ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനി

ഇംഗ്ലീഷ് വിലാസം

https://ml.wikipedia.org/wiki/Electron

പോളിയോ വൈറസിന്റെ ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനി ചിത്രം.പോളിയോ വൈറസിന്റെ വലിപ്പം 30 നാനോമീറ്റർ ആണ്

നിശ്ചിത ഊർജ്ജമുള്ള ഇലക്ട്രോണുകൾ കടത്തിവിട്ട് അതി സൂക്ഷ്മ വസ്തുക്കളുടെ വലിയ ചിത്രം സൃഷ്ടിക്കുന്ന ഉപകരണമാണ് ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനി. സാധാരണ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെ ദൃശ്യപ്രകാശത്തിനു പകരം ഇലക്ട്രോൺ ബീമും ലെൻസുകൾക്കു പകരം വൈദ്യുത കാന്തിക ലെൻസുകളുമാണ് ഈ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിൽ ഉപയോഗിക്കുക. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ തരംഗസ്വഭാവവും ചാർജ്ജുമാണ് ഇവിടെ പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നത്. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ തരംഗദൈർഘ്യം ദൃശ്യപ്രകാശത്തെ അപേക്ഷിച്ച് കുറവായതിനാൽ അതിസൂക്ഷ്മവസ്തുക്കളെ - അറ്റോമിക തലത്തിലുള്ളവയെപ്പോലും - നിരീക്ഷിക്കാൻ ഈ ഉപകരണത്തിലൂടെ സാധ്യമാണ്.നിരീക്ഷിക്കപ്പെടുന്ന വസ്തുവിൽക്കൂടി മറുഭാഗത്തെത്തുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ ഫ്ലൂറസെന്റ് പ്രതലത്തിലോ, ഫോട്ടോഗ്രഫിക് സ്ക്രീനിലോ സിസിഡി ക്യാമറയിലോ പതിപ്പിച്ചാണ് ചിത്രം രൂപപ്പെടുത്തുന്നത്. ജീവശാസ്ത്രത്തിലും ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലും ഈ ഉപകരണം വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

1931 ൽ മാക്സ് നോൾ, ഏണസ്റ്റ് റസ്ക എന്നിവരാണ് ആദ്യത്തെ ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനി നിർമ്മിച്ചത്.

ചരിത്രം

ആദ്യകാലവികാസം

The first practical TEM, Originally installed at I. G Farben-Werke and now on display at the Deutsches Museum in Munich, Germany

പ്രമാണം:Ruska-microscope-sketch.png

Sketch of first electron microscope, originally from Ruska's notebook in 1931, capable of only 18 times magnification

ഒരു സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെടുക്കുന്ന ചിത്രത്തിന്റെ കൃത്യത അതിലുപയോഗിക്കുന്ന തരംഗത്തിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നുവെന്നും ദൃശ്യപ്രകാശമുപയോഗിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുന്ന സൂക്ഷ്മദർശിനിയുടെ സാധ്യമായ റിസോൾവിങ് പവർ നൂറുകണക്കിന് നാനോമീറ്ററുകൾ ആകാൻ കാരണം അതാണെന്നും ആദ്യമായി പറഞ്ഞത് ഏണസ്റ്റ് അബ്ബെ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ്. അൾട്രാവയലറ്റ് മൈക്രോസ്കോപ്പുകളുടെ ആവിർഭാവത്തോടെ റിസോൾവിങ് പവർ ഇരട്ടിയായി. പക്ഷേ ഗ്ലാസ് അൾട്രാവയലറ്റ് രശ്മികളെ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതിനാൽ ഇത്തരം സൂക്ഷ്മദർശിനികളുടെ നിർമാണത്തിന് ക്വാർട്സ് ഉപയോഗിക്കേണ്ടി വന്നു. ഈ സാഹചര്യത്തിൽ നാനോമീറ്റർ തലത്തിലുള്ള വസ്തുക്കളെ കാണാൻ അസാധ്യമെന്നു തന്നെ ശാസ്ത്രജ്ഞർ വിശ്വസിച്ചു.

1858-ൽ തന്നെ ജൂലിയസ് പ്ലക്കർ കാഥോഡ് രശ്മികളെ (ഇലക്ട്രോണുകൾ) കാന്തികക്ഷേത്രം ഉപയോഗിച്ച് വഴിതിരിച്ചുവിടാമെന്ന് കണ്ടെത്തിയിരുന്നു. 1897-ൽ ഫെർഡിനാന്റ് ബ്രാൻ ഈ തത്വമുപയോഗിച്ച് കാഥോഡ് റേ ട്യൂബുകൾ നിർമ്മിച്ചു. 1926-ൽ ഹാൻസ് ബഷ് ലെൻസ് നിർമാതാക്കളുടെ സമവാക്യം(Lens Maker's Formula) ചില ചെറിയ തിരുത്തലുകളോടെ ഇലക്ട്രോണുകൾക്കും ബാധകമാണെന്ന് തെളിയിച്ചു.

1928-ൽ ബെർലിൻ ടെക്നോളജിക്കൽ യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിലെ പ്രൊഫസറായിരുന്ന അഡോൾഫ് മാത്തിയാസ് മാക്സ് നോളിനെ ഒരു മെച്ചപ്പെട്ട സി.ആർ.ഓ യുടെ നിർമാണച്ചുമതലയേല്പിച്ചു.ആ സംഘത്തിൽ ഏണസ്റ്റ് റസ്കയും ഉൾപ്പെട്ടിരുന്നു. അതിന്റെ ഭാഗമായി അവർ കാന്തിക ലെൻസുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ ഒരു പ്രാഥമികരൂപം നിർമിച്ചു. അതേ വർഷം തന്നെ സീമെൻസ് കമ്പനിയുടെ ഡയറക്ടറായിരുന്ന റെയിനോൾഡ് റുഡൻബർഗ്ഗ് സ്ഥിത വൈദ്യുത ലെൻസുകൾ ഉപയോഗിച്ചുപ്രവർത്തിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ പേറ്റന്റ് നേടി.

പശ്ചാത്തലം

ഇലക്ട്രോണുകൾ

ഒരു സൂക്ഷ്മദർശിനിക്ക് സാധ്യമായ കൃത്യത(Resolution),d, അതിലുപയോഗിക്കുന്ന തരംഗത്തിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യത്തെയും ആ സൂക്ഷ്മദർശിനിയുടെ ന്യൂമറിക്കൽ അപേർചറിനെ(NA)യും ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.

$d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}$

ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ ആദ്യം മുതൽക്കു തന്നെ താരതമ്യേന വലിയ തരംഗദൈർഘ്യം ഉള്ള ദൃശ്യപ്രകാശത്തെക്കാൾ(400 മുതൽ 700 വരെ നാനോമീറ്റർ) കൃത്യത നൽകാൻ വളരെ വലിയ ഊർജ്ജം ഉള്ള (അതായത് വളരെ ചെറിയ തരംഗദൈർഘ്യം) ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് കഴിയും എന്നു ശാസ്ത്രജ്ഞർ കണക്കുകൂട്ടി. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ദ്വൈതസ്വഭാവമനുസരിച്ച് അവയെ ഒരു വിദ്യുത്കാന്തികതരംഗം പോലെ കണക്കാക്കാം. അവയുടെ തരംഗദൈർഘ്യവും ഗതികോർജ്ജവും ഡിബ്രോളി സമവാക്യത്തിലൂടെ ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെ ഇലക്ട്രോണുകൾ പ്രകാശത്തോടടുത്ത വേഗതയിൽ സഞ്ചരിക്കുന്നതിനാൽ വിശിഷ്ട ആപേക്ഷികസിദ്ധാന്തവും ഡിബ്രോളി സമവാക്യവും താഴെക്കാണും വിധം സംയോജിപ്പിക്കാം.

$\lambda _{e}\approx {\frac {h}{\sqrt {2m_{0}E\left(1+{\frac {E}{2m_{0}c^{2}}}\right)}}}$

ഇവിടെ h പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കവും m ഇലക്ട്രോണിന്റെ പിണ്ഡവും E ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഊർജ്ജവുമാണ്. സാധാരണ ഗതിയിൽ താപായണിക ഉൽസർജ്ജനം (Thermionic Emission) വഴിയോ വിദ്യുത്-കാന്തിക ക്ഷേത്ര ഉത്സർജ്ജനം(Field Emmission) വഴിയോ ആണ് ഇലക്ട്രോണുകൾ പുറന്തള്ളപ്പെടുന്നത്. ഇങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് ഒരു വലിയ വോൾട്ടേജിന്റെ സഹായത്താൽ ആവശ്യമായ ത്വരണം നൽകി നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തുവിലൂടെ കടത്തിവിടുന്നു.

ഇലക്ട്രോൺ സ്രോതസ്സ്

ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയുടെ ഘടന വ്യക്തമാക്കുന്ന ചിത്രം

Single crystal LaB₆ filament

Hairpin style tungsten filament

ഒരു ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയുടെ ഏറ്റവും മുകളിലാണ് ഇലക്ട്രോൺ സ്രോതസ്സ് അഥവാ ഇലക്ട്രോൺ ഗൺ.സാധാരണ ഗതിയിൽ ഇതൊരു ടങ്സ്റ്റൺ ഫിലമെന്റോ ലാന്തനം ഹെക്സാബോറൈഡ്(LaB₆) സ്രോതസ്സോ ആയിരിക്കും.ഈ സ്രോതസ്സുകളിൽ വളരെ വലിയ വോൾട്ടേജ് കൊടുക്കുമ്പോൾ ( ഏകദേശം~100–300കിലോവോൾട്ട്)അവയിൽനിന്നും പുറത്തുവരുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളാണ് ചിത്രീകരണത്തിനുപയോഗിക്കുന്നത്. ഇലക്ട്രോണുകളെ ഈ ഫിലമെന്റിൽ നിന്നു വേർപെടുത്താൻ ഒരു വെൽനെറ്റ് സിലിണ്ടർ ഉപയോഗിക്കാം.ഇലക്ട്രോണുകൾ ഫിലമെന്റിൽ നിന്നും പുറത്തു വന്ന ശേഷം ഒരു വൈദ്യുത കാന്തിക ലെൻസ് ഉപയോഗിച്ച് ഇലക്ട്രോൺ ബീമിന്റെ വലിപ്പം ക്രമീകരിക്കുന്നു. ഈ ഇലക്ട്രോൺ ബീമാണ് നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തുവിൽ പതിപ്പിക്കുന്നത്.

ഇലക്ട്രോൺ ബീമിന്റെ സവിശേഷതകളാണ് ചിത്രത്തിന്റെ വ്യക്തത നിർണയിക്കുന്നത്. അനുയോജ്യമായ തീവ്രതയുള്ള കാന്തികക്ഷേത്രം ഉപയോഗിച്ചാണ് ബീമിന്റെ സ്വഭാവം മാറ്റുന്നത്.

വൈദ്യുത കാന്തിക ലെൻസുകൾ

സാധാരണ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെ കണ്ണാടി ലെൻസുകൾക്കു പകരം ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിൽ വൈദ്യുത കാന്തിക ലെൻസുകളാണ് ഉപയോഗിക്കാറ്. ഇവയ്ക്ക് പ്രധാനമായും രണ്ട് ധർമ്മങ്ങളാണുള്ളത്;

1. സമാന്തരമായി സഞ്ചരിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ ഒരു ബിന്ദുവിലേക്ക് കേന്ദ്രീകരിക്കുക.
2. വസ്തുവിന്റെ ചിത്രം രൂപീകരിക്കുക.

ഒരു വിദ്യുത്കാന്തിക ലെൻസിന്റെ തീവ്രത അതിൽക്കൂടി കടന്നുപോകുന്ന വൈദ്യുതിയുടെ അളവിനെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.ഈ ലെൻസിലെ ചുരുളുകൾ ചതുരാകൃതിയിലോ ഷഡ്ഭുജാകൃതിയിലോ ക്രമീകരിക്കാം.

മൂന്നു തരം ലെൻസുകളാണ് ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിൽ ഉപയോഗിക്കാറ്-കണ്ടൻസർ ലെൻസുകൾ,ഒബ്ജക്ടീവ് ലെൻസുകൾ,പ്രൊജക്ടർ ലെൻസുകൾ. കണ്ടൻസർ ലെൻസുകൾ ആദ്യഘട്ടത്തിലെ ബീം രൂപീകരണത്തിനുപയോഗിക്കുന്നു. ഒബ്ജക്ടീവ് ലെൻസുകൾ വസ്തുവിൽക്കൂടി കടന്നുപോയശേഷം പുറത്തു വരുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുപയോഗിച്ച് ചിത്രം രൂപീകരിക്കാൻ സഹായിക്കുന്നു. തത്ഫലമായുണ്ടാകുന്ന ചിത്രത്തെ ഒരു പ്രതലത്തിൽ (ഉദാ.ഫ്ലൂറസന്റ് സ്ക്രീൻ) പതിപ്പിക്കുന്നത് പ്രൊജക്ടർ ലെൻസുകളുപയോഗിച്ചാണ്.ടി.ഇ.എമ്മിന്റെ ആവർധനശേഷി(മാഗ്നിഫിക്കേഷൻ), വസ്തുവും ഒബ്ജക്ടീവ് ലെൻസിന്റെ ചിത്രം രൂപീകരിക്കപ്പെടുന്ന പ്രതലവും തമ്മിലുള്ള ദൂരത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു അബിന്ദുകത(അസ്റ്റിഗ്മാറ്റിസം) എന്ന ന്യൂനത പരിഹരിക്കാനുള്ള ലെൻസുകളും ടി.ഇ.എമ്മുകളിലുണ്ട്.

ചിത്രങ്ങൾ രേഖപ്പെടുത്തൽ

വളരെച്ചെറിയ,10 മുതൽ 100 വരെ മൈക്രോമീറ്റർ വലിപ്പമുള്ള സിങ്ക് സൾഫൈഡ് തരികൾ കൊണ്ട് നിർമ്മിക്കപ്പെട്ട ഫോസ്ഫർ സ്ക്രീൻ ആണ് തത്സമയം ചിത്രം കാണുന്നതിനായുപയോഗിക്കാറ്.ആവശ്യമെങ്കിൽ ഫോട്ടോഗ്രാഫിക് ഫിലിമിലോ യിട്രിയം അലുമിനിയം ഗാർനറ്റ് സംയോജിത സിസിഡി ക്യാമറ യിലോ ചിത്രങ്ങൾ രേഖപ്പെടുത്താവുന്നതാണ് .

ഘടന

ടി.ഇ.എം. : ഏറ്റവും മുകളിൽ ഇലക്ട്രോൺ സ്രോതസ്സ്. അതിനു താഴെയുള്ള ലെൻസിങ് സിസ്റ്റം(4,7 and 8) ബീമിനെ നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തുവിലേക്കും(12) തുടർന്ന് സ്ക്രീനിലേക്കും(10) കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു.ബീമിന്റെ സ്വഭാവം നിയന്ത്രിക്കാനുള്ള സംവിധാനങ്ങളും കാണാം(13 and 14)