Electron Microscope

Scanning Electron MIcroscope-CamScan MX 2000ภาพจาก //www.camscan.com

ในช่วงปีทศวรรษที่ 1870 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Ernst Abbe ได้ทำนายและพิสูจน์ว่าจะไม่มีกล้องจุลทรรศน์ที่จะให้รายละเอียดที่เล็กกว่าครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นแสงได้ (หรือประมาณ 250 นาโนเมตร) และไม่มีวัสดุใดที่ดีพอที่จะใช้ทำเลนส์สำหรับกล้องที่มีกำลังขยายสูงขนาดนั้น

ที่ E.Abbe กล่าวเช่นนั้นเพราะในยุคก่อนกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้ในการถ่ายภาพขยายของวัตถุทำงานโดยใช้แสงสว่างในช่วงที่ตาเห็นและใช้วัสดุโปร่งใสในการทำเลนส์ ซึ่งทั้งตัวคลื่นแสงและเลนส์ล้วนมีข้อจำกัดเป็นไปตามที่เขากล่าว

แต่ E. Abbe นั้นไม่รู้ว่าในภายหลังจะมีคนค้นพบมีคลื่นบางอย่างที่มีความยาวคลื่นที่สั้นกว่าความยาวคลื่นแสง และนำมาใช้ประโยชน์ในทางกล้องจุลทรรศน์และมีการประดิษฐ์เลนซ์สำหรับคลื่นนี้ออกมา คลื่นนั้นไม่ใช่คลื่นแสงแต่คือ อิเล็กตรอน

Electron Microscope คือกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้อิเล็กตรอนแทนแสงในการสร้างภาพขยายของวัตถุ มีกำลังขยายมากกว่ากล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสงมาก จึงมีการนำไปประยุกต์ใช้ในการถ่ายภาพที่ต้องการรายละเอียดและกำลังขยายสูง
Electron Microscope แบ่งได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ ซึ่งทั้งสองชนิดมีลักษณะการทำงานและภาพที่ถ่ายได้แตกต่างกันอย่างชัดเจน ได้แก่
- Transmission Electron Microscope หรือ TEM ในภาษาไทยเรียกว่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน
- Scanning Electron Microscope หรือ SEM ในภาษาไทยเรียกว่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

พฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

ก่อนที่ J. J. Thomson จะค้นพบอิเล็กตรอนปี 1898 นั้น ก็มีการนำเอาอิเล็กตรอนมาใช้ประโยชน์ในชื่อที่เรียกว่า “รังสีแคโธด (Cathod rays)” ในตอนนั้นมีเทคโนโลยีที่สามารถสร้างรังสีแคโธดซึ่งก็คือลำอิเล็กตรอนได้ แต่ตัวนักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจธรรมชาติของรังสีนี้

รังสีแคโธดจะถูกสร้างขึ้นในหลอดสุญญากาศ โดยใช้สนามไฟฟ้าช่วยให้เกิดลำรังสีชนิดนี้ออกมา ตัวรังสีนี้สามารถหักเหได้ในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าแต่จะเห็นได้เมื่อตกกระทบลงบนฉากเรืองแสง

ณ ตอนนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังพบว่าเราสามารถเพิ่มความเข้มข้นของรังสีโดยขนาดลำรังสีเล็กลงได้โดยใช้ Magnetic solenoid (ขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน) พันรอบหลอดสุญญากาศ แม้ลำรังสีนี้จะมองไม่เห็นด้วยตาเปล่าแต่สามารถทำให้กระดาษอัดรูปบริเวณที่โดนรังสีตกกระทบเป็นสีดำเหมือนกับการที่กระดาษอัดรูปโดนแสง ในปี 1926นักฟิสิกส์เยอรมันชื่อ Has Busch ได้แสดงให้เห็นว่าขดลวดแม่เหล็กสามารถรวมลำอิเล็กตรอนให้โฟกัสได้เหมือนกับที่แว่นขยายรวมแสงอาทิตย์ และนี่เองที่ศาสตร์แห่งElectron Opticsได้เริ่มต้นขึ้น

อิเล็กตรอนเลี้ยวเบนในสนามแม่เหล็กตามกฎมือขวา

พัฒนาการของเลนซ์อิเล็กตรอน

ในปี 1928 Max Knollและ Ernst Ruska (ท่านหลังนี้ได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1986 "for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope") แห่ง Technische Hochschule เบอร์ลิน ได้ทดลองทำการทดสอบการทำงานของเลนซ์อิเล็กตรอน โดยให้ลำอิเล็กตรอนวิ่งผ่านตัวอย่างคือตาข่ายโลหะจากนั้นจะใช้ขดลวดพันรอบหลอดสุญญากาศทำหน้าที่เป็นเลนซ์โฟกัสลำอิเล็กตรอนสร้าง intermediate image ซึ่งจะถูกขยายอีกครั้งด้วยเลนซ์ชุดที่ 2 ภาพที่ได้นั้นขยายได้เพียง 13 เท่า และตัวอย่างที่ใช้ก็จะมีปัญหาหลอมละลายจากความร้อนที่เกิดขึ้น แต่อย่างไรก็ตามการทดลองนี้ได้พิสูจน์ให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้จริงที่เทคโนโลยีที่มีอยู่ในสมัยนั้นจะนำเอาอิเล็กตรอนมาใช้สร้างภาพขยายของวัตถุได้

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ใช้งานได้จริงสร้างขึ้นในปี 1933 โดย Ernst Ruska เป็นผลงานการค้นคว้าวิจัยในสมบัติของเลนซ์แม่เหล็กไฟฟ้า (Electro Magnetic Lens) โดยเลนซ์ที่สร้างขึ้นมีลักษณะเป็นขดลวดแม่เหล็กพันหุ้มด้วยโครงเหล็กและเว้นช่องเล็กๆ ไว้ภายในรูกลางของขดลวด เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดเส้นแรงแม่เหล็กเข้มข้นจะเกิดขึ้นในช่องว่างเล็กๆ นี้ และตัวสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นภายในนี้ทำหน้าที่เป็นเล็นซ์สำหรับลำอิเล็กตรอน

เครื่องมือของ Ruska มีกำลังแยกละเอียดสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสงและเป็นต้นแบบของกล้องอิเล็กตรอนในปัจจุบัน

Ernst Ruska ได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1986 "for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope"


โครงสร้างทางกายภาพของเลนซ์เป็นกระป๋องโลหะมีขดลวดพันอยู่ภายใน ช่องว่างภายในกระป๋องทำหน้าที่เป็นขั้วแม่เหล็กเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด


Transmission Electron Microscope

ในข้างต้นได้กล่าวถึงประวัติความเป็นมาของ Transmission Electron Microscope ( TEM ) ไว้บ้างแล้วแล้วในที่นี้จะขอกล่าวถึงหลักการทำงานของ TEM หรือที่ในภาษาไทยเรียกว่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน
TEM มีหลักการสร้างภาพขยายคล้ายกับกล้องจุลทรรศน์แสง (Light Microscopeหรือ LM) โดยในLMจะมีแหล่งกำเนิดคลื่นพลังงานที่ใช้ส่องตัวอย่างเป็นหลอดไฟฟ้าว่างอยู่ด้านล่างสุด(ในภาพประกอบนำมาวางอยู่ด้านบนเพื่อเปรียบเทียบกับTEM) โดยแสงที่ได้จากหลอดไฟจะผ่านเลนซ์ที่เรียกว่าCondenser Lens เพื่อถูกให้แสงเข้มขึ้นตามความเหมาะสมกับลักษณะตัวอย่าง แสงที่ถูกทำให้เข้มขึ้นแล้วนี้จึงส่องผ่านตัวอย่างที่ถูกเตรียมเป็นชิ้นบาง ภาพของตัวอย่างที่ถูกส่องสว่างนี้จะถูกขยายด้วยเลนซ์วัตถุ(Objective Lens) สร้างภาพที่เรียกว่าintermediate image และเลนซ์ใกล้ตาจะทำหน้าที่ขยายภาพที่ได้เป็นภาพขยายสุดท้าย

ใน TEM การสร้างภาพขยายจะคล้ายกับ LM มากแต่คลื่นพลังงานที่ใช้ส่องตัวอย่างเป็นอิเล็กตรอนแทนแสง ซึ่งสร้างจากอุปกรณ์ที่เรียกว่าElectron Gun หรือเรียกว่าแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน โดยอิเล็กตรอนที่ได้จะผ่าน Condenser Lens เพื่อปรับให้มีความเข้มตามความเหมาะสมกับลักษณะตัวอย่าง ลำอิเล็กตรอนที่ถูกทำให้เข้มขึ้นแล้วนี้จึงส่องผ่านตัวอย่างที่ถูกเตรียมเป็นชิ้นบางมากๆ ภาพของตัวอย่างที่ถูกส่องสว่างนี้จะถูกขยายด้วยเลนซ์วัตถุ(Objective Lens) สร้างภาพที่เรียกว่าintermediate image โดยทีProjetor Lens ทำหน้าที่ขยายภาพขยายสุดท้ายลงบนฉากเรืองแสงหรือบันทึกลงบนฟิล์ม

ซ้ายLight Microscope(LM) ขวาTransmission Electron Micrope(TEM)
ภาพจาก //em-outreach.ucsd.edu/web-course/Sec-I.A/Sec-I.A.html#I.A.END

ภาพด้านบนแสดงการจัดเรียงของอุปกรณ์หลักและตัวอย่างในLM เปรียบเทียบกับ TEM โดยทั้งคู่จะจัดเรียงคล้ายคลึงกันตามลำดับดังนี้
- เริ่มจากแหล่งกำเนิดส่องสว่าง ในLM จะเป็นหลอดไฟ (Lamp) ส่วนใน TEM จะเป็น Electron Gun
- Condenser Lens ในLM จะทำจากวัสดุโปร่งใสเช่นแก้ว นำมาขัดให้เกิดความโค้งนูน ส่วนใน TEMจะเป็นสนามแม่เหล็กที่สร้างจากElectro Magnetic LENS
- ตัวอย่าง
- เลนซ์ใกล้วัตถุ(Objective Lens)
- เลนซ์สุดท้าย(Final Lens) ซึ่งในLM จะเป็น Eyes piece Lens ส่วนในTEM จะเป็น Projector Lens

ในความเป็นจริงตัวกล้องLMนั้นจะวางตำแหน่งขององค์ประกอบที่กล่าวมากลับกันจากล่างขึ้นบน คือมีเลนซ์ไกล้ตาอยู่ด้านบนสุดและแหล่งกำนิดแสงหรือหลอดไฟอยู่ด้านล่างสุด

เนื่องจากว่าในการสร้างลำอิเล็กตรอนนั้นต้องทำในสุญญากาศ(ความดันต่ำถึง 10-4 torr) และตัวของอิเล็กตรอนเองก็จะกระเจิงหรือเสียพลังงานเมื่อกระทบกับสสารหรือก๊าซ ดังนั้นภายในระบบของการสร้างภาพของTEMที่กล่าวมาทั้งหมดจะอยู่ในสุญญากาศซึ่งเป็นข้อแตกต่างที่สำคัญอีกข้อหนึ่งระหว่าง LM และ TEM

อุปกรณ์หลักในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนTEM

แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนหรือElectron Gunเทียบได้กับหลอดไฟในกล้องLM

Electron Gun แบบ Tungsten Filament

LENS
ได้แก่ Objective Lens และ Projector Lens เป็น Electro Magnetic Lens ดังที่อธิบายไว้แล้ว เลนซ์ในชุดนี้ทำงานคล้ายกับในLM ตัว Objective Lensทำหน้าที่สร้างIntermediate Image ซึ่งจะถูกขยายต่อโดย Projector Lens จากนั้นจะฉายภาพขยายลงบนฉากเรืองแสง หรือฟิล์ม หรือCencer รับภาพสำหรับกล้องที่บันทึกภาพเป็นระบบดิจิตอล Projector Lens เทียบได้กับ Eyepiece Lens ใน LM



Scanning Electron Microscope

Scanning Electron Microscope เรียกโดยย่อว่า SEM หรือในภาษาไทยเรียกว่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ใช้อิเล็กตรอนในการสร้างภาพขยายเช่นเดียวกับTEM แต่มีความแตกต่างในรายละเอียดของกระบวนการในการสร้างภาพอย่างมาก SEMเครื่องแรกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1960 จากนั้นSEMก็ค่อยๆกลายเป็นเครื่องมือที่นำไปประยุกต์ใช้แพร่หลายทั่วไป ทั้งในด้านวิทยาศาสตร์เทคโนโลยี การแพทย์ อุตสาหกรรม นิติวิทยาศาสตร์ โบราณคดี และอื่นๆอีกหลายด้าน

หลักการทำงานของScanning Electron microscope

SEM มีหลักการสร้างภาพต่างจาก LM และ TEM เป็นอย่างมาก ซึ่งพอจะอธิบายได้ดังนี้

อิเล็กตรอนจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้Electron Gun จากนั้นลำอิเล็กตรอนจะถูกโฟกัสให้เข้มขึ้นและเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงโดย Condenser Lens จากนั้นจะถูกโฟกัสให้ตกลงบนผิวตัวอย่าง โดย Objective Lens ซึ่ง ณ ตอนนี้ อิเล็กตรอนที่ตกลงบนผิวตัวอย่างจะเป็นเพียงจุดที่เล็กมาก

Scan Coil จะควบคุมการกวาดของลำอิเล็กตรอนให้กวาดจากซ้ายไปขวา เมื่อสุดก็เลื่อนลงอีกขั้นและกวาดจากซ้ายไปขวาอีกครั้ง เป็นเช่นนี้จนครบFram การกวาดลำอิเล็กตรอนเช่นนี้เรียกว่า raster scan และเมื่อครบframeแล้วก็จะไปเริ่มแสกนที่จุดแรกใหม่


ในการกวาดลำอิเล็กตรอนในแต่ละframeจะถูกกำหนดจำนวนจุดและแถวไว้อย่างแน่นอน โดยในภาพตัวอย่าง 1 แฟรม ตามเส้นตามแนวนอนจะประกอบด้วยจุด 1000 จุด และมีทั้งหมด 1000 เส้น

ที่ผิวตัวอย่างที่อิเล็กตรอนตกใส่ จะเกิดสัญญาณอิเล็กตรอนขึ้นหลายรูปแบบซึ่งคล้ายกับการที่แสงตกกระทบวัตถุและสะท้อนออกจากผิววัตถุ ในที่นี้ถ้ากล่าวอย่างง่าย ๆ ว่าถ้าผิวตัวอย่างเรียบก็จะให้สัญญาฯสะท้อนอิเล็กตรอนได้ดี แต้ถ้าผิวตัวอย่างเป็นหลุมลึกก็จะไม่ให้สัญญาณหรือให้ได้น้อย ซึ่งเราสามารถรับสัญญาณได้โดยใช้Detectorที่เหมาะสมกับชนิดของสัญญาณ สัญญาณที่ได้จะนำมาขยายให้มีความแรงที่เหมาะสมแล้วนำมาสร้างเป็นภาพ


ถ้าเราใช้จอหลอดรังสีแคโธด(Cathod ray tube, CRT) เพื่อแสดงภาพ ในหลอดรังสีแคโธดจะมีการสร้างลำอิเล็กตรอนและถูกบีบให้เป็นลำเล็กๆ แต่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าในกล้อง SEMมาก กล่าวคือในSEM ลำอิเล็กตรอนมีขนาดศูนย์กลางในระดับนาโนเมตร คืออาจต่ำได้ถึง 5 นาโนเมตรหรือต่ำกว่า แต่ในจอ CRT มีขนาดศูนย์กลางประมาณ 0.1 เซนติเมตร เมื่อพิจารณาอัตราส่วนของลำอิเล็กตรอนของSEMต่อCRTจะพบว่าห่างกันถึง 20000 เท่า ทำให้เกิดเป็นอัตราส่วนของกำลังขยายที่จะให้ภาพที่มีรายละเอียดได้ดี ซึ่งจะได้กล่าวต่อไป
การแสกนในCRT จะถูกควบคุมให้มีการสแกนแบบRaster scan พร้อม ๆ กับการแสกนของลำอิเล็กตรอนในกล้อง ขณะเดียวกันความสว่างของจุดอิเล็กตรอนในCRTจะขึ้นอยู่กับความแรงของสัญญาณจากAmplifierที่ขยายสัญญาณจากDetector รับสัญญาณอิเล็กตรอนในกล้อง ถ้าสัญญาณแรงก็จะให้ความสว่างของลำอิเล็กตรอนมาก เมื่อส่งลงบนจอของCRTก็จะปรากฏเป็นจุดสว่าง ในทางกลับกันถ้าสัญญาณเบาก็จะได้จุดที่มีความสว่างน้อย บนจอก็จะรากฎเป็นจุดสว่างน้อยด้วย บนจอCRTจะทำการเรียงจุดของสัญญาณที่ได้นี้เป็นแถวจนครบแฟรมก็จะได้เป็นภาพออกมา

ถ้าบนจอCRTมีขนาดกว้างและยาวเป็น 20 เซนติเมตร และเรากำหนดการกวาดลำอิเล็กตรอนในกล้อง ให้ 1 แฟรมมีพื้นที่ขนาด กว้างยาวเป็น 20 เซนติเมตรด้วย อัตราส่วนการขยายของภาพก็จะเป็น 1 เท่า แต่ถ้าเราให้การกวาดลำอิเล็กตรอนในกล้องเป็นพื้นที่ 1 x 1 เซนติเมตร ก็จะขยายภาพเป็น 20 เท่า แต่ในความเป็นจริงขนาดของการสแกน 1 แฟรมในกล้องอาจควบคุมให้เล็กมากถึงระดับไมโครเมตรโดยที่การสแกนบนหน้าจอยังเท่าเดิม ดังนั้นการขยายจึงได้ถึงระดับหมื่นเท่า

สัญญาณที่เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนกระทบผิวตัวอย่าง

อิเล็กตรอนจากColumn ของ SEM เราเรียกว่าPrimary Electron เมื่อตกกระทบผิวตัวอย่างจะมีสัญญาณหลาย อย่างเกิดขึ้น แต่พอจะแบ่งเป็นกลุ่มได้สองกลุ่มคือ

1.Inelastic Scattering

a.Secondary Electrons
b.X-Rays
c.Auger Electrons
d.Phonons
e.Transmitted Electron
f.Cathodoluminescence

2.Elastic Scattering

a.Back Scattered Electrons

สัญญาณที่นำมาใช้ประโยชน์ใน SEM มี 4 ชนิดได้แก่

a.Secondary Electrons (SE) เป็นอิเล็กตรอนพลังงานต่ำที่เกิดจาก Primary Electrons ไปชนเอาอิเล็กตรอนที่ผิวตัวอย่างหลุดออกมา โดยจะหลุดออกจากผิวตัวอย่างที่ความลึกจากพื้นผิวไม่เกิน 10 นาโนเมตร ให้ภาพที่มีรายละเอียดสูง ความเข้มของSE จะขึ้นกับมุมที่Primary Electronsตกใส่ และสภาพพื้นผิวตัวอย่าง ให้ภาพที่มีรายละเอียดสูง ภาพที่ได้จากSE เรียกว่าSecondary Electron Image, SEI

b.Back Scattered Electrons (BSE) คือ Primary Electronsที่กระเจิงกลับออกมาจากผิวตัวอย่าง กล่าวคือ เมื่อPrimary Electronsวิ่งเข้าใกล้หรือเข้าชนนิวเคลียสของอะตอมบนผิวตัวอย่างก็จะเกิดการเปลี่ยนทิศทางกระเจิงกลับออกมาจากผิวตัวอย่าง โดย BSE จะเกิดมากกับธาตุที่มีเลขอะตอมสูง ความเข้มของสัญญาณBSE จะขึ้นกับมุมที่Primary Electronsตกใส่ตัวอย่าง และยังขึ้นกับเลขอะตอมของธาตุที่ผิวตัวอย่าง ภาพที่ได้จากBSE เราเรียกว่า Back Scattered Electron Image (BEI) หรือ Primary Electron Image

c.Characteristic X-rays เกิดจากการที่เมื่ออิเล็กตรอนวงในของธาตุตัวอย่างถูกชนโดย Primary Electronsจนหลุดออกไป ก็จะเกิดเป็นระดับชั้นพลังงานที่ว่าง ทำให้อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูงกว่าลดระดับพลังงานลง พร้อมกันนี้ก็จะปล่อยพลังงานในรูป X-Rays ออกมา พลังงานของX-Rays ที่ได้จะมีรูปแบบของระดับพลังงานเฉพาะตัวแตกต่างกันไปในแต่ละธาตุเรียกว่าCharacteristic X-Rays ดังนั้นจึงสามารถทำให้วิเคราะห์หาธาตุองค์ประกอบที่ผิวตัวอย่างโดยอาศัยประโยชน์จากการวิเคราะห์พลังงานหรือความยาวคลื่นของ X-rays ที่เกิดขึ้นนี้

d.Cathodoluminescence ธาตุบางชนิดเมื่อได้รับการถ่ายทอดพลังงานจากPrimary Electrons ก็จะปลดปล่อยพลังงานในรูปของแสงในช่วงที่ตาเห็นหรืออาจเลยไปถึงช่วงUV ปรากฏการนี้เกิดขึ้นในตัวอย่างบางชนิดเท่านั้น

ภาพตัวอย่างจากSEM

เม็ดเลือดแดงปลา(ภาพแต่งสี)ภาพจาก //www.stec.sc.su.ac.th

เกสรดอกไม้ภาพจาก //www.stec.sc.su.ac.th
ปลายประสาทบนผิวปลา ภาพจาก //www.stec.sc.su.ac.th

หรือสามารถชมภาพถ่ายจากSEMได้ที่ //en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Electron_Microscope#Gallery_of_SEM_images

อ่านเรื่องเกี่ยวกับSEM จาก Wikipedia