كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح

في العام 1993، اتهم Charles Smithart بقتل فتاة تبلغ من العمر 11 عاما في مدينة Glennallen في السكا. المدعي العام شك في الجاني Smithart لأنه تواجد في موقع الحادث، ولكنهم لم يمتلكوا الدليل القاطع على ارتكابه الجريمة. وهنا يأتي دور الميكروسكوب الالكتروني الماسح scanning electron microscope والذي يعرف بالاختصار SEM.
باستخدام كاشف طيف أشعة اكس الموجود في جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح، يتمكن الطبيب الشرعي من تحليل المعادن الصغيرة التي قد توجد في مكان الجريمة. ومن هنا تمكن الطبيب الشرعي المكلف في جريمة المدعى عليه Smithart من إيجاد بعض القطع المعدنية ذات الشكل الدائري والتي غالبا ما تنتج في عمليات لحام المعادن أو عند سنها. وبعد التحقيق وجد أن المدعى عليه Smithart يمتلك منصة لحام في محله الذي اعتاد في الكثير من الأحيان إصلاح الدراجات الهوائية لأطفال المنطقة التي يعيش فيها. وبهذا يتوجب التقدم بالشكر والتقدير لجهاز الميكروسكوب الالكتروني الذي ساهم في تقديم الدليل القاطع على إدانة المتهم في الجريمة.

لماذا جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح وليس جهاز ميكروسكوب ضوئي عادي والمتوفر في المدارس والجامعات استخدم لفحص دليل إدانة Smithart؟ لسبب واحد فقط فان الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM يكبر الأشياء لدرجة تصل إلى 300,000 مرة. ويشير العلماء إلى هذا الرقم بمصطلح يعرف باسم قوة التكبير magnification power ويشار للرقم بالشكل التالي 300,000x، بالمقابل فان قوة التكبير في الميكروسكوب الضوئي لا تتجاوز بضعة مئات فقط. جهاز SEM يمتلك عمق تبئير كبير depth of field بالمقارنة مع الميكروسكوبات التقليدية، مما يعني إمكانية الحصول على صور ثلاثية الأبعاد وتحليلها، في حين الميكروسكوب الضوئي لا يوفر إلا صور سطحية ثنائية الأبعاد. وأخيرا فان جهاز SEM يستطيع أن يرى أكثر من السطح فهو أيضا يعطي معلومات على المركبات التي تدخل في تركيب العينة التي ينظر إليها. كل هذه الميزات أثبتت إنها مهمة جدا في فحص دليل الإدانة في الجريمة التي ارتكبها Smithart.

بالطبع فان جهاز SEM مثله مثل أي جهاز يمتلك بعض العيوب، والتي تتركز في ارتفاع ثمنه. فالجهاز الأرخص منه يكلف عشرات الآلاف من الدولارات وهناك أجهزة متقدمة أكثر يمكن أن يصل ثمنها إلى مئات آلاف الدولارات. كما إن أجهزة SEM أجهزة كبيرة وتحتوي على أجهزة دقيقة ومعقدة، وتتطلب خبرة ودراية عالية لتشغيلها. ونتيجة لهذا فان هذه استخدام هذه الأجهزة مقصورا على المنشآت الصناعية والبحثية، وهذه الأجهزة لها تطبيقات واسعة وأصبحت من الأدوات الأساسية لأي مؤسسة بحثية أو منشأة صناعية.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح مفصل لفكرة عمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM وكيف يستطيع أن يظهر الصور المكبرة بتفاصيل عالية الدقة والتي لا يمكن الاستغناء عنه في الابحاث العلمية وخصوصا تقنية النانو وعلوم المواد والعلوم الاخرى. كما سوف نوضح الاكتشافات الحديثة التي طرأت على هذه التقنية. ولكن قبل الوصول لهذه النقطة لنبدأ بالبدايات مع هذا الجهاز.

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح 788px-Misc_pollen

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح 788px-Misc_pollen

صورة توضح حبيبات اللقاح أخذت بواسطة جهاز SEM وترى بوضوح عمق التبئير في الصورة لتبدو ثلاثية الأبعاد

تاريخ الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM
تطور جهاز SEM بدأ يبطأ شديد ولم يظهر بشكل مفاجأة. فعندما تم الكشف عن هذه التقنية لأول مرة في عام 1935، توجه المهتمين بهذه التقنية إلى محترفي التسويق وطلبوا منهم أن يقيموا هذه الجهاز الجديد ومدى أهميته وتقدير مدى احتياج السوق له. وبعد الدراسات والأبحاث المتخصص صدر تقرير خبراء التسويق والذي لم يكن متفائلا. فقدروا ان الحاجة لمثل هذا الجهاز لن تتجاوز العشرة أجهزة في كل العالم. إلا انه تبين ان تقدير الخبراء لم يكن في محله. ولحسن الحظ لم يثني هذا التقرير العلماء والباحثين لتطوير هذه التقنية. والآن يصل عدد أجهزة SEM المستخدمة في مختلف المختبرات والمراكز البحثية بأكثر من 50,000 جهاز. والسؤال الآن كيف تمكن هذا الجهاز من الانتشار بهذا القدر بعد ان كانت التوقعات انه لن يرى النور وأصبح أداة علمية هامة وأساسية.

لسبب بسيط هو أن العلماء قد وصلوا في تطويرهم للميكروسكوب الضوئي إلى أقصى قدرة له. فالميكروسكوب الضوئي موجود من عقود من الزمن، ولازلنا نراهم في المختبرات المدرسية ومختبرات البحثية، إلا ان اعتماد هذه الأجهزة على الضوء شكل لها عقبة أمام التطور والوصول إلى قدرات تكبيرية كبيرة. فالضوء يميل إلى ان يحيد diffract أو ينحني عن مساره حول حواف العدسات، وهذا السلوك حدد القوة التكبيرية والقدرة التحليلية لها بشكل كبير لا يمكن التغلب عليه عند الوصول إلى أقصى قدرة تكبيرية أو تحليلية لهذه الأجهزة. ونتيجة لذلك بدأ العلماء في تطوير طرق جديدة لفحص العالم المجهري، ففي العام 1932، تم إنتاج أول جهاز ميكروسكوب الكتروني نافذ transmission electron microscope والذي يعرف بالاختصار TEM وسوف نقوم بشرحه في مقالة منفصلة تحت باب كيف تعمل الأشياء في موقع الفيزياء التعليمي. هذه الأداة توجه شعاع من الالكترونات خلال العينة التي تفحص ومن ثم يتم عرض الصورة الناتجة على شاشة فلوريسنت. أجهزة TEM تشبه كثيرا أجهزة SEM والتي ظهرت أجهزة SEM بعد أعوام قليلة من اكتشاف جهاز TEM.

لم يتوقع العلماء بان جهاز SEM ضروريا بوجود جهاز TEM. وقد اتخذ البروفيسور C.W. Oatley في كلية الهندسة بجامعة كامبردج قرارا غير مترددا بتطوير جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح. وبالعمل المتواصل والمستمر بإشرافه وبمشاركة زملائه في الكلية وعدد من الطلبة تمكن C.W. Oatley من عرض إمكانيات هذا الجهاز الجديد من قوة تكبيرة وقدرة تحليلية وإظهار صور ثلاثية الأبعاد بجودة عالية. واليوم تستخدم أجهزة SEM بشكل يومي في العديد من التطبيقات من فحص العيوب في أشباه الموصلات في الدوائر الالكترونية الدقيقة وحتى الكشف عن كيف تعمل الحشرات.

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح Scanning-electron-microscope-1

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح Scanning-electron-microscope-1

من اليسار إلى اليمين Oliver C. Wells وبجانبه Thomas E. Everhart و R.K. Matta في العام 1963 حول أول نجاح لتطوير جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح

المركبات الأساسية في جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM
بعد أن تعرفنا على إمكانيات جهاز SEM وتطوره تاريخيا. فإننا الآن أصبحنا جاهزين للتعرف على الأجزاء الأساسية التي يتكون منها هذا الجهاز وكيف تعمل مع بعضها البعض لإظهار الصور الدقيقة والمكبرة. ولكن قبل أن نبدأ في هذا أود أن أوضح إن أجهزة SEM عديدة ومتنوعة إلا إنها تتشارك كلها في الأجزاء الأساسية.

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح Scanning-elecron-microscope-illustration

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح Scanning-elecron-microscope-illustration

المدفع الالكتروني Electron Gun
المدفع الالكتروني ليس سلاحا كما يبدو من الاسم إلا انه عبارة عن سيل من الالكترونات اللازمة لعمل جهاز SEM. المدفع الالكتروني قد يكون احد النوعين التاليين: المدفع الحراري وهو الأكثر شيوعا ويعمل من خلال استخدام الطاقة الحرارية في فتيلة وغالبا ما تكون فتيلة من التنجسيتن مثل تلك التي في المصباح الكهربي لأنها تمتلك نقطة انصهار عالية، وتعمل الفتيلة عند ارتفاع درجة حرارتها نتيجة لمرور تيار كهربي فيها على إرسال فيض من الالكترونات توجه هذه الالكترونات إلى العينة المراد فحصها. والنوع الثاني هو مدفع المجال الكهربي، حيث يعمل هذا من خلال إنتاج مجال كهربي كبير يعمل على سحب الالكترونات من ذرات المادة التي ستنتج الالكترونات. المدفع الالكتروني بنوعيه يوضح عادة أما في أعلى الجهاز أو في أسفله ويقوم بإطلاق سيل الالكترونات على العينة المراد فحصها. هذه الالكترونات في العادة لا تذهب إلى المكان المطلوب بشكل تلقائي ومن هنا نحتاج إلى توجهها وهذا يقوم به العدسات.

العدسات Lenses
مثل الميكروسكوب الضوئي فان جهاز SEM يستخدم عدسات لإظهار صور دقيقة ومفصلة. والعدسات في هذه الأجهزة تعمل بشكل مختلف تماما. فهي ليست مصنوعة من الزجاج بل هي عدسات مصنوعة من مغناطيسات قادرة على توجيه مسار الالكترونات. وبفعل ذلك تقوم هذه العدسات بتوجيه الالكترونات والتحكم في مسارها، مما يضمن ان تصل الالكترونات إلى المكان المطلوب بدقة.

غرفة العينة Sample Chamber
غرفة العينة في جهاز SEM هو المكان الذي يتم فيه وضع العينة المراد فحصها. ولان العينة يجب ان تكون ثابتة تماما ولا تتعرض لأي حركة حتى تظهر الصور دقيقة وواضحة، فان غرفة العينة يجب ان تكون قوية ومعزولة عن أي اهتزازات. وفي الواقع، فان أجهزة SEM حساسة للغاية ولهذا يتم تركيب هذه الأجهزة وتثبيتها في الطابق الأرضي في المبنى. وبالإضافة إلى وظيفة غرفة العينة في الحفاظ على العينة ثابتة فإنها أيضا تلعب دورا أساسيا في تحريك العينة بزوايا محددة لفحص أجزاء مختلفة فيها دون الحاجة إلى إعادة تثبيتها في كل مرة يراد النظر إلى جزء أو زاوية مختلفة من العينة.

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM_chamber1

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM_chamber1

صورة توضح غرفة العينة

الكواشف Detectors
هنا قد تعتقد ان الكواشف تشبه العدسة العينية في الميكروسكوب الضوئي إلا ان الأمر أكثر تعقيدا فالكواشف المستخدمة في جهاز SEM ترصد تفاعل سيل الالكترونات مع العينة بعدة طرق مختلفة. فعلى سبيل المثال كواشف Everhart-Thornley ترصد الالكترونات الثانوية، وهي تلك الالكترونات المتحررة من السطح الخارجي من العينة. هذه الكواشف قادرة على إنتاج أدق الصور لسطح العينة. وهناك كواشف أخرى مثل كواشف الالكترونات ذات الاستطارة الخلفية backscattered electron وكواشف أشعة اكس والتي تمكن العلماء من تحليل العينة ومعرفة المركبات الكيميائية الموجودة في العينة.

مفرغة الهواء Vacuum chamber
يتطلب تشغيل جهاز SEM العمل في الفراغ حيث ان الالكترونات يمكن ان تصطدم بجزئيات الهواء ولا تصل للعينة إضافة إلى ان هذه الالكترونات قد تدفع جزئيات الهواء لان تتفاعل مع سطح العينة وبالتالي إفساد العينة وتغير ملامحها.

وكما هو الحال في العديد من الأجهزة فان SEM ليس جهاز يعمل من خلال جمع هذه الأجزاء فقط، ولمعرفة كيف يظهر SEM الصور تابع قراءة المقال...........

كيف يعمل جهاز الميكروسكوب الالكتروني SEM؟

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح Scanning-electron-microscope-2

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح Scanning-electron-microscope-2

هذه الصورة عبارة عن صورة وردة تظهر تحت المكيورسكوب الالكتروني الماسح وهي في الحقيقة عبارة عن تركيب نانوي ثلاثي الأبعاد. قام العلماء بإنتاج مواد جديدة بتقنية النانوتكنولوجي nanotechnology وهذه الوردة عبارة عن silicon carbide و gallium

يمكن تشبيه فكرة عمل جهاز SEM بآلة نسخ المفاتيح. فعندما تطلب نسخة إضافية لمفتاح من صانع المفاتيح فانه يقوم بوضع المفتاح الأصلي في مكان وتقوم الماكينة بتتبع التفاصيل الدقيقة للمفتاح وتضعها على المفتاح الخام لينتج في النهاية نسخة طبق الأصل عن المفتاح الأصلي. لاحظ أن النسخ لا يحدث في نفس اللحظة إنما يتم على شكل تتبع لطرف وتطبيقه على الطرف الأخر. يمكنك الآن أن تتخيل العينة تحت الفحص هي المفتاح الأصلي. يأتي دور جهاز SEM في استخدام شعاع الالكترونات الناتج عن المدفع الالكتروني وتوجيهه للعينة ومسح سطح العينة ليقوم بعمل نسخة طبق الأصل ولكن هنا يظهر لك النسخة على شاشة تلفزيون. وبدلا من إن يقوم الشعاع الالكتروني بمسح سطح العينة في بعد واحد فانه يقوم بمسح ثلاثي الأبعاد لينتج لك صورة ثلاثية الأبعاد بكل التفاصيل من تجاويف وخدوش وشقوق.

عندما يمسح الشعاع الالكتروني سطح العينة فانه يتفاعل مع السطح وينتزع الكترونات من سطح العينة بشكل محدد. هذه الالكترونات المنتزعة يتم كشفها بواسطة الكاشف عن طريق جذب الالكترونات المتشتتة وبالاعتماد على عدد الالكترونات التي تصل للكاشف، فإنها تسجل درجة معينة من مستوى الإضاءة على الشاشة. وباستخدام مجسات إضافية يتم الكشف عن الالكترونات المتشتشة بالانعكاس عن سطح العينة backscattered وكذلك أشعة اكس المنبعثة عن العينة. نقطة بنقطة وسطر بسطر يتم تكوين الصورة عن العينة الأصلية ومن هنا جاء اسم الجهاز بأنه جهاز ميكروسكوب الكتروني ماسح والآن أصبحنا نعرف لماذا أطلق عليه اسم الماسح.

بالطبع لا يمكن أن يقوم جهاز SEM بعمله بدون ان يتم التحكم في حركة الشعاع الالكتروني والذي يتحكم فيه من خلال المجال المغناطيسي باستخدام فرق جهد متغير، للتحكم في تحريك شعاع الالكترونات على العينة. وتقوم ملفات توليد المجال المغناطيسي بإنتاج المجال المغناطيسي اللازم لمسح الشعاع الالكتروني بشكل دقيق ذهابا وإيابا على العينة. وإذا أراد الباحث أن يزيد قوة التكبير فانه يقوم بجعل الشعاع الالكتروني يقوم بالمسح على منطقة اصغر على العينة.

تشغيل الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM
قبل ان يقوم الباحثون بالحصول على الصور من جهاز SEM ولنفترض صور عن بعوضة، فان عليهم ان يجهزوا البعوضة مسبقا لتكون جاهزة كعينة للفحص بالجهاز. لان جهاز SEM لا يشبه الميكروسكوب الضوئي، فهو يعمل في الفراغ ويعتمد على المجالات المغناطيسية فان تحضير العينة قد يكون أمرا معقدا بعض الشيء. يبدأ الباحثون بتنظيف العينة من أي غبار أو عوالق. وبعد أن تتم عملية التنظيف يتم وضع العينة على الحامل الخاص بجهاز SEM إذا كانت العينة موصلة للكهرباء. وفي حالة أن تكون العينة غير موصلة للكهرباء يتم تغطية العينة بمادة موصلة مثل الذهب أو البلاتينيوم من خلال عملية تعرف باسم الطلاء بالانتزاع sputter coating وهي تقنية تستخدم في إنتاج الأغشية الرقيقة. وهذه التقنية تطبق طبقة رقيقة على العينة تجعلها موصلة كهربائيا بالأرضي لتمنع من العينة من ان تصاب بالضرر أثناء الفحص بواسطة الشعاع الالكتروني الموجه عليها.

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح Sem_montage

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح Sem_montage

وحيث ان العينة سوف توضع في الجهاز وسوف تتعرض لضغط منخفض عند سحب الهواء من الجهاز ليعمل في الفراغ فان العينة تخضع لمزيد من التحضير لضمان أن تبقى العينة متماسكة في ظل هذه الظروف الحرجة. فالعينات البيولوجية على سبيل المثال تجفف قبل أن توضع في جهاز SEM. وإذا لم يتم ذلك فان الضغط المنخفض سوف يجعل الماء في العينة يتبخر بسرعة مما يتسبب في إفساد العينة وتغير ملامحها. بعض العينات الأخرى يتم تجميدها قبل الفحص، وهناك عينات يتم معالجتها كيميائيا حتى تتمكن من البقاء متماسكة في عملية التكبير.

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح 799px-Gold_Spider_SEM_sample

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح 799px-Gold_Spider_SEM_sample

صورة توضح عنكبوت جهز كعينة لفحص مغطى بطبقة رقيقة من الذهب

الباحثون مثلهم مثل المصورون لديهم الكثير من أدوات التحكم في الصورة الناتجة. مثل التكبير والتبئير والتباين والوضوح هذه كلها أدوات أساسية للحصول على صور واضحة ويتم التحكم فيها من خلال مفاتيح خاصة على لوحة تحكم الجهاز. وأجهزة SEM الحديثة التي دمج فيها أجهزة الحاسوب لتمكن الباحثون من التحكم في متغيرات الصورة من خلال برامج خاصة جعل من استخدام أجهزة SEM أكثر سهولة من قبل.
وفي النهاية يجب اتخاذ بعض إجراءات الوقاية والسلامة عند تشغيل هذه الأجهزة. فعند عمل هذه الأجهزة فانه ينتج عنها صدور أشعة اكس عندما تصطدم الالكترونات بالعينة وكما نعلم فان أشعة اكس ضارة على الإنسان إلا انه لا يجب عليك القلق من التعرض لأشعة اكس هذه لان العينة تكون معزولة تماما وأشعة اكس المتولدة لا تصل للشخص المشغل للجهاز، وعادة ما يرفق تعليمات خاصة يتوجب إتباعها قبل تشغيل الجهاز وهذه التعليمات تقع ضمن سياسة الوقاية والسلامة المتبعة في المؤسسة وتختلف حسب نوع وموديل جهاز SEM.

وفي نهاية هذا المقال أتمنى أن أكون قد قدمت شرحا مبسطا لفكرة عمل جهاز SEM والذي يستخدمه كل الباحثين في مختلف التخصصات.

أرجو نشر هذا المقال لتعم الفائدة على الجميع مع العلم بان الأجر والثواب ينالك إذا تم النقل بحفظ حقوق الكاتب والمصدر.

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح موجود في : منتديات مملكة الفرات

توقيعجامعة الكل