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电子显微镜历史杂谈-Ruska怎么就盯上了磁透镜

已有 6724 次阅读 2013-6-27 09:44 |个人分类:电子显微镜|系统分类:科研笔记| 历史, 电子显微镜

电子显微镜到底是什么时候发明的?历经近80年,现在的很多讲义口径都不一致,比如有的说是1931年,有的说是1932年,也有1933年。最早的还有1929年,为此我特地翻了一下Ruska当年获奖时提交的一个Lecture,老先生的说法应该是1931年4月,那台在Knoll指导下动手做的双磁透镜的系统:

这里面用了两种样品,一个是Pt网,一个是铜网,分别在第一级透镜和第二级透镜前放置,成像倍率第一级到第二级之前是3.6倍,第二级是4.8倍,总倍率是大约17.4倍,第一级到像平面的倍率是13倍。

这样就有一个问题:日本的东昇博士写了一本电子显微镜的世界,是科学出版社1977年出版的,其中的23页,有一张图片:

书中介绍是Ruska1932年得到的12倍放大的微栅照片,和光学显微镜的图像一致,说明电子显微镜的可能。但我并没有看到Ruska提到这个图片,不知道各位有没有见到过?

成像的那张图中,给出了当时的加速电压是50 kV,而有的书说是75 kV,这又矛盾,后来Ruska提到:他和Knoll为了计算分辨率,假设75 kV来做加速电压,得到了分辨率比光学分辨率高出五个数量级,由此确立了发展TEM的信心。会不会由此搞错了呢?

1927年,Ruska的学位论文就是跟Knoll做的,大老板大概是Professor Adolf Matthias,他提出建造一种示波器:an efficient cathode-ray oscillograph for the measurement of veryfast electrical processes in power stations and on open-air high-voltage transmission lines。
Ruska对于前面读的语言很不感兴趣,对于物理那是相当有激情,当即就加入了。1929年他设计出了老板想要的东东,算是TEM的雏形吧:

如iamikaruk专家所说,他的本意就是做示波器,那么怎么想着用磁透镜了呢?因为示波器的最重要参数就是得到细而亮的“writing spot”(具体怎么解释还得请教各位)。
万物自有其运行的法度,1927年,Hans Busch计算了电子在轴对称磁场中的运动轨迹,发现磁场可以有凸透镜类似的功能:聚焦电子束,而且可以通过改变磁线圈的电流大小,来调节焦距的长短,但他用了自己16年前的实验结果来比对,发现根本不吻合。但Ruska尝试自己搭建了一套示波器装置,如上图那个单透镜系统,发现可以达到Busch的预期。

Ruska分析认为Busch的失败是Busch的电磁线圈的磁场分布尺寸太大导致的。而自己搭建的装置则改进了这种缺陷。由此1929年,Ruska就得到了很多电子光学方面的图像(这个和東昇的说法同样不一致)。Ruska还进行了一项重要的改进,就是把电磁线圈之外加一个铁壳,这样就能使磁场更强更集中,利于在小电流就能调变焦距,下面这张图我贴过的,这里再重复一下:

那么就有一个问题,TEM当初开始研究的时候有两大透镜:静电透镜和磁透镜,为什么Ruska单单盯着磁透镜呢?

其实静电透镜在当时的供电条件和硬件方面是适合TEM的,电磁透镜反而有诸多不便,所以Ruska开始的研究目标也是静电透镜,但是,他对静电透镜有一个错误的理解:“because of the mirror-like symmetry of the electrostatic field of the electrodes on either side of the lens centre, a concentrating effect of the curved equipotential planes in the hole area could not take place.”
(这段话的意思我不是太明白,还请高手来指点)应该是说他觉得静电场具有晶面对称性,而通过静电透镜的等电势曲面的电子束没有可能被聚焦。后来Ruska才想到其实静电场的电势是可以不断变化来达到聚焦的目的。但有趣的是,Knoll同学居然也没有觉出其中的错误。
Ruska还对静电透镜做了另外一种尝试,不太明白,我贴在这里,高手来帮忙看看什么意思:
I made the electron bundle pass a bored-out spherical condenser with fine-meshed spherically shaped grids fixed over each end of the bore. With this arrangement I obtained laterally inverted images in the correct imaging scale. Somewhat later I found a solution which was unfortunately only theoretically correct. In analogy to the refraction of the light rays on their passage through the optical lens at their surfaces (“Grenzflächen), I wanted to use, for the electrical lens, the potential steps at corresponding surfaces, which are shaped like glasses lenses. Thus, the energy of the electron beams is temporarily changed-just like light beams on passage through optical lenses. For the realization of this idea, on each side of the lens two closely neighboured fine-meshed grids of the shape of optical lenses are required which must be kept on electrical potentials different from each other.First attempts confirmed the rightness of this idea, but at the same time also the practical inaptness of such grid lenses because of the too-strong absorption of the electron beam at the four grids and due to the field distribution by the wires.

(我让电子束通过一个钻了孔的球形聚光镜。孔的两端分别固定了球面形细网。利用这种装置,我得到了尺寸正确的横向颠倒的像。稍晚一些时间,我找到了一种解决方法,但不幸的是它只是在理论上是正确的。如同光线通过光学透镜时在表面发生折射一样,对于电子透镜,我想利用相应表面处做成玻璃透镜形状的阶梯形电势。这样,就象光通过光学透镜一样,电子束的能量被暂时改变了。为了实现这种设计,需要在透镜的每一端有两个离得很近的,具有光学透镜形状的细网,并且分别带有不同的电势。初期的尝试证实了这个想法的正确性,但同时也证实了由于四个网格对电子束吸收太强以及格栅的电场分布使得这种网格透镜在实用上是不可行的。)-translated by drizzlemiao

 



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