ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനി

ഇംഗ്ലീഷ് വിലാസം

https://ml.wikipedia.org/wiki/Electron

നിശ്ചിത ഊർജ്ജമുള്ള ഇലക്ട്രോണുകൾ കടത്തിവിട്ട് അതി സൂക്ഷ്മ വസ്തുക്കളുടെ വലിയ ചിത്രം സൃഷ്ടിക്കുന്ന ഉപകരണമാണ് ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനി. സാധാരണ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെ ദൃശ്യപ്രകാശത്തിനു പകരം ഇലക്ട്രോൺ ബീമും ലെൻസുകൾക്കു പകരം വൈദ്യുത കാന്തിക ലെൻസുകളുമാണ് ഈ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിൽ ഉപയോഗിക്കുക. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ തരംഗസ്വഭാവവും ചാർജ്ജുമാണ് ഇവിടെ പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നത്. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ തരംഗദൈർഘ്യം ദൃശ്യപ്രകാശത്തെ അപേക്ഷിച്ച് കുറവായതിനാൽ അതിസൂക്ഷ്മവസ്തുക്കളെ - അറ്റോമിക തലത്തിലുള്ളവയെപ്പോലും - നിരീക്ഷിക്കാൻ ഈ ഉപകരണത്തിലൂടെ സാധ്യമാണ്.നിരീക്ഷിക്കപ്പെടുന്ന വസ്തുവിൽക്കൂടി മറുഭാഗത്തെത്തുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ ഫ്ലൂറസെന്റ് പ്രതലത്തിലോ, ഫോട്ടോഗ്രഫിക് സ്ക്രീനിലോ സിസിഡി ക്യാമറയിലോ പതിപ്പിച്ചാണ് ചിത്രം രൂപപ്പെടുത്തുന്നത്. ജീവശാസ്ത്രത്തിലും ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലും ഈ ഉപകരണം വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

1931 ൽ മാക്സ് നോൾ, ഏണസ്റ്റ് റസ്ക എന്നിവരാണ് ആദ്യത്തെ ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനി നിർമ്മിച്ചത്.

ഒരു സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെടുക്കുന്ന ചിത്രത്തിന്റെ കൃത്യത അതിലുപയോഗിക്കുന്ന തരംഗത്തിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നുവെന്നും ദൃശ്യപ്രകാശം ഉപയോഗിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുന്ന സൂക്ഷ്മദർശിനിയുടെ സാധ്യമായ റിസോൾവിങ് പവർ നൂറുകണക്കിന് നാനോമീറ്ററുകൾ ആകാൻ കാരണം അതാണെന്നും ആദ്യമായി പറഞ്ഞത് ഏണസ്റ്റ് അബീ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ്. അൾട്രാവയലറ്റ് മൈക്രോസ്കോപ്പുകളുടെ ആവിർഭാവത്തോടെ റിസോൾവിങ് പവർ ഇരട്ടിയായി.^[2] പക്ഷേ ഗ്ലാസ് അൾട്രാവയലറ്റ് രശ്മികളെ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതിനാൽ ഇത്തരം സൂക്ഷ്മദർശിനികളുടെ നിർമ്മാണത്തിന് ക്വാർട്സ് ഉപയോഗിക്കേണ്ടി വന്നു. ഈ സാഹചര്യത്തിൽ നാനോമീറ്റർ തലത്തിലുള്ള വസ്തുക്കളെ കാണാൻ അസാധ്യമെന്നു തന്നെ ശാസ്ത്രജ്ഞർ വിശ്വസിച്ചു.^[3]

1858-ൽ തന്നെ ജൂലിയസ് പ്ലക്കർ കാഥോഡ് രശ്മികളെ (ഇലക്ട്രോണുകൾ) കാന്തികക്ഷേത്രം ഉപയോഗിച്ച് വഴിതിരിച്ചുവിടാമെന്ന് കണ്ടെത്തിയിരുന്നു.^[4] 1897-ൽ ഫെർഡിനാന്റ് ബ്രാൻ ഈ തത്ത്വമുപയോഗിച്ച് കാഥോഡ് റേ ട്യൂബുകൾ നിർമ്മിച്ചു.^[5] 1926-ൽ ഹാൻസ് ബഷ് ലെൻസ് നിർമാതാക്കളുടെ സമവാക്യം(Lens Maker's Formula) ചില ചെറിയ തിരുത്തലുകളോടെ ഇലക്ട്രോണുകൾക്കും ബാധകമാണെന്ന് തെളിയിച്ചു.^[6]

1928-ൽ ബെർലിൻ ടെക്നോളജിക്കൽ യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിലെ പ്രൊഫസറായിരുന്ന അഡോൾഫ് മാത്തിയാസ് മാക്സ് നോളിനെ ഒരു മെച്ചപ്പെട്ട സി.ആർ.ഓ യുടെ നിർമ്മാണച്ചുമതലയേല്പിച്ചു.ആ സംഘത്തിൽ ഏണസ്റ്റ് റസ്കയും ഉൾപ്പെട്ടിരുന്നു. അതിന്റെ ഭാഗമായി അവർ കാന്തിക ലെൻസുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ ഒരു പ്രാഥമികരൂപം നിർമിച്ചു. അതേ വർഷം തന്നെ സീമെൻസ് കമ്പനിയുടെ ഡയറക്ടറായിരുന്ന റെയിനോൾഡ് റുഡൻബർഗ്ഗ് സ്ഥിത വൈദ്യുത ലെൻസുകൾ ഉപയോഗിച്ചുപ്രവർത്തിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ പേറ്റന്റ് നേടി^[3][7].

1927-ൽ ലൂയിസ് ഡി ബ്രോഗ്ലി വസ്തുക്കളുടെ ദ്വൈതസ്വഭാവത്തെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം പ്രസിദ്ധപ്പെടുത്തുന്നതുവരെ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ തരംഗസ്വഭാവത്തെക്കുറിച്ചുള്ള അറിവ് അപൂർണമായിരുന്നു^[8].1932-ലാണ് ഈ പഠനം നോളും റസ്കയുമടങ്ങുന്ന സംഘത്തിന്റെ ശ്രദ്ധയിൽപ്പെടുന്നത്. ഈ സിദ്ധാന്തപ്രകാരം ഇലക്ട്രോണുകളുടെ തരംഗദൈർഘ്യം ദൃശ്യപ്രകാശത്തിന്റെതിനെക്കാൾ വളരെക്കുറവാണെന്നും അവ അറ്റോമിക് തലത്തിലുള്ള വസ്തുക്കളെ നിരീക്ഷിക്കാനുപയോഗിക്കാമെന്നും അവർ തിരിച്ചറിഞ്ഞു. 1932 ഏപ്രിലിൽ ചെറിയ ഗ്രിഡുകൾക്കു പകരം വസ്തുക്കളെ ഉള്ളിൽ വച്ച് പരിശോധിക്കാവുന്ന ഒരു ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പ് എന്ന ആശയം റസ്ക മുന്നോട്ടു വച്ചു. ഈ ഉപകരണം ഉപയോഗിച്ച് ഒരു അലുമിനിയം പാളിയുടെ വിഭംഗന ചിത്രവും സാധാരണ ചിത്രവും രൂപപ്പെടുത്തിയെങ്കിലും അവയ്ക്ക് ദൃശ്യപ്രകാശസൂക്ഷ്മദർശിനിയോളം ആവർധനശേഷി മാത്രമേ ഉണ്ടായിരുന്നുള്ളു.1933 സെപ്റ്റംബറിൽ ഒരു പരുത്തി നൂലിന്റെ ചിത്രമെടുത്ത് അവർ ആ പരിമിതി മറികടന്നു^[3].

ഈ കാലഘട്ടത്തിൽ വാഷിങ്ടൺ സ്റ്റേറ്റ് യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിലെ പോൾ ആൻഡേഴ്സൺ, കെന്നത് ഫിറ്റ്സൈമൺസ് എന്നിവരടങ്ങുന്ന സംഘവും^[9] ടൊറന്റോ സർവകലാശാലയിലെ ആൽബർട്ട് പെർബസ് ജയിംസ് ഹില്ലിയർ എന്നിവരടങ്ങിയ സംഘവുമുൾപ്പെടെ നിരവധിപേർ ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പ് എന്ന ആശയത്തിൽ ആകൃഷ്ടരായി.^[10]

ഒരു സൂക്ഷ്മദർശിനിക്ക് സാധ്യമായ കൃത്യത(Resolution),d, അതിലുപയോഗിക്കുന്ന തരംഗത്തിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യത്തെയും ആ സൂക്ഷ്മദർശിനിയുടെ ന്യൂമറിക്കൽ അപേർചറിനെ(NA)യും ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.

${\displaystyle d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}}$

ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ ആദ്യം മുതൽക്കു തന്നെ താരതമ്യേന വലിയ തരംഗദൈർഘ്യം ഉള്ള ദൃശ്യപ്രകാശത്തെക്കാൾ(400 മുതൽ 700 വരെ നാനോമീറ്റർ) കൃത്യത നൽകാൻ വളരെ വലിയ ഊർജ്ജം ഉള്ള (അതായത് വളരെ ചെറിയ തരംഗദൈർഘ്യം) ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് കഴിയും എന്നു ശാസ്ത്രജ്ഞർ കണക്കുകൂട്ടി. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ദ്വൈതസ്വഭാവമനുസരിച്ച് അവയെ ഒരു വിദ്യുത്കാന്തികതരംഗം പോലെ കണക്കാക്കാം. അവയുടെ തരംഗദൈർഘ്യവും ഗതികോർജ്ജവും ഡിബ്രോളി സമവാക്യത്തിലൂടെ ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെ ഇലക്ട്രോണുകൾ പ്രകാശത്തോടടുത്ത വേഗതയിൽ സഞ്ചരിക്കുന്നതിനാൽ വിശിഷ്ട ആപേക്ഷികസിദ്ധാന്തവും ഡിബ്രോളി സമവാക്യവും താഴെക്കാണും വിധം സംയോജിപ്പിക്കാം.^[11]

${\displaystyle \lambda _{e}\approx {\frac {h}{\sqrt {2m_{0}E\left(1+{\frac {E}{2m_{0}c^{2}}}\right)}}}}$

ഇവിടെ h പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കവും m ഇലക്ട്രോണിന്റെ പിണ്ഡവും E ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഊർജ്ജവുമാണ്. സാധാരണ ഗതിയിൽ താപായണിക ഉൽസർജ്ജനം (Thermionic Emission) വഴിയോ വിദ്യുത്-കാന്തിക ക്ഷേത്ര ഉത്സർജ്ജനം(Field Emmission) വഴിയോ ആണ് ഇലക്ട്രോണുകൾ പുറന്തള്ളപ്പെടുന്നത്.^[12] ഇങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് ഒരു വലിയ വോൾട്ടേജിന്റെ സഹായത്താൽ ആവശ്യമായ ത്വരണം നൽകി നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തുവിലൂടെ കടത്തിവിടുന്നു.

ഒരു ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയുടെ ഏറ്റവും മുകളിലാണ് ഇലക്ട്രോൺ സ്രോതസ്സ് അഥവാ ഇലക്ട്രോൺ ഗൺ.സാധാരണ ഗതിയിൽ ഇതൊരു ടങ്സ്റ്റൺ ഫിലമെന്റോ ലാന്തനം ഹെക്സാബോറൈഡ്(LaB₆) സ്രോതസ്സോ ആയിരിക്കും.ഈ സ്രോതസ്സുകളിൽ വളരെ വലിയ വോൾട്ടേജ് കൊടുക്കുമ്പോൾ ( ഏകദേശം~100–300കിലോവോൾട്ട്^[13])അവയിൽനിന്നും പുറത്തുവരുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളാണ് ചിത്രീകരണത്തിനുപയോഗിക്കുന്നത്. ഇലക്ട്രോണുകളെ ഈ ഫിലമെന്റിൽ നിന്നു വേർപെടുത്താൻ ഒരു വെൽനെറ്റ് സിലിണ്ടർ ഉപയോഗിക്കാം.ഇലക്ട്രോണുകൾ ഫിലമെന്റിൽ നിന്നും പുറത്തു വന്ന ശേഷം ഒരു വൈദ്യുത കാന്തിക ലെൻസ് ഉപയോഗിച്ച് ഇലക്ട്രോൺ ബീമിന്റെ വലിപ്പം ക്രമീകരിക്കുന്നു. ഈ ഇലക്ട്രോൺ ബീമാണ് നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തുവിൽ പതിപ്പിക്കുന്നത്.

ഇലക്ട്രോൺ ബീമിന്റെ സവിശേഷതകളാണ് ചിത്രത്തിന്റെ വ്യക്തത നിർണയിക്കുന്നത്. അനുയോജ്യമായ തീവ്രതയുള്ള കാന്തികക്ഷേത്രം ഉപയോഗിച്ചാണ് ബീമിന്റെ സ്വഭാവം മാറ്റുന്നത്.

സാധാരണ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെ കണ്ണാടി ലെൻസുകൾക്കു പകരം ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിൽ വൈദ്യുത കാന്തിക ലെൻസുകളാണ് ഉപയോഗിക്കാറ്. ഇവയ്ക്ക് പ്രധാനമായും രണ്ട് ധർമ്മങ്ങളാണുള്ളത്^[14];

1. സമാന്തരമായി സഞ്ചരിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ ഒരു ബിന്ദുവിലേക്ക് കേന്ദ്രീകരിക്കുക.
2. വസ്തുവിന്റെ ചിത്രം രൂപീകരിക്കുക.

ഒരു വിദ്യുത്കാന്തിക ലെൻസിന്റെ തീവ്രത അതിൽക്കൂടി കടന്നുപോകുന്ന വൈദ്യുതിയുടെ അളവിനെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.ഈ ലെൻസിലെ ചുരുളുകൾ ചതുരാകൃതിയിലോ ഷഡ്ഭുജാകൃതിയിലോ ക്രമീകരിക്കാം.

മൂന്നു തരം ലെൻസുകളാണ് ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിൽ ഉപയോഗിക്കാറ്-കണ്ടൻസർ ലെൻസുകൾ,ഒബ്ജക്ടീവ് ലെൻസുകൾ,പ്രൊജക്ടർ ലെൻസുകൾ. കണ്ടൻസർ ലെൻസുകൾ ആദ്യഘട്ടത്തിലെ ബീം രൂപീകരണത്തിനുപയോഗിക്കുന്നു. ഒബ്ജക്ടീവ് ലെൻസുകൾ വസ്തുവിൽക്കൂടി കടന്നുപോയശേഷം പുറത്തു വരുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുപയോഗിച്ച് ചിത്രം രൂപീകരിക്കാൻ സഹായിക്കുന്നു. തത്ഫലമായുണ്ടാകുന്ന ചിത്രത്തെ ഒരു പ്രതലത്തിൽ (ഉദാ.ഫ്ലൂറസന്റ് സ്ക്രീൻ) പതിപ്പിക്കുന്നത് പ്രൊജക്ടർ ലെൻസുകളുപയോഗിച്ചാണ്.ടി.ഇ.എമ്മിന്റെ ആവർധനശേഷി(മാഗ്നിഫിക്കേഷൻ), വസ്തുവും ഒബ്ജക്ടീവ് ലെൻസിന്റെ ചിത്രം രൂപീകരിക്കപ്പെടുന്ന പ്രതലവും തമ്മിലുള്ള ദൂരത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു^[15] അബിന്ദുകത(അസ്റ്റിഗ്മാറ്റിസം) എന്ന ന്യൂനത പരിഹരിക്കാനുള്ള ലെൻസുകളും ടി.ഇ.എമ്മുകളിലുണ്ട്.

വളരെച്ചെറിയ,10 മുതൽ 100 വരെ മൈക്രോമീറ്റർ വലിപ്പമുള്ള സിങ്ക് സൾഫൈഡ് തരികൾ കൊണ്ട് നിർമ്മിക്കപ്പെട്ട ഫോസ്ഫർ സ്ക്രീൻ ആണ് തത്സമയം ചിത്രം കാണുന്നതിനായുപയോഗിക്കാറ്.ആവശ്യമെങ്കിൽ ഫോട്ടോഗ്രാഫിക് ഫിലിമിലോ യിട്രിയം അലുമിനിയം ഗാർനറ്റ് സംയോജിത സിസിഡി ക്യാമറ യിലോ ചിത്രങ്ങൾ രേഖപ്പെടുത്താവുന്നതാണ്^[13] .

ഒരു ടി.ഇ.എമ്മിലെ പ്രധാന ഭാഗങ്ങൾ ഇലക്ട്രോണുകൾ സഞ്ചരിക്കാനുള്ള വാക്വം സിസ്റ്റം,ഇലക്ട്രോൺ സ്രോതസ്സ്,ഒരു കൂട്ടം വൈദ്യുത കാന്തിക ലെൻസുകൾ,സ്ഥിതവൈദ്യുതപ്രതലങ്ങൾ തുടങ്ങിയവയാണ്.ഇവ കൂടാതെ ചിത്രങ്ങൾ വീക്ഷിക്കാനും രേഖപ്പെടുത്താനുമുള്ള സംവിധാനവും ഉണ്ടാകും.

ഒരു ഇലക്ട്രോൺ മറ്റൊരു ഇലക്ട്രോണുമായി കൂട്ടിമുട്ടുന്നതിനിടയ്ക്കുള്ള ചലനപാതയുടെ ശരാശരി ദൈർഘ്യം(Mean free path) കൂട്ടുന്നതിനായി ടി.ഇ.എമ്മുകളിൽ ഏകദേശം 10^-4 പാസ്കൽ ശൂന്യതയുണ്ടാകും^[16]. ഇതുകൊണ്ട് രണ്ടു ഗുണങ്ങളുണ്ട്:കാഥോഡും ഗ്രൗണ്ടും തമ്മിലുള്ള വോൾട്ടേജ് വ്യത്യാസം കൊണ്ടുണ്ടാകാവുന്ന ആർക്കിനെ പ്രതിരോധിക്കുക,ഇലക്ട്രോണും വായുവിലുള്ള മറ്റു വാതകങ്ങളും തമ്മിലുള്ള കൂട്ടിമുട്ടൽ ഒഴിവാക്കുക എന്നിവയാണവ.നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തു വയ്ക്കേണ്ട ഹോൾഡർ, ഫിലിം കാറ്ററിഡ്ജുകൾ തുടങ്ങിയവ വയ്ക്കുകയും എടുക്കുകയും ചെയ്യുമ്പോൾ ഈ ശൂന്യതയ്ക്ക് കോട്ടം തട്ടാതിരിക്കാനായി ടി ഇ എമ്മുകളിൽ ഒന്നിലധികം വാക്വം പമ്പുകളും എയർ ലോക്ക് സംവിധാനങ്ങളും ഉണ്ടാകും.

ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനിയിലെ വാക്വം സിസ്റ്റത്തിന് പല തലങ്ങളുണ്ട്.റോട്ടറി പമ്പോ ഡയഫ്രം പമ്പോ ഉപയോഗിച്ച് ആദ്യം ഒരു ചെറിയ ശൂന്യത സൃഷ്ടിക്കുന്നു.അതിനു ശേഷം ടർബോമോളിക്കുലാർ പമ്പോ ഡിഫ്യൂഷൻ പമ്പോ ഉപയോഗിച്ച് ടി ഇ എമ്മിന്റെ പ്രവർത്തനത്തിനാവശ്യമായ വലിയ ശൂന്യതയിലെത്തുന്നു. ചെറിയ ശൂന്യത സൃഷ്ടിക്കാനുള്ള പമ്പുകൾ വലിയ ശൂന്യതയുണ്ടാക്കുന്ന പമ്പുകൾ പുറന്തള്ളുന്ന വാതകങ്ങളുടെ ചേമ്പറുമായി യോജിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. ^[17]ഒരു ടി ഇ എമ്മിന്റെ വിവിധ ഭാഗങ്ങളിലെ ശൂന്യതയും ഒരുപോലെയായിരിക്കില്ല.മർദ്ദം നിയന്ത്രിക്കാനുള്ള അപ്പെർച്വറുകൾ വഴി വ്യത്യസ്ത ഭാഗങ്ങളിൽ വ്യത്യസ്ത മർദ്ദം ഉണ്ടാക്കുന്നു.

വളരെ വലിയ വോൾട്ടേജ് ഉപയോഗിക്കുന്ന ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ സൂക്ഷ്മദർശിനികളിൽ കാഥോഡിലെ ഇലക്ട്രിക് ആർക് തടയാനായി 10⁻⁷ മുതൽ 10⁻⁹ പാസ്കൽ വരെ മർദ്ദം അത്യാവശ്യമാണ്^[18].അത്തരം ഉപകരണങ്ങളിൽ മുകളിൽപ്പറഞ്ഞതു കൂടാതെ മൂന്നാമതൊരു വാക്വം പമ്പ് കൂടി ഉണ്ടാകാം.അവയിൽ ഇലക്ട്രോൺ സ്രോതസ്സ് മറ്റുഭാഗങ്ങളിൽ നിന്നും ഗേറ്റ് വാൽവ് ഉപയോഗിച്ചോ ഡിഫറൻഷ്യൽ പമ്പിങ് അപ്പെർച്വർ ഉപയോഗിച്ചോ വേർതിരിക്കുന്നു.ഉയർന്ന ശൂന്യതയിൽ നിന്നും താഴ്ന്ന ശൂന്യതയിലേക്ക് വാതകകണങ്ങൾ കടന്നു പോകുന്നത് തടയുന്ന ഒരു ചെറിയ ദ്വാരമാണ് ഡിഫറൻഷ്യൽ പമ്പിങ് അപ്പെർച്വർ.

ടി.ഇ.എമ്മുകളിലെ ശൂന്യത മോശമായാൽ നിരവധി പ്രശ്നങ്ങൾ ഉണ്ടാവാം. വാതകങ്ങൾ നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തുവിൽ അടിഞ്ഞു കൂടുക,ഇലക്ട്രിക് ആർക് മുഖേന കാഥോഡ് പ്രവർത്തനരഹിതമാകുക എന്നിവയാണ് അവയിൽ ചിലത്.^[18]ഉത്പതനം മൂലം ശൂന്യത മോശമാകാതിരിക്കാൻ അങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന വാതകങ്ങളെ കോൾഡ് ട്രാപ്പ് ഉപയോഗിച്ച് അധിശോഷണം ചെയ്യുന്നു ^[17]

പുറത്തെടുക്കുകയും തിരികെ വയ്ക്കുകയും ചെയ്യുമ്പോൾ സൂക്ഷ്മദർശിനിയുടെ മറ്റു ഭാഗങ്ങളിലെ മർദ്ദത്തിന് വളരെച്ചെറിയ വ്യതിയാനം മാത്രം ഉണ്ടാകത്തക്ക രീതിയിൽ എയർ ലോക്ക് സംവിധാനത്തോടുകൂടിയാണ് ടി.ഇ.എമ്മിന്റെ സ്പെസിമൻ സ്റ്റേജ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്. വസ്തു വയ്ക്കാനുള്ള ഒരു പ്രത്യേക വലിപ്പത്തിലുള്ള വല (grid)അല്ലെങ്കിൽ അതേ വലിപ്പത്തിലുള്ള കട്ടിയുള്ള വസ്തു വയ്ക്കത്തക്ക രീതിയിലാണ് ഇതിന്റെ ഒരറ്റം. സാധാരണ ടി.ഇ.എമ്മിൽ നിരീക്ഷിക്കേണ്ട വസ്തുവിന്റെ വ്യാസം 3.05 മില്ലി മീറ്ററും കട്ടി 100 മൈക്രോമീറ്ററും ആണ്.ചെമ്പ്,മോളിബ്ഡിനം,പ്ലാറ്റിനം,സ്വർണം ഇവയിലേതെങ്കിലും ഒന്നാണ് ഗ്രിഡ് നിർമ്മിക്കാനുപയോഗിക്കാറ്.ഇത് സ്പെസിമൻ സ്റ്റേജിലെ സാമ്പിൾ ഹോൾഡറിലാണ് വയ്ക്കാറ്.പരീക്ഷണത്തിന്റെ സ്വഭാവമനുസരിച്ച് നിരവധി തരം സ്റ്റേജുകളും ഹോൾഡറുകളുമുണ്ട്.അപൂർവ്വം ചില സന്ദർഭങ്ങളിൽ 3.05 മില്ലിമീറ്റർ ഗ്രിഡിനു പകരം 2.3 മില്ലിമീറ്റർ ഗ്രിഡും ഉപയോഗിക്കാറുണ്ട്.നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തുവിന്റെ കട്ടി 100 മൈക്രോമീറ്ററാണ്. ഉപയോഗിക്കുന്ന വോൾട്ടേജിനനുസരിച്ച് ഇതിനു മാറ്റം വരാം.

ആവശ്യമെങ്കിൽ സ്പെസിമൻ സ്റ്റേജ് നീക്കി വസ്തുവിന്റെ ഒരു പ്രത്യേക ഭാഗം മാത്രം നിരീക്ഷിക്കാൻ സാധ്യമായ രീതിയിലായിരിക്കണം അതിന്റെ ഘടന. ഹോൾഡർ ത്രിമാനതലത്തിൽ (X,Y,Z അക്ഷങ്ങളിൽ) നീക്കാനും ആവശ്യമായ അളവിൽ കറക്കാനുമുള്ള സംവിധാനവുമുണ്ടാവും. ഏറ്റവും പുതിയ തരം സൂക്ഷ്മദർശിനികളിൽ തിരശ്ചീന- ലംബ ദിശകളിലുള്ള കറക്കം സാധ്യമാണ്. വലിയ മാഗ്നിഫിക്കേഷനിലേക്ക് പോകുമ്പോൾ നാനോമീറ്റർ തലത്തിലുള്ള വ്യതിയാനങ്ങൾ പോലും ചിത്രീകരണത്തെ ബാധിക്കാം. ഇതിനെ പ്രതിരോധിക്കാനുള്ള സംവിധാനവുമുണ്ടാകണം^[19].

സ്റ്റേജുകൾ പ്രധാനമായും രണ്ടു തരത്തിലുണ്ട് - ഒരു വശത്തുകൂടി വയ്ക്കാവുന്നവയും മുകളിൽക്കൂടി വയ്ക്കാവുന്നവയും^[13].രണ്ടായാലും ഇലക്ട്രോൺ തരംഗത്തിന്റെ സ്വഭാവത്തെ ബാധിക്കാത്ത രീതിയിൽ ശൂന്യത നിലനിർത്തിക്കൊണ്ട് പ്രവർത്തിക്കുന്ന രീതിയിലായിരിക്കണം.

ഒരു വശത്തുകൂടി അകത്തുവയ്ക്കുന്ന ഹോൾഡറുകൾക്കാണ് കൂടുതൽ പ്രചാരം.ഇതിൽ ഒരു നീണ്ട സ്റ്റീൽ വടിയും അതിന്റെ അറ്റത്ത് വസ്തു അല്ലെങ്കിൽ ഗ്രിഡ് വയ്ക്കാനുള്ള സംവിധാനവും ഉണ്ടാകും.വടിയിൽ പോളിമർ കൊണ്ടുണ്ടാക്കിയ ശൂന്യത നിലനിർത്താനുള്ള വാക്വം വളയങ്ങൾ ഉണ്ട്.ഈ സ്റ്റേജ് അകത്തു കടത്തിക്കഴിഞ്ഞാൽ നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തു ഒബ്ജക്ടീവ് ലെൻസിന്റെ സമീപത്ത് എത്തുന്ന രീതിയിലാണ് ഇതിന്റെ ഘടന. ശരിയായി കടത്തിക്കഴിഞ്ഞാൽ വാക്വം റിങ്ങിന്റെ സഹായത്തോടെ സ്റ്റേജിന്റെ ഒരറ്റം ശൂന്യതയിലും മറ്റേ അറ്റം അന്തരീക്ഷമർദ്ദത്തിലും നിലനിർത്തും.

ഒരു ഇലക്ട്രോൺ തോക്കിന് നിരവധി ഭാഗങ്ങളുണ്ട് :ഫിലമെന്റ്, വോൾട്ടേജ് കൊടുക്കാനുള്ള സർക്യൂട്ട്,വെൽനറ്റ് തൊപ്പി(Wehnelt cap),ആനോഡ് എന്നിവയാണ് അവയിൽ പ്രധാനം. ഫിലമെന്റ് ബാറ്ററിയുടെ നെഗറ്റീവ് ടെർമിനലുമായി യോജിപ്പിക്കുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോണുകൾ പുറത്തേക്ക് പമ്പ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു.ഇവ ആനോഡിൽക്കൂടി ടി.ഇ.എം കുഴലിൽ പ്രവേശിക്കുന്നു. വെൽനറ്റ് സിലിണ്ടറിന് ഫിലമെന്റിനെക്കാൾ വലിയ നെഗറ്റീവ് ചാർജ്ജാണുള്ളത്. അതുപയോഗിച്ച് ഫിലമെന്റിൽ നിന്നും പല ദിശകളിലേക്ക് പുറപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ ഒരു ബിന്ദുവിലേക്ക് (ഗൺ ക്രോസ് ഓവർ) കൊണ്ടുവരാൻ സാധിക്കും.

താപായണിക ഉത്സർജ്ജനത്തിലൂടെ പുറത്തെത്തുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സാന്ദ്രത ,J വസ്തുവിന്റെ വർക്ക് ഫങ്ഷനു(Φ)മായി ബോൾട്സ്മാൻ ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ അനുസരിച്ച് താഴെക്കാണുന്ന സമവാക്യപ്രകാരം ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു.ഇവിടെ A ഒരു സ്ഥിരാങ്കവും T വസ്തുവിന്റെ ഊഷ്മാവുമാണ്.^[13]

${\displaystyle J=AT^{2}\exp \left(-{\frac {\Phi }{kT}}\right)}$

ഈ സമവാക്യപ്രകാരം കൂടുതൽ ഇലക്ട്രോൺ പ്രവാഹം ലഭിക്കാനായി ഫിലമെന്റ് നന്നായി ചൂടാക്കണം. അതുകൊണ്ടു തന്നെ വളരെ ഉയർന്ന ദ്രവണാങ്കമുള്ള ടങ്സ്റ്റൺ അല്ലെങ്കിൽ താഴ്ന്ന വർക്ക് ഫങ്ഷനുള്ള LaB₆ തുടങ്ങിയ പദാർത്ഥങ്ങൾ ആണ് ഫിലമെന്റ് നിർമ്മിക്കാനുപയോഗിക്കുക. ^[20]

ഒരു പ്രത്യേക ഫോക്കസ് ദൂരത്തിലുള്ള ഒരു ബിന്ദുവിലേക്ക് സമാന്തര രശ്മികളെ കേന്ദ്രീകരിക്കാനാണ് ഇലക്ട്രോൺ ലെൻസുകൾ ഉപയോഗിക്കാറ്.ലെൻസുകൾ സ്ഥിതവൈദ്യുത ലെൻസുകളോ കാന്തിക ലെൻസുകളോ ആകാം.സാധാരണയായി ടി.ഇ.എമ്മുകളിൽ വൈദ്യുത കാന്തിക ചുരുളുകൾ ഉപയോഗിച്ചാണ് കോൺവെക്സ് ലെൻസുകൾ ഉണ്ടാക്കാറ്. അസ്റ്റിഗ്മാറ്റിസം,സ്ഫെറിക്കൽ അബെറേഷൻ, ക്രൊമാറ്റിക് അബറേഷൻ എന്നീ ന്യൂനതകൾ ഒഴിവാക്കാനായി ഈ ലെൻസുകൾക്ക് സമമിതി ഉണ്ടാകേണ്ടതാവശ്യമാണ്.ഇലക്ട്രോൺ ലെൻസുകൾ നിർമ്മിക്കാൻ ഇരുമ്പ്, ഇരുമ്പ്-കൊബാൾട്ട് അല്ലെങ്കിൽ നിക്കൽ-കൊബാൾട്ട് അയിരുകൾ ഇവയാണുപയോഗിക്കാറ്(ഉദാ.പെർമലോയ്).^[21]

ഒരു യോക്ക്, കമ്പിച്ചുരുളുകൾ, ധ്രുവങ്ങൾ,പോൾ പീസുകൾ,ഇവയുടെ പ്രവർത്തനത്തിനു സഹായിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണിക് സർക്യൂട്ട് എന്നിവയാണ് ഇലക്ട്രോൺ ലെൻസിന്റെ പ്രധാനഭാഗങ്ങൾ.പോൾ പീസുകളുടെ സമമിതി പ്രധാനമാണ്.അതാണ് ഉണ്ടാകുന്ന കാന്തികക്ഷേത്രത്തിന്റെ സ്വഭാവം നിർണയിക്കുന്നത്. പോൾ പീസുകൾ നിർമ്മിക്കുമ്പോളുണ്ടാകുന്ന ചെറിയ ന്യൂനതകൾ പോലും ചിത്രം രൂപീകരിക്കാനുള്ള ലെൻസിന്റെ കഴിവിനെ ബാധിക്കും.^[21]

കാന്തികക്ഷേത്രം ഉണ്ടാക്കുന്ന കമ്പിച്ചുരുളുകൾ ലെൻസിന്റെ യോക്കിനുള്ളിലാണുണ്ടാവുക.വളരെ വലിയ വോൾട്ടേജുപയോഗിച്ചാണ് ചുരുളുകളിൽ വൈദ്യുത പ്രവാഹമുണ്ടാക്കുക.അതുകൊണ്ട് ഈ ചുരുളുകൾക്ക് നല്ല ഇൻസുലേഷൻ ആവശ്യമാണ്. പ്രതിരോധം മൂലം ചുരുളുകൾ ചൂടായേക്കാം. അങ്ങനെയുണ്ടാവുന്ന ചൂടകറ്റാനുള്ള സംവിധാനവും വേണം.ഇതിന് തണുപ്പിച്ച വെള്ളം ഉപയോഗിക്കാം.

നടുവിൽ ദ്വാരമുള്ള ലോഹ പ്ലേറ്റുകളാണ് ഇലക്ട്രോൺ അപെർച്വറുകൾ.ഇതിൽക്കൂടി കടന്നു പോകുമ്പോൾ ഒപ്റ്റിക് അക്ഷത്തിൽ നിന്നും ഒരു പ്രത്യേക ദൂരത്തിലധികമുള്ള ഇലക്ട്രോണുകൾ തടയപ്പെടുന്നു. ഇതു കാരണം ബീമിന്റെ തീവ്രത കുറയുന്നു. ബീം കാരണം വസ്തുവിനുണ്ടാവുന്ന് നാശം കുറയുന്നു.വളരെ വലിയ കോണുകളിലേക്ക് ചിതറിപ്പോകുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ തടയുന്നതു വഴി സ്ഫെറിക്കൽ അബെറേഷൻ,ക്രൊമാറ്റിക് അബെറേഷൻ എന്നിവ നിയന്ത്രിക്കപ്പെടുന്നു^[22].

അപ്പെർച്വറുകൾ ചലിപ്പിക്കാവുന്നതോ അല്ലാത്തതോ ആവാം.ചലിപ്പിക്കാവുന്ന അപ്പെർച്വറുകൾ ആവശ്യാനുസരണം ഇലക്ട്രോൺ പാതയിലേക്ക് വയ്ക്കുകയും എടുക്കുകയും, അതിനു ലംബദിശയിൽ ചലിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യാം. പലതരം അപ്പെർച്വറുകളെ അപ്പെർച്വർ അസംബ്ലി വഴി തിരഞ്ഞെടുക്കാം.

നിരീക്ഷിക്കപ്പെടേണ്ട വസ്തുവിൽ നിന്നു പുറത്തെത്തുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളാണ് ചിത്രീകരണത്തിനുപയോഗിക്കുക.പ്രൊജക്ടർ ലെൻസുകളാണ് ചിത്രത്തെ സ്ക്രീനിലേക്ക് പതിപ്പിക്കുന്നത്. ചിത്രത്തിന്റെ തീവ്രത,I,ഏകദേശം ഇലക്ട്രോൺ വേവ് ഫങ്ഷന്റെ(Ψ) ആവൃത്തിയുടെ time average നു തുല്യമായിരിക്കും.^[23]

${\displaystyle I(x)={\frac {k}{t_{1}-t_{0}}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}\Psi \Psi ^{\mathrm {*} }\,dt}$

ഇലക്ട്രോൺ തരംഗം വസ്തുവിൽക്കൂടി കടന്ന് പുറത്തെത്തുമ്പോൾ അതിന്റെ ഏതു സ്വഭാവത്തിനുണ്ടായ മാറ്റമാണ് ചിത്രീകരണത്തിനുപയോഗിക്കുന്നത് എന്നതിനനുസരിച്ച് വിവിധ ചിത്രീകരണ രീതികൾ നിലവിലുണ്ട്. മുകളിലെ സമവാക്യപ്രകാരം,വസ്തുവിന്റെ ചിത്രം തരംഗത്തിന്റെ ആവൃത്തി,ഫേസ് എന്നിവയ്ക്കുണ്ടാകുന്ന മാറ്റത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.ഫേസിനുണ്ടാകുന്ന മാറ്റം ഉയർന്ന മാഗ്നിഫിക്കേഷനുകളിൽ മാത്രമേ നാം പരിഗണിക്കാറുള്ളു.കൂടുതൽ കൃത്യതയുള്ള ചിത്രങ്ങൾ രൂപപ്പെടുത്താൻ വളരെ നേർത്ത സാമ്പിളുകൾ ആവശ്യമാണ്. അത്തരം സാമ്പിളുകൾ ഇലക്ട്രോൺ തരംഗത്തിന്റെ ആവർത്തിക്കു മാറ്റം വരുത്താതെ ഫേസിനു മാത്രം മാറ്റം വരുത്തുന്നു^[23] .

ടി.ഇ.എമ്മിൽ കോണ്‌ട്രാസ്റ്റ് ഉണ്ടാകുന്നത് അത് ഏത് രീതിയിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്നു എന്നതിനനുസരിച്ചാണ്.ടി ഇ എമ്മിന്റെ പ്രധാന പ്രവർത്തനരീതികൾ താഴെപ്പറയുന്നവയാണ്.

ബ്രൈറ്റ് ഫീൽഡ് ചിത്രീകരണ രീതിയാണ് ടി.ഇ.എമ്മിൽ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കാറ്.നിരീക്ഷിക്കപ്പെടുന്ന വസ്തുവിന്റെ കട്ടിക്കുള്ള വ്യതിയാനം അനുസരിച്ച് ഇലക്ട്രോൺ ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്ന തോത് വ്യത്യാസപ്പെട്ടിരിക്കും. അങ്ങനെ ചിത്രത്തിൽ കോണ്ട്രാസ്റ്റ് ഉണ്ടാകുന്നു. കൂടുതൽ കട്ടിയുള്ള ഭാഗം അഥവാ കൂടിയ അറ്റോമിക സംഖ്യ ഉള്ള ഭാഗം ഇരുണ്ടും കട്ടി കുറഞ്ഞ അഥവാ കുറഞ്ഞ അറ്റോമിക സംഖ്യ ഉള്ള ഭാഗം തെളിഞ്ഞും കാണാം.ഇത് ത്രിമാന തലത്തിലുള്ള വസ്തുവിന്റെ ഒപ്റ്റിക് അക്ഷത്തിൽക്കൂടിയുള്ള ദ്വിമാന പ്രൊജക്ഷനു സമാനമാണ്. ഇത് ലാംബർട്ട് ബിയർ നിയമം അനുസരിച്ച് വിശദീകരിക്കാം^[24].എന്നാൽ ഇലക്ട്രോണിനെ ഫേസിനുണ്ടാകുന്ന മാറ്റം കൂടി പരിഗണിച്ചാൽ വിശദീകരണത്തിന് കൂടുതൽ സങ്കീർണമായ നിയമങ്ങൾ വേണ്ടി വരും^[23].

ഇലക്ട്രോണുകൾ ബ്രാഗ് നിയമം അനുസരിക്കുന്നതാണ് ഡിഫ്രാക്ഷൻ കോൺട്രാസ്റ്റിനു കാരണം. പരൽ ഘടനയുള്ള വസ്തുവിൽക്കൂടി കടന്നു പോകുമ്പോൾ ബ്രാഗ് വിസരണത്തിനു വിധേയമാകുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒബ്ജക്ടീവ് ലെൻസിന്റെ ബാക്ക് ഫോക്കൽ പ്രതലത്തിൽ ബിന്ദുക്കൾ രൂപീകരിക്കുന്നു. ബാക്ക് ഫോക്കൽ പ്രതലത്തിൽ ഒരു അപ്പെർച്വർ വച്ച് ആവശ്യമുള്ള ബിന്ദുക്കളെ മാത്രം തിരഞ്ഞെടുത്ത്(അല്ലെങ്കിൽ ഒഴിവാക്കി) വസ്തുവിന്റെ ഏതു ഭാഗത്തിനാണ് പരൽ ഘടനയുള്ളതെന്നു മനസ്സിലാക്കാം.

സാധാരണഗതിയിലുള്ള ചിത്രീകരണത്തിന് വസ്തുവിൽക്കൂടി ഊർജ്ജനഷ്ടം ഇല്ലാതെ കടന്നുപോകുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾ ആണ് ഉപയോഗിക്കാറ്. ആറ്റങ്ങളുമായുള്ള കൂട്ടിമുട്ടലുകൾ വഴി ഊർജ്ജനഷ്ടം സംഭവിച്ച ഇലക്ട്രോണുകൾ കാന്തിക പ്രിസം ഉപയോഗിച്ച് അരിച്ചു മാറ്റുകയാണ് ചെയ്യാറ്. ഏന്നാൽ ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് ഉണ്ടാകുന്ന ഊർജ്ജനഷ്ടം ആ വസ്തുവിലെ ആറ്റങ്ങളുടെ ബന്ധനോർജ്ജവുമായി നേരിട്ട് ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നതിനാൽ വസ്തുവിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന ആറ്റങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള അറിവ് നൽകാൻ ഈ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉപയോഗിക്കാം. ഇത് ചെറിയ അറ്റോമികസംഘ്യ ഉള്ള മൂലകങ്ങളുടെ സാന്നിധ്യം കണ്ടെത്താൻ വളരെ പ്രയോജനപ്രദമാണ്. ഇത്തരത്തിലുള്ള സൂക്ഷ്മദർശിനികൾ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ഊർജ്ജ നഷ്ടവും ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണവും തമ്മിലുള്ള ഒരു സ്പെൿട്രം, അഥവാ ഇലക്ട്രോൺ എനർജി ലോസ് സ്പെക്ട്രം തരുന്നു. ഈ സ്പെക്ട്രത്തെ ചിത്രമാക്കി മാറ്റുകയും ചെയ്യാം.

വളരെ ഉയർന്ന റെസല്യൂഷനിലുള്ള ചിത്രങ്ങളെടുക്കുന്നത് ഫേസ് കോണ്ട്രാസ്റ്റ് ഉപയോഗിച്ചാണ്. ഫീൽഡ് എമിഷൻ സ്രോതസ്സ് ഉപയോഗിച്ച് ഘനവ്യത്യാസമില്ലാത്ത സ്പെസിമെനുകളുടെ ചിത്രമെടുക്കുമ്പോൾ ചിത്രം രൂപപ്പെടുന്നത് വസ്തുവുമായി സമ്പർക്കത്തിലേർപ്പെടുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഫേസിലുണ്ടാവുന്ന വ്യത്യാസം മൂലമാണ്. ചിത്രങ്ങളുടെ കൃത്യത സമ്പർക്കത്തിലേർപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണത്തെ മാത്രമല്ല ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നത് എന്നതിനാൽ ഫേസ് കോണ്ട്രാസ്റ്റ് ചിത്രങ്ങളുടെ വിശദീകരണം വളരെ വിഷമം പിടിച്ചതാണ്.

ഭൗതികശാസ്ത്രവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഈ ലേഖനം അപൂർണ്ണമാണ്‌. ഇതു വികസിപ്പിക്കുവാൻ സഹായിക്കുക. സഹായത്തിനു ഈ ലേഖനത്തിന്റെ ഇംഗ്ലീഷ് പതിപ്പ്.