能抓拍飞行中的电子 世界最快显微镜问世

参考消息网8月23日报道 据美国趣味科学网站8月21日报道，物理学家已制造出世界上最快的显微镜。它的速度非常快，可以观察到运动中的电子。

该新设备是一种新型透射电子显微镜。它用10的18次方分之一秒的电子脉冲撞击电子，以此拍摄飞行中电子的图像。

这是一项了不起的成就。电子飞行的速度大约是每秒2200公里，这使得它们能够在18.4秒内绕地球一圈。

通过使用显微镜观察这些微小粒子，研究人员希望在它们如何飞行方面获得一些新发现。

研究人员8月21日在美国《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果。

“这种透射电子显微镜就像最新版智能手机非常强大的摄像头。它可以让我们拍下以前看不到的东西，比如电子，”该研究论文的主要作者、亚利桑那大学物理学和光学副教授穆罕默德·哈桑在一份声明中说，“借助这台显微镜，我们希望科学界能够认识电子行为和电子运动背后的量子物理学。”

电子如何在原子和分子内排列和重新排列是物理学和化学中的一个基本问题，但这种微小粒子的活泼特性导致很难研究它们。

通过将显微镜的曝光时间减少到几阿秒，物理学家已经弄清电子如何携带电荷、它们在半导体和液态水中的行为，以及原子之间的化学键如何断裂。

但即使是几阿秒的尺度也太大了，无法捕捉到电子的运动。为了实现这一目标，从事上述新研究的物理学家们改进了电子枪，直到它产生短短1阿秒的脉冲。

这些脉冲撞击被研究的“样本”。当电子穿过样本时，它们的速度会减慢，并改变电子束波前的形状。减速的电子束随后被透镜放大，并照射到荧光材料上。这时，荧光材料会发光。

通过将电子脉冲与两个同步的光脉冲配对，研究人员就能够探测原子内电子的超快运动。（编译/朱捷）

电子显微镜为什么必须在真空下运行？

受光的物理性质的限制，光学显微镜能达到的最大分辨率在200nm左右（阿贝极限）。

在上个世纪二三十年代，为了看到有机细胞（细胞核、线粒体等）内部的细微结构（<100nm），人们开发出了透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy），它在普通显微镜的基础上用聚焦电子束代替可见光来“透视”标本，大大提高了分辨率。

20世纪60年代，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）问世，它采用高能电子束扫描样品来成像。电子与组成样品的原子相互作用，可以产生包含样品表面形貌、成分和其他信息的信号。

电子显微镜是如何工作的

无论是TEM还是SEM，都是靠电子束照射样品来获取图像，其主要部分包含电子源（电子枪）、电子透镜、扫描线圈、检测器等，这些部件通常自上而下地装在一个高真空的腔室（镜筒）内。

电子枪（也被称为电子源）：一般位于镜筒的顶部，它能发射电子并形成速度均匀的电子束。电子束向下通过电子透镜来聚焦。

电子透镜：电子显微镜镜筒中最重要的部件之一，它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线偏转以形成聚焦，其作用与玻璃凸透镜使光束聚焦的作用相似，所以称为电子透镜。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。

扫描线圈：控制和微调光束位置的电磁线圈。

检测器：聚焦的电子束照射样品台上的样品并产生信号，这些信号被检测器检测到，然后被转换成图像。

真空对于电子显微镜的重要性

真空对电子显微镜有非常重要的作用。电子显微镜工作时，整个电子束路径与待分析的样品一起都会置于高真空的环境，如果真空度不够高，电子枪的栅极与阳极间可能会产生极间放电进而烧断灯丝，电子束与残留空气粒子发生碰撞还会导致散射，这种散射会导致电子束中的电子无法到达样品，或者分析失真。

电子显微镜对真空的要求

为了使电子束中的电子尽量不受阻碍地移动，电子显微镜的真空度通常需要达到1E-7mbar量级的高真空，甚至1E-10mbar量级的超高真空；除了真空度，真空泵工作时的振动水平也非常关键。由于电子束的截面小，在样品上的定位精度很高，只有处于振动水平极低的环境中，才能保持这种精度；另外，为了避免油蒸汽污染样品或显微镜内部元件，最好采用无油干式的真空泵。

典型的真空系统配置

下图是一个SEM系统的示例。左侧从上往下分别是装有电子枪和电子透镜的镜筒和放置样品的样品腔，样品腔的右边是一个进出样室（LoadLock）。待分析的样品被放置于进出样室内，进出样室被抽到一定的真空度后再把样品转移到样品腔中进行分析。有进出样室的电子显微镜可以将样品腔一直维持在高真空，从而缩短每次检测的准备时间，提高样品吞吐量，降低单次检测成本。

该SEM的镜筒上配置有两台离子泵（IonPump），在样品腔和进出样室还配置了两套分子泵（TurboPump）机组和多个阀门（Valve），并配置了多个真空计以检测不同位置的真空度。

安捷伦真空：提供适合电子显微镜的全套真空产品

安捷伦真空对电子显微镜之类的聚束系统真空应用有着非常丰富的经验，为了满足SEM、TEM系统高真空、低电磁噪声和低振动的要求，开发了一系列的产品。

离子泵：作为离子泵的发明者，安捷伦真空可以生产多种类型的离子泵。采用专利设计的安捷伦SEM专用离子泵，具有更加稳定和精准的压力读数，以及更少的粒子产生，特别适合安装于电子枪处（电子枪处对温度、磁场的要求都比较高，一般的冷阴极或热阴极真空计对其正常工作会有影响，而普通的离子泵测量的压力偏差又比较大）。安捷伦真空独有的StarCell离子泵在保留较高活性气体抽速的同时，还具有相当高的惰性气体抽速，一般将其安装于镜筒的下部，与电子枪上的SEM离子泵相结合，为电子显微镜提供一个强大的高真空抽气组合。

分子泵：安捷伦TwisTorr涡轮分子泵采用独有的AFS悬浮轴承技术，工作时振动非常低，被广泛地应用在世界各地的众多电子显微镜上。一个位于日本的业界领袖，从2015年起，在其生产的电子显微镜上使用了1000多台安捷伦分子泵，泵的可靠性非常接近100%，实测的振动水平低于0.01米/秒2，噪声等级更是只有40dB(A)。

阻尼减振器：为了进一步减小分子泵振动对电子显微镜等高灵敏度分析仪器的影响，安捷伦真空专门开发了一款阻尼减震器，该减震器可以将涡轮分子泵在满转速时的振动减小到原来的1/40左右（CF法兰）。

除此之外，安捷伦真空可以提供各种抽速的涡旋干泵、各种类型的真空计、电磁噪声几乎为零的各种真空泵控制器等，另外，基于其在聚束系统广泛的知识和灵活的制造能力，还可以为特定系统定制特殊的离子泵，还可以为敏感的显微镜应用提供最先进的振动模拟和测试。

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