Jak funguje
elektronový mikroskop?

V tomto případě se katoda, tedy zdroj elektronů napojený na záporný elektrický potenciál, zahřívá. To vede k nárůstu kinetické energie elektronů uvnitř katody. Při dostatečně vysoké teplotě dochází k jejich emisi (uvolnění nebo vyskočení) z povrchu do okolního prostoru. Katoda bývá vyrobena buď z wolframového vlákna, nebo z krystalu boridu lanthanového (LaB6), a žhaví se na teplotu cca 2 500 °C (respektive 1 500 °C). Přitom platí, že čím vyšší je teplota, tím více elektronů se uvolňuje, a tím méně je výsledný obraz zašuměný. Na druhou stranu se však kvůli vysoké teplotě snižuje životnost katody.

Wehneltův válec, který má odlišný potenciál (typicky bývá o několik set voltů zápornější než katoda), pak vybírá oblast na katodě, ze které se budou elektrony uvolňovat a tím efektivně určuje velikost zdroje.

Termoemisní zdroj je ze všech tří typů nejjednodušší a tím pádem i nejlevnější, má střední délku životnosti, nejnižší jas a relativně špatný energiový rozptyl.

Katodu tvoří krystal wolframu a má tvar ostrého hrotu. V těsné blízkosti je umístěn tzv. extraktor, což je elektroda s vysokým kladným potenciálem vůči katodě. V okolí hrotu tak vzniká silné elektrické pole, které je schopné vytrhávat elektrony. Katoda se u autoemisních zdrojů nezahřívá a operuje na pokojové teplotě. Proto je čistá autoemise označována také jako „studená emise“ (odtud název Cold FEG = Cold Field Emission Gun). Cold FEG má nejdelší životnost, nejlepší jas i energiový rozptyl. K provozu ale také vyžaduje nejvyšší úroveň vakua. Z těchto důvodů je také nejdražší.

Schottkyho FEG, nebo-li žhavená autoemisní tryska, svým způsobem kombinuje oba výše uvedené zdroje a je v současnosti velmi oblíbená. Katodu představuje stejně jako v případě studené emise monokrystal wolframu, který se zahřívá zhruba na teplotu 1 500 °C, čímž elektrony získávají větší energii. I zde se k usnadnění emise používá extraktor umístěný v blízkosti katody, na který je přiveden vysoký kladný potenciál několika kilovoltů. Toto intenzivní elektrické pole opět způsobuje snížení potenciálové bariéry, která drží elektrony v materiálu, a ty pak mohou snadněji prostupovat do vakua. Schottkyho FEG má velmi dobrou životnost, vysoký jas a dobrý energiový rozptyl.

Když už máme elektrony uvolněné z materiálu, je na čase je urychlit. K tomu se využívá série elektrod, tzv. dynodových kroužků, na které je přivedeno kladné napětí. To je na jednotlivých kroužcích odstupňováno o desítky tisíc voltů. Elektrony letící podél osy kroužků jsou jimi přitahovány a získávají tak stále vyšší rychlost, a to až na úroveň 70 % rychlosti světla!

Důvody pro tak vysokou rychlost jsou dva. Zaprvé je nutné, aby elektrony vůbec dokázaly proletět vzorkem. Druhý důvod souvisí s jejich vlnovou podstatou. Čím rychleji se elektrony pohybují, tím mají kratší vlnovou délku a tím detailnější informace (vyšší rozlišení) nám o zkoumaném vzorku mohou přinést.

Poté, co získají elektrony dostatečnou rychlost, jsou nasměrovány do zhruba milimetrového otvoru, který vede do tubusu.

Elektrony nemůžeme zaostřovat skleněnými (a obecně materiálovými) čočkami jako viditelné světlo, protože by jimi byly zastaveny a pohlceny. Proto jsou v elektronovém mikroskopu nahrazeny čočkami magnetickými, které sestávají z obyčejných měděných cívek protékaných proudem. Ty vytváří soustředěné magnetické pole, jehož velikost můžeme měnit změnou proudu. Pokud se proud cívkou zvýší, dojde ke snížení ohniskové vzdálenosti čočky – obraz se přeostří nebo zvětší. V optickém mikroskopu se této změny dosahuje výměnou čoček nebo jejich mechanickým posuvem.

Jinak se magnetické čočky chovají téměř stejně jako čočky optické. Mají například stejné druhy optických vad.

Vakuum ve světě elektronové mikroskopie neoznačuje prostor, kde není „vůbec nic“. Označujeme tak různé úrovně velmi nízkého tlaku, přičemž čím nižší je tlak, tím je vakuum „kvalitnější“.

Elektrony se po celou dobu letu tubusem nacházejí právě ve vakuu. Pokud by tomu tak nebylo, srážely by se s molekulami zbytkového vzduchu a výsledný obraz by buď nevznikl vůbec, nebo byl příliš zašuměný.

V elektronovém mikroskopu najdeme různé stupně vakua – nejlepší je v okolí elektronového zdroje, další úroveň pak kolem vzorku, o něco horší najdeme například v detekční komoře. Pro dosažení těchto stupňů vakua se používají nejrůznější pumpy, nebo-li vývěvy, které udržují tlak v mikroskopu 1 000 000 000x až 1 000 000 000 000x nižší, než je běžný atmosférický tlak.

První soustavu čoček představuje kondenzor, který společně se zdrojem elektronů tvoří tzv. osvětlovací soustavu mikroskopu. Obvykle se skládá ze dvou magnetických čoček a jeho úkolem v případě TEMů je nasměrovat elektronový svazek na vzorek. Z hlediska optické soustavy je předmětem a obrazem v případě kondenzoru elektronový zdroj, tedy malá ploška na katodě, ze které vylétají elektrony. Úkolem první kondenzorové čočky je měnit velikost elektronového zdroje změnou ohniskové vzdálenosti. Tím se v kombinaci s ořezem svazku na cloně dosahuje vhodného poměru mezi počtem dopadajících elektronů a jejich prostorovou koherencí. Druhou čočkou se pak elektronový zdroj promítá na různě velkou oblast na vzorku, čímž se tato oblast „osvítí” elektrony.

U SEMů je úkolem kondenzorových čoček totéž s tím rozdílem, že svazek se na vzorku vždy zaostřuje do co nejmenšího možného bodu.

Další důležitou částí tubusu je objektiv. Jedná se o nejvýkonnější čočku mikroskopu, často dokonce bývá označován za „srdce” celého mikroskopu. Jeho vlastnosti udávají výsledné rozlišení obrazu, je schopen největšího zvětšení a má také nejkratší ohniskovou vzdálenost. Aby se dosáhlo požadovaného výkonu, má cívka objektivu velký počet závitů (stovky až nízké tisíce), kterými protéká značný proud (jednotky až nízké desítky ampérů). Aby nedošlo k jeho přehřátí, bývá stejně jako ostatní čočky chlazený vodou. U TEMů je přímo mezi pólovými nástavci objektivu umístěn samotný vzorek.

Před objektivem bývají umístěné ještě vychylovací cívky, které umožňují rozkmitat a vychylovat elektronový svazek tak, že „rastruje“, nebo-li skenuje vzorek řádek po řádku. Toho se využívá v SEMech nebo při transmisním skenovacím módu v případě TEMů.

Obraz vyprodukovaný objektivovou čočkou se dále zvětšuje na požadovanou velikost pomocí dalších čoček, které tvoří část tubusu zvanou projektiv. U TEMů tato část sestává nejčastěji ze čtyř magnetických čoček, které postupně obraz zvětšují a přenášejí na detektory. U SEMů projektiv zcela chybí.

Ve chvíli, kdy elektron dopadne, začne interagovat s molekulami a atomy vzorku. Při některých z těchto interakcích ztratí část své energie, při jiných jen změní svůj směr. Velké množství těchto interakcí ve vzorku vytvoří určitý objem, z nějž sbíráme různé informace. U SEMů hovoříme o tzv. „interakční hrušce“. Čím je urychlovací napětí elektronů vyšší, tím je tato hruška větší. V každém případě však platí, že interakční hruška je větší než rozlišení, kterého bychom byli schopni dosáhnout samotným elektronovým svazkem. Jak to vyřešit? Prvním způsobem je ubrat počáteční energii elektronů, díky čemuž jí elektrony nemají tolik k tomu, aby procházely vícenásobnými rozptyly, a proto nepronikají tak hluboko do vzorku.

Druhou možností je ztenčit samotný vzorek a elektrony naopak ještě více zrychlit, aby se zmenšila jejich tendence interagovat s hmotou. Toho se využívá u TEMů, ve kterých pozorujeme, jak jsou průchozí elektrony odchýleny a ovlivněny tenkým plátkem vzorku.

V obou případech vznikají nejrůznější signály, které můžeme zachytávat detektory, přičemž každý z nich nám dává o vzorku trochu jinou informaci. Následující interakce patří k nejčastějším, ve vzorku však vznikají i jiné.

Nejčastější způsob interakce elektronu se vzorkem a hlavní princip tvorby obrazu v TEMu. Elektron procházející vzorkem je pouze odchýlen ze své trajektorie a zachovává si svou celkovou energii.

Při tomto způsobu interakce elektron ztrácí část své energie. Tyto elektrony při standardním TEMovém zobrazování pouze přispívají k šumu, ale při využití speciálního modulu, tzv. energiového filtru, mohou sloužit jako cenný zdroj signálu.

Jedná se o elektrony z dopadajícího svazku, které se buď odrazí zpět od jádra atomu, nebo kolem něj prolétnou tak blízko, že jádro stočí jejich směr téměř na opačnou stranu. Tyto elektrony jsou jedním z hlavních tvůrců signálu v SEMu.

Dopadající elektrony vyrazí elektrony z atomů samotného vzorku. Tento signál je v TEMech velmi slabý až zanedbatelný, v případě SEMů se však jedná o jeden z hlavních signálů.

Elektrony vyvolají tvorbu rentgenového záření, které se dělí na charakteristické (slouží k prvkové analýze vzorku) a brzdné (přispívá pouze k šumu). Využívá se jak v SEMech, tak v TEMech.

Abychom mohli s pomocí elektronů zobrazovat, musíme jim nejprve předat dostatečnou energii, urychlit je. Představme si tento proces jako velkou skluzavku, kdy nahoře sypete kuličky, které dole vylétají na terč. U elektronového mikroskopu jsou tyto kuličky elektrony, skluzavka lineární urychlovač a výška skluzavky určuje velikost urychlovacího napětí.

Urychlovací napětí je jedním ze základních parametrů mikroskopu a pohybuje se v rozsahu od stovek voltů po nízké desetitisíce voltů u SEMů a od desetitisíc až ke statisícům voltů u TEMů.

Aby mikroskop fungoval a dosahoval nejlepšího možného rozlišení, musí každý elektron letět stejně rychle, a proto musí být urychlovací napětí extrémně stabilní. V přirovnání se nesmí výška 50 cm skluzavky změnit o více než 50 µm, tedy o tloušťku lidského vlasu. U nejlepších mikroskopů je tato povolená změna ještě násobně menší.

S rostoucím maximálním napětím, které je zdroj schopný dodat, se liší i velikost a konstrukce. Zdroje na desítky tisíc voltů jsou velké jako krabice od mléka nebo od bot. Ty, které dodávají stovky tisíc voltů, však mohou být až půltunové, dvoumetrové tlakové nádoby připomínající bojler s kabelem tlustým jako ruka.

Ve svém principu má takový zdroj blíže k elektrickému ohradníku než Teslově transformátoru. Napětí ze zásuvky je nejprve usměrněno a stabilizováno na velice přesné hodnotě. Následně je opět rozkmitáno, znásobeno vysokonapěťovým transformátorem a toto vysoké napětí ještě dál znásobeno pomocí násobičů na hodnotu, kterou vyžaduje mikroskop.

Aby takto přesné napětí nevyšlo vniveč, musí být stejně přesné všechny ostatní elektronické systémy, které ovlivňují elektronový svazek, od zdrojů pro magnetické čočky, po detektory a zesilovače velice slabých signálů, ze kterých tvoříme obraz.

Elektronika u elektronového mikroskopu ovládá téměř všechny jeho části – od zdroje elektronů, přes optickou soustavu, vakuum a manipulaci se vzorkem, až po konečnou detekci. Mimo to je potřeba jednotlivé moduly také napájet a zajistit jejich vzájemnou komunikaci, k čemuž slouží elektronická infrastruktura a hlavní software mikroskopu.

Elektronika optické soustavy je jednou z klíčových částí mikroskopu, od její stability a přesnosti se odvozuje i finální rozlišení mikroskopu a nedokonalosti pak způsobují optické vady Přesnost nastavení proudu cívkami a jeho stabilita v čase proto musí být stejná jako stabilita urychlovacího zdroje – v miliontinách absolutní hodnoty.

Pro celou rozsáhlou optickou soustavu je nutné dodávat relativně velký proud (jednotky ampér pro každou magnetickou čočku), který se následně přemění na Joulovo teplo, a čočky tak dohromady topí jako tři elektrické přímotopy. S takovým tepelným výkonem by mikroskop nemohl stabilně pracovat a je tedy nutné optiku i její elektroniku chladit průtokem vody.

Řízení a sbírání dat z detektorů mikroskopu probíhá přes víceúrovňovou datovou sběrnici, která propojuje všechny elektronické části do hlavního uzlu, jímž je řídící počítač se speciálním softwarem, přes který uživatel může mikroskop ovládat a provádět na něm experimenty.

Ovládací elektronika také zajišťuje pomocí desítek senzorů tlaku, teploty a polohy, bezpečnost jak samotného systému, tak uživatele. Stavy senzorů jsou vyhodnocovány v řídících deskách a mohou v případě nebezpečné situace odpojovat jednotlivé části, nebo mikroskop úplně vypnout.

Některé mechanické součástky dnešních elektronových mikroskopů jsou vyrobeny na samotné hranici fyzické realizovatelnosti s tolerancemi v řádu mikrometrů. Jinými slovy – nedokážeme je vyrobit přesněji. Ani tolerance elektronických součástek nejsou zanedbatelné. Pokud chceme dále zlepšovat výkon mikroskopu, musí přijít na řadu software.

Každý mikroskop je během výrobního procesu přesně kalibrován pomocí softwaru. Hledají se hodnoty tisíců parametrů, z nichž některé jsou na sobě navzájem závislé, a to tak, aby každý mikroskop splňoval přísné specifikace. Software přímo v mikroskopu si ukládá hodnoty kalibrovaných parametrů do rozsáhlých tabulek, aby je později při své činnosti mohl využít ke korekcím. Pracovníkovi ve výrobě pomáhá software jednak s poloautomatizací či plnou automatizací dílčích kalibračních úloh, a jednak s postupem celé kalibrace a evidencí výsledků. Trendem je jednoznačně přechod k plné automatizaci a seřízení na stisk jednoho tlačítka tak, aby se výrobní doba mikroskopu zkrátila a zároveň se snížila variabilita výsledků kalibrace. Software zde využívá pokročilé algoritmy z oblasti zpracování obrazu, počítačového vidění nebo strojového učení.

Když je mikroskop plně zkalibrovaný a tabulky naplněny koeficienty, můžeme ho začít používat. Do komory vložíme vzorek, odčerpáme vzduch, zapneme elektronový paprsek, aktivujeme detektor a začneme paprskem skenovat. Možná si taky vzorek nakloníme nebo pootočíme. To všechno koordinuje hlavní ovládací software mikroskopu (neboli backend). Skládá se z mnoha modulů, z nichž každý má na starost buď konkrétní hardwarové zařízení (stolek, zdroj elektronů, objektivovou čočku, …) nebo určitý podsystém mikroskopu (vakuum, pozicování vzorku, optiku, …).

Moduly jsou organizovány do vrstev podle míry abstrakce tak, aby bylo možné modelovat i složitější chování mikroskopu. Kupříkladu modul pro optiku se stará o tvarování paprsku a skenování, ale modul pro řízení vakua mu nedovolí paprsek ani zapnout, pokud není v komoře správný tlak (vakuum), aby nedošlo k zavzdušnění tubusu a tím k jeho znehodnocení.

Při sestavování hlavního softwaru pro konkrétní mikroskop jsou některé moduly zahrnuty nebo naopak vypuštěny podle toho, jaká konkrétní zařízení si pro svůj mikroskop zákazník vybral. S ohledem na možné kombinace zařízení existují stovky konfigurací hlavního softwaru pro jednu rodinu mikroskopů.

Hlavní software tedy umožňuje s mikroskopem pracovat plnohodnotně, bezpečně, ovládat veškerá připojená zařízení a zároveň na pozadí v tichosti korigovat výrobní nedokonalosti.

Hlavní ovládací software mikroskopu sám o sobě neposkytuje uživatelské rozhraní, ale jen rozhraní programovací (API - Application Programming Interface) pro další vrstvu softwaru. Tuto vrstvu tvoří aplikace s uživatelským rozhraním vytvořeným na míru konkrétnímu případu užití.

Samostatnou kategorii aplikací tvoří aplikace pro ruční ovládání mikroskopu. Ty umožňují uživateli – operátorovi mikroskopu – ovládat všechna připojená zařízení, nastavit libovolné zobrazovací podmínky, zaostřit svazek nebo zkalibrovat mikroskop pro speciální typ vzorku nebo případ užití. To vše pomocí klávesnice a myši, případně speciálních ovládacích zařízení.

Další kategorií jsou aplikace poskytující speciální uživatelské API, které umožňuje pokročilým uživatelům naskriptovat své postupy v Pythonu a mikroskop tak ovládat svým vlastním kódem, případně na něj napojit svou vlastní aplikaci.

Třetí a zároveň největší kategorií jsou aplikace automatizované. Ty jsou vytvořeny speciálně pro konkrétní typ analýzy či pracovního postupu a umožňují uživateli takové kroky opakovat zcela automaticky. Uživatel na začátku nastaví parametry procesu a dá pokyn k jeho provádění. Aplikace se potom postará o to, aby celá sekvence proběhla bez problémů až do konce. Spektrum těchto činností je široké – od automatického nasnímání celého povrchu vzorku v požadovaném rozlišení, přes destruktivní 3D analýzu až po automatické nalezení defektu ve vzorku a jeho následné „vyřezání“ a přenos do jiného mikroskopu pro podrobnější analýzu. Tyto postupy mohou trvat od jednotek minut až po jednotky dní, přičemž aplikace si musí poradit s nežádoucími fyzikálními jevy jako nabíjení vzorku, posun vzorku způsobený změnami teploty nebo nepřesnost mechanických součástí mikroskopu. Všechny takové nedokonalosti musí aplikace kompenzovat a na konci uživateli dodat perfektní a opakovatelný výsledek.

Jasným trendem v této oblasti je také co největší zjednodušení uživatelského rozhraní a „demokratizace“ elektronové mikroskopie. Doby, kdy na ovládání elektronového mikroskopu byl potřeba doktorát, jsou pryč. Elektronové mikroskopy se tak stávají čím dál běžnějším analytickým přístrojem jak ve vědě, tak v průmyslu. A to vše díky softwaru.