1.2. Электронография

Электронография – это метод исследования минерального вещества, основанный на явлении дифракции электронов, аналогичном дифракции рентгеновских волн или нейтронов. Для исследования минералов применяется электронография с высокой энергией электронов (порядка 100 кВ). По назначению этот метод подобен рентгенографии, но имеет специфические особенности, которые связаны с характером взаимодействия физических лучей с минеральным веществом. Понятие «электронография» охватывает совокупность методов дифракции электронов. В развитии этого метода большая роль принадлежит российским учёным: З.Г. Пинскеру и Б.К. Ванштейну. В нашей стране метод стал применяться в минералогии по инициативе академика В.И. Вернадского.

Для электронографического исследования минералов применяются электронографы ЭМ-4 и ЭГ, ЭР-100, ЭРМ-100. Кроме того, для электронографических исследований пригодны любые современные трансмиссион­ные электронные микроскопы. Схема дифракции электронов реализуется в вакуумном пространстве электронографа, который снабжен электронной пушкой, являющейся источником электронов. В электронографе между источником электронов и исследуемым препаратом помещается электромагнитная или электростатическая линза, предназначенная для того, чтобы сфокусировать на светящемся экране (или фотопластинке) первичный и дифракционный пучок лучей. А в трансмиссионном микроскопе используется более сложная система линз и таким образом реализуется схема получения дифракционной картины от некоторого участка исследуемого препарата, выделяемого в поле наблюдения (трансмиссионного электронного микроскопа). Размер участков наблюдения – 1–2 мкм.

Препаратами для электронографических исследований обычно служат выделяемые из суспензий дисперсных веществ на плёнки-подложки тончайшие осадки дисперсного вещества.

Полученные в процессе исследований методом микродифракции точечные электронограммы отображают координатные плоскости об­ратной решетки и особенно ценны для выявления плохо раскристаллизованных агрегатов.

Электронограммы состоят из концентрических колец с радиусами, равными

r =Lλ /d,

где L – расстояние от препарата до светового экрана,

λ – длина электромагнитной волны,

d – межплоскостное расстояние для узловых плоскостей кристаллической решетки (результатом отражения от этих плоскостей и являются рефлексы, наблюдаемые на дифракционных картинах). Метод электронографии применяется для исследования слоистых силикатов (слюд, каолиновых и серпентиновых минералов, хлоритов, тальков), а также глин и минералов со слоистой и псевдослоистой структурой (например, графита, молибденита).

Электронография позволяет получить структурную характеристику исследуемого минерального вещества и выяснить однородность или не­однородность его тонких механических смесей [5].

1.3. Электронная микроскопия

Электронный микроскоп был создан в 1939 году для целей металлургии.

Достижения электронной микроскопии в сферу исследований состава минералов, руд и горных пород активно внедрялись в практику рядом учёных, среди них в числе первых были П. Хирш, А. Хови, Г.Р. Венк, О. Ван дер Бист, П.Э. Чемнесс, С. Иидзима, X. Хасимото, Дж.М. Каули, С. Амеликс, Б.Б. Звягин. Электронно-микроскопические исследования активно начали проводиться во Всесоюзном институте минерального сырья.

Основными методами электронной микроскопии являются:

• метод просвечивающей (трансмиссионной) электронной микроскопии тонких плёнок;

• метод сканирующей электронной микроскопии.

Электронный микроскоп (рис. 2) состоит из электронной пушки и системы электронных линз магнитного или электростатического типа.

Рис. 2. Ход лучей в электронном микроскопе просвечивающего типа.

Работа в режимах микроскопии и дифракции. Затенённые области

отмечают ход эквивалентных пучков в обоих режимах.

(Электронная микроскопия..., 1979 [32])

Эти линзы служат для концентрации и фокусировки электромагнитного излучения, которое исходит от источника. Применяются в основном магнитные линзы, поскольку они обладают малыми оптическими аберрациями и не имеют тех недостатков, которые присущи электронным установкам, где используется высокое напряжение. В электронных микроскопах используются три ступени увеличения (объектив, промежуточная линза и проектор) с двумя конденсорными линзами в осветительной системе [16,32]. Главное в устройстве магнитной линзы – это полюсный наконечн ик, изготовленный из мягкого железа. Полюсный наконечник обеспечивает магнитное поле с аксиальной симметрией для фокусировки электронов, а остальное в конструкции магнитной линзы – это магнитное ярмо с обмоткой, питающейся постоянным током. Изменение силы тока позволяет менять фокусное расстояние полюсных наконечников.

Все электронные микроскопы имеют световое излучение, создавае­мое электронным пучком. Этот пучок может полностью поглощаться в 1 см воздушного слоя, и поэтому вся электронно-оптическая система и объект исследования помещаются в глубокий вакуум.

Промышленностью в нашей стране были выпущены различные типы просвечивающих, сканирующих и растровых микроскопов (электронные микроскопы типа ЭМ-200, ЭМ-300, ЭММА-4, РЭМ-100, РЭМ-200). Базовой моделью явился просвечивающий электронный микроскоп ЭВМ 100БР, ос­нащенный сканирующими приставками. Кроме того, в нашей стране исполь­зуются электронные микроскопы, созданные в Японии, Германии, Англии.

Увеличенное изображение, сформированное объективом, называется первым промежуточным изображением. И это изображение служит в качестве объекта для промежуточной линзы, которая формирует второе промежуточное изображение. Затем промежуточное изображение увели­чивается проекционной линзой для получения конечного изображения объекта на флуоресцирующем экране. Непосредственно под экраном по­мещается фотопластинка для фиксирования изображения. Ступенчатое увеличение электронного микроскопа получается примерно следующее:

• объективная линза – 25^х;

• промежуточная линза – 8^х;

• проекционная – 100^х;

• общее увеличение электронного микроскопа – 20 000^х.

Объективная линза формирует изображение исследуемого вещества, а общее увеличение можно менять, регулируя ток в промежуточной или проекционной линзе. В некоторых конструкциях электронных микроскопов проекционная линза имеет стандартное увеличение, и в таком случае изменение общего увеличения осуществляется изменением тока только в промежуточной линзе.

В просвечивающем электронном микроскопе пучок электронов рас­сеивается образцом. Исследование тонких образцов на просвет производит­ся путём помещения их вблизи входа в канал наконечника объективной линзы. Потоки рассеянных электронов формируют брэгговские дифракци­онные пучки, образующие с падающим электронным пучком малые углы (примерно 1° или 2°). Объективная линза в своей задней фокальной плоско­сти фокусирует эти пучки в виде электронной дифракционной картины, но диафрагмированные пучки не проходят через апертурную диафрагму. Изображение формируется путём смещения апертурной диафрагмы от центрального положения или наклоном осветительной системы так, чтобы пучок электронов проходил по оси объективной линзы. Поэтому только этот участок и даёт дифракционную картину. Формирование объективной линзой первого промежуточного изображения иллюстрирует рис. 3.

Эта методика была разработана Дж.Б. Ле Поолем в 1947 году и получила название методики микродифракции.

Применяются также микроскопы-микроанализаторы, представляющие собой специальные приборы, совмещающие функции рентгеновского микроанализатора и электронного микроскопа. Принцип работы электронного микроскопа-микроанализатора заключается в следующем. Пучок электронов, сформированный системой линз, падает на исследуемый объект, изображение которого сформировано на светящемся экране, и возбуждает в этом объекте рентгеновское излучение. Рентгеновское излучение используется для рентгено-спектрального анализа химического состава исследуемого участка объекта, а часть электронов проходит через этот объект и с помощью линз на светящемся экране формирует увеличенное изображение микрообъекта.

М – увеличение объективной линзы, C_S – коэффициент сферической аберрации линзы (в объективах высокого разрешения эта величина равна 2 или 3 мм),

SS^/ – расстояние между верхним и нижним полюсными наконечниками.

Электроны выходят из точки Р под углом α к оптической оси и отклоняются

от точки Р на расстояние MC_Sα³. Пучок электронов очерчивает

в плоскости изображения диск рассеяния радиусом г = MC_Sα³

Рис. 3. Схема формирования объективной линзой первого промежуточного изображения (по П. Хирш, А. Хови и др., 1968)

Растровый электронный микроскоп отличается от просвечивающего электронного микроскопа по системе формирования изображения. В устройстве этого микроскопа имеется отклоняющая система линз, ко­торые существенно уменьшают размеры пучка (до 100 нм).

Образцы для электронно-микроскопических исследований должны быть очень и очень тонкими, толщиной 500–5000 Å, чистыми от посто­ронних примесей и загрязнений.

Тонкие образцы (плёнки) получают путём:

• утонения образцов (химическим, электро-химическим или механическим способом);

• создания тонких осадков в результате испарения в вакууме;

• электроосаждения вещества;

• вакуумного напыления.

Но в процессе приготовлении таких тонких образцов структура ис­ходного минерала неизбежно изменяется. Поэтому на практике исследо­вание минералов ограничилось анализом реплик минералов и исследова­нием тонкодисперсных, порошковатых, глинистых и тонкослоистых минеральных образований [5, 16, 32].

Приготовление реплик заключается в термическом напылении на свежесколотую поверхность минерала тонкой плёнки. Наносится уголь или чистый металл (или же вместе то и другое вещество). Реплика по­зволяет получить копию строения рельефа скола минерала и экстраги­ровать мелкие минеральные частицы со сложных по составу и строению (гетерогенных) участков минерала. Затем такую плёнку (реплику) отде­ляют от минерала и просматривают в микроскопе.

С помощью электронного микроскопа проводятся исследования:

• размеров и формы зёрен, слагающих тонкодисперсные руды и минералы;

• кристаллографической огранки зёрен, степени их совершенства;

• наличия фрагментированных кристаллов, разделённых на домены, что является следствием фазовых превращений в кристаллах (домены появляются как результат метаморфических замещений, дислокаций, внедрения других атомов, фазового упорядочивания при изменениях термального режима и давления);

• наличия субмикроскопических двойников и ламелей распада твёрдых растворов;

• выявления микротрещин и систем микродислокаций в деформированных породах и минералах;

• обнаружения треков – следов повреждений, образовавшихся в процессе радиоактивного распада при движении заряженных элементарных частиц в минералах (по длине и плотности треков можно оценивать возраст минералов).

Использование электронного микроскопа в лабораторных исследованиях и в экспериментальных работах позволяет расширить информа-цию о составе и структурных особенностях реальных минералов. Для изучения внутреннего строения минералов используются темнопольные изображения, полученные с помощью электронного микроскопа. Чтобы сформировать такие изображения необходимо смещать апертурную диафрагму так, чтобы изображение создавалось не первичным электронным пучком, а подходящим дифрагированным пучком. Для получения дифракционной картины, необходимо убрать апертурную диафрагму. Темнопольные изображения будут окружать светлые поля изображений того же самого участка образца. Объединённые данные полученных светлопольных и темнопольных снимков позволяют получить определённую информацию о кристаллографических особенностях микроструктуры образцов (поверхностей раздела, дефектов упаковки, следов дислокаций), а значит и выяснить габитусные плоскости, в которых проявлены такие микроструктурные особенности.

Электронно-микроскопические исследования минералов позволяют выяснить неоднородность минералов. Рудообразующие минералы, как правило, содержат мельчайшие включения (микрофазы), которые возникают в процессе роста и последующих эпигенетических преобразований минералов.