Читайте также:
|
(прежде всего, в микроэлектронике), биологии, медицине и других отраслях те
ории и практики не могли бы состояться без оборудования для наблюдения, анаЛекция 19. Технические достижения и дизайн второй половины XX века 87
лиза и пр. с использованием пучков быстролетящих электронов. Родоначальни
ком этого довольно обширного семейства электронно-оптических приборов был
электронный микроскоп. Он появился в результате поиска путей совершенство
вания оптического микроскопа (см. Лекцию 4).
Сложные оптические микроскопы позволяют наблюдать объекты с размером
около 0,1- 0,2 мк, что соответствует увеличению в 2000 раз (невооруженный глаз
различает предметы с размерами около 0,2 мм). Применение в световой микро
скопии больших увеличений является бесполезным, так как разрешающая спо
собность остается той же, а изменяется только масштаб изображения из-за явле
ния дифракции, обусловленного волновой природой света. Разрешающая способ
ность, составляющая около одной трети длины волны, может быть существенно
повышена за счет использования электронных лучей, обладающих волнами во
много раз короче световых, что и было осуществлено в электронных микроско
пах. Электронные микроскопы позволили реализовать разрешение в несколько
ангстрем (1 ангстрем равняется 10“8 см) при увеличении порядка 500000 крат.
В 1960-е годы промышленностью уже выпускались в значительном коли
честве и широко использовались в исследовательской работе, а также в приклад
ных целях, микроскопы для исследования в проходящих лучах, растровые мик
роскопы и рентгеновские микроанализаторы.
В просвечивающем электронном микроскопе, как и в световом, основными
элементами являются объектив, окуляр и конденсор. Вместо источника света в
оптическом микроскопе здесь имеется электронная пушка: катод испускает
электроны, анод фокусирует и ускоряет их. Затем пучок электронов попадает в
конденсорную систему, задача которой в микроскопах любого типа - собрать и
направить на объект исследования как можно больше лучей от источника. Сфор
мированный пучок электронов попадает на образец и затем в объектив, в фо
кальной плоскости которого образуется первое увеличенное изображение. При
помощи проектора, представляющего собой систему магнитных линз, оно пере
носится на экран или фотопластинку в еще более увеличенном виде. Это изоб
ражение наблюдается через оптический микроскоп. Микроскопы этой конструк
ции работают на просвет. Изображение создают электроны, прошедшие образец
насквозь. Поэтому для исследования либо берут пленку («срез») из материала
образца, либо делают отпечаток его поверхности - реплику.
Так как в этих приборах световые лучи заменены электронными, то для их
формирования используются электромагнитные системы, располагаемые в элект
ронной колонне. Из-за сильного поглощения электронов материей, в частности,
воздухом, в канале для прохождения электронного луча создается вакуум. По
этому такие приборы содержат довольно большие вакуумные узлы для создания
и поддержания высокого разряжения, а также сложные системы электропитания,
индикации и управления.
Первый электронный микроскоп сконструировали в Германии ученые
М. Кнолль и Э. Руска в 1931 году. В 1939 году немецкая фирма «Сименс» выпу
стила свою первую промышленную модель просвечивающего электронного мик
роскопа. В 1936 году был изготовлен микроскоп ЕМ1 английской фирмой «Мет-88 История дизайна, науки и техники
рополитэн виккерс». Прибор имел разрешение около 2000 ангстрем и увеличе
ние порядка 5000 крат. У этого технического изобретения и его конструктивно
го воплощения была почти полувековая предыстория.
Немецкий физик-экспериментатор Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923)
обнаружил в 1895 году возникновение в вакуумной трубке с двумя электродами
некоего излучения (от катода к аноду), на основе чего была создана рентгенов
ская трубка. Рентгеновские лучи - электромагнитное ионизирующее излуче
ние - возникали в ней на аноде под воздействием упомянутого излучения с ка
тода. Английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) доказал (1897), что
катодные лучи являются потоком мельчайших заряженных частиц - электронов.
Однако только в 1924 году французский ученый Луи де Бройль (1892-1987)
показал, что все частицы (в т.ч. электроны) имеют двойственную природу - ве
дут себя одновременно и как частицы, и как волны. При этом, чем больше энер
гия частицы, тем короче длина ее волны, а энергия частицы тем больше, чем
выше ее скорость. Следовательно, сильно разогнав электроны, можно получить
волны в 100 тыс. раз короче световых и, значит, увидеть в 100 тыс. раз более
мелкие объекты, чем в световом микроскопе. Технической предпосылкой для
создания нового типа микроскопа стала разработка немецким физиком X. Бу
шем магнитной электронной линзы (1926). После чего М. Кнолль и Э. Руска
приступили к созданию первого электронного микроскопа (1928).
В годы Второй мировой войны производство микроскопов в небольших ко
личествах осуществлялось в Германии и США, теоретические исследования и
конструкторские разработки велись также в Англии, Бельгии, Швеции и Япо
нии. В Советском Союзе исследования в электронной микроскопии были нача
ты в конце 1939 года в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавило
ва (ГОИ), в Ленинграде. В 1940-м году был создан первый макетный образец, а
уже в 1946 году микроскопы ГОИ получили различные организации СССР. Про
мышленное производство электронно-микроскопической аппаратуры в нашей
стране началось в 1949 году выпуском приборов под маркой ЭМ-3 на Красно
горском механическом заводе.
Форма первых промышленных образцов определялась, в первую очередь,
стремлением добиться наиболее простыми средствами нормального функциони
рования прибора, т.е. обеспечить формирование электронно-оптического изобра
жения достаточного увеличения, разрешения и яркости, а также защитить опе
ратора от воздействия высокого напряжения. Компоновка и форма первых при
боров формировались инженерами и носили чисто утилитарный характер. Эти
новые приборы имели много общего с уже существовавшими станками и дру
гим оборудованием: литые основания, пульты на вертикальных поверхностях,
штурвалы и рычаги в качестве органов управления. Электронная колонна уста
навливалась на стенде, примыкавшем к шкафу, а пульт управления находился
на передней поверхности стенда, что затрудняло манипуляции с органами уп
равления. Часть органов управления помещалась в зоне, наиболее близкой к эле
менту технической структуры, для управления которым они предназначалась.
Так, рукоятки регулировки реостата накала находились на экранной ванне надЛекция 19. Технические достижения и дизайн второй половины XX века 89
колонной и манипуляции с ними не могли быть выполнены сидя. Там же нахо
дился измерительный прибор накала.
Интенсивное расширение промышленного производства электронных микро
скопов началось в 1950-е годы. Возрастает количество фирм-изготовителей в
различных странах; совершенствуются технические параметры приборов, одно
временно изменяется их компоновка и внешний вид. Новые для того времени
отечественные и зарубежные микроскопы представляли собой так называемые
настольные модели. У них был стол значительных размеров, на котором верти
кально вверх крепилась электронная колонна, по сторонам которой располага
лись пульты с органами управления и средствами индикации. Высота стола и
ряд других параметров приборов обычно выбирались без учета антропометри
ческих и других эргономических требований. Стремление компактно располо
жить все вспомогательные системы в столе обусловило его высоту почти в
900 мм у отечественного ЭМ-5 и японского JEM-T4, и поэтому оператор работал
в неудобной позе с поднятой грудной клеткой и локтями.
Совершенно другую компоновку имел голландский микроскоп ЕМ100, в ко
тором электронная колонна располагалась в столе под углом к горизонтальной
плоскости. Конечное увеличенное изображение рассматривалось на флуоресци
рующем экране (280 мм), что было весьма удобно для оператора-исследователя.
Форма микроскопа отражала самые модные веяния тех лет. Обтекаемые поверх
ности, криволинейные формы элементов со сглаженными углами придавали це
лостность композиции, делая форму скульптурной. Однако эта форма противо
речила требованиям эргономики. Стол выпуклостью по направлению к операто
ру, отсутствие плоскости стола как таковой, расположение органов управления
под экраном и по сторонам от колонны (на высоте 820 мм) - вот основные не
достатки формы микроскопа. Примером другого композиционного и конструк
тивного решения является английская модель «Коринт 275» с расположением
электронной колонны под поверхностью стола (вертикально вниз) - об этой
модели речь шла в предыдущей лекции.
Показательна эволюция формы микроскопов японской формы JEOL, которая
широко использовала американский опыт, и модели которой пользовались авто
ритетом на мировом рынке. При создании моделей с совершенствованием тех
нических характеристик наблюдался возврат к прежним, не всегда оправданным
решениям. С интервалом в 10 лет, как-бы забывая все уже достигнутое мировой
практикой микроскопостроения, повторяются компоновка и форма пульта управ
ления американского EMU-2, который был отправной точкой для японских при
боров. Оператор был вынужден работать в неестественной позе (сгорбленное
положение тела с вытянутой шеей и руками, не имеющими опоры в локтях). И
только потом, спустя еще 10 лет произошел возврат к расположению пультов
над столешницей по сторонам от колонны. Изменение формы микроскопов со
ответствует закону развития в природе и технике, сформулированному филосо-
фами-материалистами: «Развитие, как-бы повторяющее пройденные уже ступе
ни, но и повторяющее их иначе, на более высокой базе («отрицание отрица
ния»), развитие, так сказать, по спирали, а не по прямой линии...» (В.И. Ленин).90 История дизайна, науки и техники
Наряду с совершенствованием технических параметров, эргономических и эс
тетических характеристик просвечивающих электронных микроскопов создава
лись приборы с новыми функциональными возможностями.
Рентгеновский микроанализатор, сконструированный в 1951 году во Фран
ции Р. Кастеном, позволил проводить химический анализ по длине волны рент
геновского излучения, испускаемого исследуемым образцом под воздействием
тонкого электронного зонда. Позднее в прибор были введены системы для фор
мирования изображения структуры образца и наблюдения ее на экране элект
ронно-лучевой трубки. Идея использования в микроскопии телевизионной си
стемы с растровой разверткой оказалась чрезвычайно плодотворной. Образец
сканировался тонким электронным лучом, а информация о каждой его точке
последовательно передавалась в фотоумножитель - собирающий элемент, а с
него - на экран телевизора.
Растровый электронный микроскоп появился в 1960-е годы в результате
развития полупроводниковой радиоэлектроники, опыта, накопленного при про
изводстве просвечивающих электронных микроскопов и рентгеновских микро
анализаторов. Растровые микроскопы позволили воспроизводить на экране трех
мерное микроизображение с глубиной резкости, по крайней мере, в 300 раз боль
шей, чем при помощи световых микроскопов. При этом подготовка образцов сво
дилась к минимуму Благодаря широкому использованию интегральных схем эти
приборы имели весьма небольшие габариты и были компактны.
В 1970-е годы высококлассные просвечивающие электронные микроскопы
для решения широкого круга научно-исследовательских задач стали допол
няться различными системами. Микроскопы превратились в приборные комп
лексы, которые включали в себя, кроме собственно микроскопа, еще спектро
метры различного типа, приставки для манипуляций с образцами и видеоси
стемы с телевизионными экранами для наблюдения образцов в различных ре
жимах [19.5; 19.6].
Дата добавления: 2015-11-30; просмотров: 43 | Нарушение авторских прав