Электронный микроскоп представляет собой один из наиболее эффективных инструментов, применяемых в различных областях науки и техники. Благодаря разработке группы ученых из Корнеллского университета — созданию принципиально нового датчика EMPAD (electron microscope pixel array detector) — возможности данного прибора существенно расширились. Данная технология позволяет не только получать изображения высокого качества, но и извлекать из потока электронов детализированные сведения о внутренней структуре исследуемого образца. Согласно заявлению профессора Дэвида Мюллера (David Muller), использование нового датчика обеспечивает возможность получения данных об внутренних напряжениях, углах наклона и вращения атомов, а также о полярности внутренних электрических и магнитных полей в материале.
группа которого, совместно с группой профессора Сола Грунера (Sol Gruner), разработала и создала опытные образцы датчиков EMPAD. В обычном растровом электронном микроскопе (scanning transmission electron microscope, STEM) сфокусированный луч электронов сканирует линия за линией исследуемый образец. Датчик, установленный снизу образца, считывает интенсивность луча электронов, которая изменяется из-за взаимодействия этих электронов с атомами материала. И на основе этих данных компьютер составляет изображение внутренней структуры образца.
Датчик EMPAD, который устанавливается на место обычного датчика, содержит матрицу 128 на 128 квадратных пикселей, размером 150 микронов каждый. Эти пиксели соединены с электронной схемой, которая выполняет предварительную обработку сигналов. С этой точки зрения датчик EMPAD практически аналогичен датчикам цифровых камер. Но, кроме интенсивности потока электронов, датчик EMPAD способен регистрировать угол их падения на поверхность каждого пикселя. В этих данных “закопана” масса дополнительной информации, которая может быть получена при помощи технологий и алгоритмов, разработанных изначально для установки рентгеновской кристаллографии Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), при помощи которой в свое время производились исследования строения атома.
Комбинация сфокусированного особым образом луча электронов с новым датчиком позволяет исследователям создавать четырех- и пятимерные “карты” интенсивности, угла падения, положения и импульса электронов, прошедших через материал образца. Последующая обработка полученных данных позволяют воспроизвести не только внутренне строение материала до атомарного уровня, но и определить все силы, возникающие и действующие внутри материала. Это становится возможным благодаря высокой скорости работы датчика и его невероятной чувствительности, которая позволяет ему регистрировать как единичные электроны, так и поток, состоящий из миллионов электронов в единицу времени.
Время получения одного изображения датчиком EMPAD не превышает одной миллисекунды. “Этот датчик имеет в 1000 раз больший динамический диапазон и в 100 раз большую скорость работы, нежели традиционные датчики для электронных микроскопов” – рассказывает Дэвид Мюллер.
В настоящее время первый опытный образец датчика EMPAD проходит испытания в дополнительном гнезде одного из самых современных электронных микроскопов производства компании FEI, который находится в Центре исследований материалов (Center for Materials Research) Корнуэльского университета. Кроме этого, лицензия на использование этой технологии уже передана компании FEI, которая является одним из ведущих мировых производителей электронных микроскопов, и специалисты которой доведут данное изобретение до уровня законченного устройства, которое можно будет использовать в новых микроскопах и для модернизации уже существующих электронных микроскопов.
Для любознательных
В России и мире разработкой уникальных датчиков для электронных микроскопов, способных расширить спектр измерений, занимаются как научные коллективы, так и технологические компании. Эти датчики позволяют получать более точные, детализированные и информативные данные о структуре материалов, биологических объектах и физических процессах на наноуровне.
🔹 Россия: Томский государственный университет (ТГУ)
Центр исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» при ТГУ под руководством профессора Олега Толбанова и научного сотрудника Антона Тяжева разрабатывает матричные сенсоры на основе арсенида галлия, компенсированного хромом (HR-GaAs:Cr).
✅ Особенности:
- Высокая радиационная стойкость — датчики устойчивы к повреждению при длительном облучении.
- Эффективность сбора заряда — повышает качество изображения и снижает уровень шума.
- Применение: регистрация высокоэнергетичных электронов (от нескольких кэВ до МэВ), что критично для просвечивающих электронных микроскопов (ПЭМ).
✅ Для чего:
- Повышение пространственного разрешения изображений.
- Исследование биологических тканей, клеток и вирусов с минимальным повреждением образца.
- Увеличение срока службы детекторов в условиях интенсивного облучения.
✅ Где используется:
- В DESY (Германия), ESRF (Франция), PSI (Швейцария), RAL (Великобритания), ОИЯИ (Дубна).
- В рамках международного проекта по созданию первого в мире комптоновского рентгеновского микроскопа.
🔹 МИР: Ведущие центры и компании
1. DESY (Германия)
- Задача: разработка системы сбора данных, программного обеспечения и рентгеновских линз для нового поколения микроскопов.
- Совместно с ТГУ — тестирование сенсоров на синхротронном излучении.
- Цель: создание комптоновского рентгеновского микроскопа, который будет фиксировать рассеянное излучение, а не проходящее, что позволяет изучать тонкие объекты (например, клеточные мембраны) без их разрушения.
2. Thermo Fisher Scientific (Нидерланды/США)
- Крупнейший производитель электронных микроскопов (серия Titan, Talos, Scios).
- Разрабатывает детекторы EDX (энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия) и EELS (электронная энергетическая потеря).
- Новинки: 4D STEM-детекторы — позволяют регистрировать не только положение электронов, но и их угловое распределение, что даёт данные о магнитных и электрических полях в образце.
3. Gatan (США, дочерняя компания AMETEK)
- Специализируется на детекторах для ПЭМ и сканирующих электронных микроскопов (СЭМ).
- Разработки:
- Криогенные детекторы для исследования биомолекул.
- Direct Electron Detectors (DED) — позволяют получать изображения с субнанометровым разрешением при низких дозах облучения (важно для крио-ЭМ).
- Применение: структурная биология, вирусология, материаловедение.
4. JEOL (Япония)
- Разрабатывает детекторы с высокой квантовой эффективностью.
- Интегрирует спектрометры и аналитические модули в свои микроскопы.
- Акцент на многофункциональность: одновременное получение топографии, химического состава и электронной структуры.
5. NION (США)
- Пионер в создании аберрационно-корректированных микроскопов.
- Разрабатывает детекторы с ультравысоким разрешением для атомно-разрешающей спектроскопии.
- Используется в исследованиях квантовых материалов и наноэлектроники.
🔹 Для чего такие датчики нужны?
| Применение | Цель |
|---|---|
| Биология и медицина | Изучение клеточных структур, вирусов, белков без их разрушения. |
| Материаловедение | Анализ дефектов в полупроводниках, нанотрубках, катализаторах. |
| Нанотехнологии | Контроль качества наноструктур, создание новых материалов. |
| Электроника | Исследование транзисторов, чипов, квантовых точек. |
| Фундаментальная физика | Наблюдение за процессами на атомном уровне, включая динамику электронов. |
🔹 Перспективы
- Комптоновский микроскоп (ТГУ + DESY) — позволит изучать длинные белковые молекулы и клеточные процессы в реальном времени.
- Интеграция ИИ — обработка данных с датчиков с помощью нейросетей для автоматического распознавания структур.
- Крио-электронная микроскопия — совместимость с криогенными детекторами для изучения образцов при температуре жидкого азота.
Таким образом, ТГУ в России и DESY, Gatan, Thermo Fisher, JEOL в мире — ключевые игроки в создании датчиков нового поколения, которые не просто улучшают качество изображения, а расширяют саму природу измерений в электронной микроскопии.
