет прямую зависимость от энергии рентгеновских квантов излучения.


Рис. 10 Схема спектрометра с дисперсией по длине волны



Рис. 11 Схема спектрометра с дисперсией по энергии волны

Таким образом, спектрометры с волновой дисперсией (ВД) отличаются от спектрометров с энергетической дисперсией тем, что рентгеновское излучение «разлагается» в спектр благодаря брэгговскому отражению. Рентгеновские спектрометры с ВД имеют более высокое спектральное разрешение, но значительно более низкую интенсивность при том же токе пучка по сравнению с ЭД спектрометрами [4, с.107-108].

Сканирование исследуемого образца электронным пучком и формирование изображения

Электронный пучок (зонд) пробегает исследуемую область на образце точка за точкой, линия за линией (рис. 12). Положение пучка электронов на образце и точки на экране монитора (т.е. величины сигнала с соответствующего детектора) синхронизировано [6, с.1].

Как видно на рисунке 12 сканирование происходит вдоль линии и по площади.

При сканировании вдоль строки электронный пучок движется вдоль одной выбранной линии на образце. На экране монитора по оси Х соответствует расстояние вдоль линии на образце, а по оси Y – интенсивности сигнала с выбранного детектора [6, с.2].


Рис. 12 Сканирование электронным пучком заданной области образца
При сканировании по площади электронный пучок сканирует образец по двумерному X-Y растрату¹³. Для отображения информации о взаимодействии электронного зонда с образцом используется яркостная модуляция интенсивности сигнала на экране монитора.

Увеличение в СЭМ равно отношению размера изображения на экране монитора к размеру растра на образце в данный момент времени. Увеличение контролируется при помощи сканирующих катушек. Если оператор решает улучшить увеличение, он должен уменьшит силу тока в обмотке сканирующих катушек, при этом электронный пучок «пробегает» меньшую дистанцию по поверхности образца. Важно отметить, что эта дистанция зависит от рабочего расстояния (расстояние от объективной линзы до образца). Таким образом, минимальное увеличение определяется рабочим расстоянием объективной линзы, а максимальное – ограничивается размещающей способностью микроскопа (т.е. диаметром пучка электронов и областью взаимодействия зонда с образцом).

Еще одним важным параметром, который необходим для формирования изображения в СЭМ – это контраст. Контраст несет в себе информацию о сигнале, которая связана со свойствами исследуемого образца.

Существует два основных типа формирования контраста: 1) топографический контраст и 2) контраст, который зависит от атомного номера (или контраст от состава).

Первый тип контраста – топографический, возникает за счет того, что отражение электронов и вторичная электронная эмиссия зависят от угла падения электронного пучка на локальный участок образца. Угол падения изменчив из-за неровностей (топографии) исследуемого образца. Таким образом, формируется контраст, который связан с физической формой образца. На наклонных поверхностях образуется больше вторичных электронов, чем в плоскостях, поэтому такая поверхность выглядит более яркой по сравнению с плоской.

Второй тип контраста, который присутствует в СЭМ – это контраст от атомного номера. Число отраженных электронов растет с увеличением атомного номера элемента. Следовательно, области в которых высокие атомные номера выглядят более яркими по отношению с областями с низкими атомными номерами. Чем больше разница в атомных номерах, тем выше контраст в отраженных электронах.

Подготовка исследуемого образца для СЭМ

Еще одним важным моментом для использования СЭМ является специальная пробоподготовка образца, поэтому существует своя последовательность подготовки к исследованию различных каменных материалов.

Если размер (вес) исследуемого образца значителен, то необходимо вырезать часть пробы. А для исследования микроструктуры образец подвергается еще и шлифовке на наждачных бумагах и при полировка используют специальные суспензии, которые удаляют оставшиеся после шлифовки царапины.

Если исследуемый образец является диэлектриком и не проводит электрический ток, то такие образцы необходимо напылять электропроводным слоем. Это надо сделать для отвода с поверхности электрического заряда, который образуется при электронной бомбардировки. Методом экспериментов для наблюдения в отражённых электронах был подобран наиболее подходящий элемент для напыления – углерод. Углерод имеет минимальный рентгеновский спектр, но тоже не идеален, так как имеет низких выход вторичных электронов. Металлы с высоким выходом вторичных электронов, например, золото или золото-палладиевый сплав, подходят для наблюдения во вторичных электронах, однако это очень дорого.

Последний этап подготовки перед исследованием образца – это фиксация его на проводящий двусторонний углеродный скотч и установление его на подставку для образцов.

Практическая часть

В этом году у меня была возможность изучить принцип работы СЭМ в лабораторных условиях. К сожалению, в сложившийся ситуации пандемии, я не смог полностью познакомиться со всеми особенностями работы геологической лаборатории, так как в институте, где я смог провести свои исследования, был введен ряд ограничительных мер. Но часть основной работы была проведена, и я хочу поделиться своими результатами.

В период летних каникул вблизи дачного участка мной был обнаружен каменный валун, который вызвал у меня интерес (рис. 13, 14).


Рис. 13 Место отбора каменного материла (М 1:100 000)


Рис. 14 Место отбора каменного образца (М 1:12500)
Моя сестра работала младшим научным сотрудником – ассистентом кафедры Геологии в СПбГУ (в данный момент она работает геологом, но в частной фирме). Поговорив с ней о своей находке, я решил узнать, как в геологии при помощи современных методов исследования, геолог может изучить состав камня.

По ее рекомендации, я прочитал научную литературу о нескольких современных приборах, которые в данных момент активно используются в современной науке Геологии, и остановил свой выбор на СЭМ.

В первую очередь я должен был детально познакомиться с принцами работы СЭМ (см. выше раздел теоретической части научно-исследовательской работы), а после отдать лично отобранный образец (рис. 14, 15) на исследования в лабораторию (рис. 16).


Рис. 14 Геологический образец



Рис. 15 Геологический образец (отобранный материал для изучения)


Рис. 16 СЭМ TESCAN VEGA (лаборатория института)


Рис. 17 Напылительная установка Q150T Plus (лаборатория института)
TESCAN VEGA – это сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) четвертого поколения с термоэмиссионным вольфрамовым катодом, позволяющий получать СЭМ-изображения и проводить анализ элементного состава в реальном времени в одном окне программного обеспечения TESCAN Essence™, что значительно упрощает получение данных как о морфологии поверхности образца, так и о его локальном элементом составе, что делает СЭМ TESCAN VEGA эффективным аналитическим решением для проведения регулярного контроля качества материалов и различных лабораторных исследований [7].

Напылительная установка Q150T Plus предназначена для пробоподготовки для электронной микроскопии, а именно для напыления образцов углеродом [7].

Согласовав с оператором лаборатории мое исследование, я отдал каменный образец для дальнейшей пробоподготовки (см. выше раздел теоретической части научно-исследовательской работы). Каменный материал, который я отобрал, оказался по размерам слишком большим, поэтому для его изучения в лаборатории надо было подготовить специальный препарат – прозрачно-полированный шлиф¹⁴ (рис. 18) и сделать углеродное напыление (рис.17). Вся пробоподготовка выполняется в отдельной лаборатории – шлифовальной мастерской. Каждый шлиф имеет свой индивидуальный номер, который присваивает ему лаборатория для учета.



Рис. 18 Прозрачно-полированный шлиф, который напылен электропроводным слоем – углеродом. Индивидуальный номер 810461.
Так как я изначально поставил перед собой цель изучить химический состав исследуемого каменного материала, то оператор лаборатории предложил сделать рентгеноспектральный микроанализ (РСМА) при помощи специального детектора – ЭД (энергодисперсионный детектор) на СЭМ [4, с.130].

Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА) – это метод химического анализа образца. Оператор выбирает исследуемую микрообласть образца и при помощи сфокусированного пучка электронов возбуждает рентгеновское излучение.

Как уже говорилось ранее (см. выше раздел теоретической части научно-исследовательской работы), рентгеновское излучение возникает при бомбардировке образца пучком электронов, которое обусловлено неупругим взаимодействием этих электронов с атомами исследуемого образца. Возникший рентгеновский спектр состоит из характеристического и непрерывного излучения.

Непрерывный рентгеновский спектр образуется за счет торможения первичных электронов в сильных электромагнитных полях ядер атомов исследуемого образца. В результате такого процесса неупругого взаимодействия электрон теряет часть энергии. В дальнейшем эта энергия переходит в энергию излучения рентгеновского фотона. Таким образом, интенсивность непрерывного рентгеновского спектра будет пропорциональна числу падающих электронов и зависит от среднего атомного номера материала исследуемого образца, а также от ускоряющего напряжения. Рентгеновской спектр, который получается в результате исследования будет содержать линии, характеризующие присутствие данного элемента в образце. Сравнивая интенсивность линий в образце и в стандарте [4, с.153-156] при одинаковых аналитических условиях при помощи специальной приставки ЭДС на СЭМ можно обнаружить основные элементы и их концентрацию. Но иногда при идентификации пиков с близкими энергиями требуется лучшее разложение, и тогда используют еще один тип детектора на СЭМ – ВД (дисперсионный рентгеновский детектор по длине волны).

Отношение интенсивностей не точно равно отношению концентраций исследуемого элемента в образце и в эталоне в силу следующих причин:1) различие в поглощении электронов материалом сплава и «чистым» компонентом; 2) флуоресцентное возбуждение характеристическим излучением других элементов сплава и тормозным рентгеновским излучением [8, с.6] [4, 142-146].
В РСМА существует погрешность определения, и для различных элементов (тяжелых или легких) она будет своя, но в среднем не превышает величину порядка 1%. Предел обнаружения рентгеновского излучения зависит от использованного спектрометра.

Когда подготовительный этап был завершен и был согласован метод изучения образца, оператор выполняет определённый ряд последовательных действий.

Для получения изображения исследуемой области оператору необходимо ввести определенные параметры, а именно: выбрать ускоряющие напряжение, величину тока электронного пучка, рабочее расстояние (подобрать необходимое расстояние для образца и определённого вида детектора), подобрать правильный наклон образца относительно детектора и еще очень много нюансов, про которые знает специалист данной лаборатории. Часть описанных выше действий выполняется автоматически, но оператор СЭМ выступает, как проверяющий и всегда может при желании уточнить данные ввода. После ввода всех параметров при помощи СЭМ получается изображение исследуемого образца. Если перед оператором стоит задача посмотреть топографию образца, то изображение будет получено при помощи вторичных электронов (рис. 19), а если узнать природу – в обратно рассеянных электронах (рис. 20).

Получив электронное изображение на экране монитора, оператор выбирает микрообласть для исследования образца, а затем пошагово «ставит точку» (т.е. направляет электронный зонд) на зерно исследования (рис. 21). Программа автоматически в течении 35-40 секунд (среднее время набора рентгеновского спектра) сравнивает интенсивность линий в образце и в стандарте при одинаковых аналитических условиях и при помощи ЭД детектора обнаруживает основные элементы и их концентрацию (рис. 22).



Рис. 19 Электронное изображение СЭМ (вторичные электроны, SEI)



Рис. 20 Электронное изображение СЭМ (обратно рассеянные электроны, BEC)



Рис. 21 Изображение в обратно рассеянных электронах и «точка» исследования зерна минерала



Рис. 23 Энергодисперсионный рентгеновский спектр силикатного минерала; Counts – импульс, keV – кэВ.

По итогу исследования программа автоматически сравнивает линии энергии интенсивности стандарта и исследуемого образца. Оператор лаборатории переносит полученный массив данных (таблицу) в специальную программу, и производится расчет. В результате автоматической обработки оператор может продиагностировать все изученные в ходе исследования зерна и дать точное название минералов горной породы.

Исследуемый образец горной породы, который был изучен в данной научно-практической работе, состоит из следующих основных минералов: полевой шпат (65%), кварц (20%), слюда (биотит) (10%) и др. (5%). Геолог, получив информацию о среднем составе основных минералов породы, диагностировал мой образец как гранит.

Заключение

В ходе написания научно-исследовательской работы, теоретического анализа учебных и справочных источников получены следующие результаты и сделаны следующие выводы:

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) на сегодняшний день является одним из наиболее современных приборов, который используется в междисциплинарной науке Геологии. Основной принцип работы СЭМ основан на взаимодействии электронного пучка с исследуемым веществом. При помощи специального детектора, через который проходит электронный пучок (зонд) аналитик геологической лаборатории может получить информацию о свойствах исследуемых различных твердых тел. Какой тип детектора СЭМ будет использован в ходе исследовательской работы выбирает сотрудник лаборатории, но предварительно геолог формулирует определенные цели и задачи исследования.

Одна из основных целей в моей научно-практической работе – это при помощи рентгеноспектрального микроанализа определить химический состав исследуемого образца. В результате каменный образец был диагностирован как горная порода – гранит.

Материал, который изложен в научно-исследовательской работе, на мой взгляд, познавателен. Во-первых, я изучил дополнительную литературу и узнал историю открытия и принцип работы СЭМ. Во-вторых, я смог расширить свои знания в курсе общей физики. И в-третьих, я получил опыт работы в исследовательской лаборатории.

Список литературы

1.Практическая растровая электронная микроскопия /Дж. Гоулдстейн, Х. Яковиц, Д. Ньюбэри и др.; под ред. Дж. Гоулдстейна и Х. Яковица; пер. с англ. под ред. В.И. Петрова – Москва: Мир, 1978. - 656 с.

4.Электронно-зондовый микроанализ и растровая электронная микроскопия в геологии / С. Дж. Б. Рид; пер. с англ. Д. Б. Петрова, И. М. Романенко, В. А. Ревенко. – Москва: Техносфера, 2008. - 229 с.

Электронный ресурс (электронный ресурс удаленного доступа – Internet)

2.Лекция МФТИ (Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет») URL: https://mipt.ru/upload/medialibrary/6f6/SEM.pdf

3.Лекция НИТУ «МИСиС» (Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»); растровая электронная микроскопия, лекционный материал №3 «Структура растрового электронного микроскопа (РЭМ)» URL: http://ism-data.misis.ru/index.php/lectures-rem/3-structure-rem?start=5

5.Лекция НИТУ «МИСиС» (Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»); растровая электронная микроскопия, лекционный материал №2 «Взаимодействие электронного с образцом» URL: http://ism-data.misis.ru/index.php/lectures-rem/2-interaction?start=8

6.Лекция НИТУ «МИСиС» (Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»); растровая электронная микроскопия, лекционный материал №4 «Сканирование образца электронным пучком и формирование изображения» URL: http://ism-data.misis.ru/index.php/lectures-rem/4-scan-example

7.Сканирующая электронная микроскопия (сайт) URL: https://tescan.ru/product/skaniruyushchie-elektronnye-mikroskopy/tescan-vega-compact/

8.Лекция НИТУ «МИСиС» (Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»); растровая электронная микроскопия, лекционный материал №8 «Рентгеноспектральный микроанализ (РМСА)» URL: http://ism-data.misis.ru/index.php/lectures-rem/8-x-ray-sma

1^ Стигматор – электронно-оптический элемент электронного микроскопа, предназначенный для исправления приосевого астигматизма (ГОСТ 21006-75: Микроскопы электронные. Термины, определения и буквенные обозначения).

2^ Цилиндра Венельта - это цилиндрический электрод в электронных пушках. Он позволяет менять интенсивность электронного луча, фокусировать и изменять его интенсивность (URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Цилиндр Венельта, дата обращения – 05.12.2020)

3^ Термоэлектронная эмиссия – это явление выхода электронов из твёрдого тела, металла и полупроводников в свободное пространство, обычно в вакуум или разрежённый газ при нагреве его до высокой температуры (URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Термоэлектронная эмиссия, дата обращения – 05.12.2020)

4^ Соленоид – это обычная катушка индуктивности, внутри которой при подаче напряжения возникает магнитное поле (Савельев И. В. Курс общей физики. — Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика, 1982, с.148-152)

5^ Стигматор – это электронно-оптический элемент микроскопа, который предназначен для исправления приосевого астигматизма (ГОСТ 21006-75: Микроскопы электронные. Термины, определения и буквенные обозначения)

6^ Рекомбинация электронов в физике – э то исчезновение пары электронов проводимости, т.е. «дырка» в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону. Избыток энергии может выделять в виде излучения, но возможна также безызлучательная рекомбинация, при которой энергия расходуется на возбуждение колебаний кристаллической решетки (Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия. Гл. ред. А.М. Прохоров., 1983.)

7^ Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного поля (Физическая энциклопедия: [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии)

8^ Модулятор – это устройство, изменяющие параметры несущего сигнала в соответствии с изменениями передаваемого (информационного) сигнала. Этот процесс называется модуляцией, а передаваемый сигнал модулирующим (Словарь по кибернетике / Под редакцией академика В. С. Михалевича. — 2-е. — Киев: Главная редакция Украинской Советской Энциклопедии имени М. П. Бажана, 1989.)

9^ Сцинтилляторы – это вещества, которые способны испускать видимый свет при воздействии на них ионизирующего излучения (URL: https://ncontrol.ru/blog/azbuka_kontrolya/stsintillyatory, дата обращения – 07.12.2020.)

10^ Рентгеновская дифракция. Каждое кристаллическое вещество характеризуется своей решеткой, определенным химическим составом и определенным распределением атомов по элементарной ячейке решетки. Геометрия решетки определяет собой набор межплоскостных расстояний. Индивидуальность и распределение атомов определяет интенсивность дифрагированных лучей. Т.е. дифракционная картина является как бы своеобразным «паспортом» химического соединения, его «дактилоскопическим отпечатком», по которому можно установить, какому из уже известных ранее соединений соответствует полученная диаграмма.

Дифракция в кристаллической решетке происходит по закону Вульфа – Брегга: nλ=2dsinθ (где d-межплоскостное расстояние для отражающей плоскости кристалла-анализатора, θ – угол падения и отражения лучей от кристалла анализатора, λ – длина волны рентгеновского излучения, n=1,2.3… - порядок отражения (URL: https://study.urfu.ru/Aid/Publication/13523/1/Nikolaenko_Katyushev_Tarakina.pdf, дата обращения – 07.12.2020.)

11^ Криостат – это разновидность термостата. Термостат – это прибор для поддержания постоянной температуры (Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, издание III «Алфавитный именной указатель» 1969—1978.)

12^ Легирование полупроводников – это дозированное введение в полупроводник примесей или структурных дефектов с целью изменения их электрических свойств (Физическая энциклопедия: [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988.)

13^ Растр - решётка, обычно служащая для пространственного структурного преобразования, проходящего через неё или отражённого ею направленного пучка лучей (Физическая энциклопедия: [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988.)

14^Прозрачно-полированный шлиф – это тонкая пластинка (0,02-0,03 мм) руды или горной породы, изготовляемая для специальных исследований (Геологический словарь: в 2-х томах. – М.: Недра. Под редакцией К.Н. Паффенгольца и др., 1978.