Prendre de meilleures micrographies électroniques

Les microscopes électroniques en transmission (MET) fournissent des images de très haute résolution pour l’analyse des échantillons. Le défi consiste à reproduire ces images sur un film sans compromettre la qualité des détails. Les électrons, qui rendent possible ce niveau de détail, contribuent aux difficultés inhérentes à la micrographie électronique.

En utilisant toutefois les électrons de manière efficace, il est possible d’optimiser la qualité de l’image en optimisant la densité, en améliorant le contraste et en réduisant le bruit.

La solution consiste à utiliser davantage d’électrons, c’est-à-dire à accroître la fréquence d’échantillonnage.

Augmentation du temps d’exposition                           Réduction du grossissement
 Réglage de l’exposition et du développement         Causes du bruit de la micrographie électronique 

Augmentation du temps d’exposition

La façon la plus simple d’utiliser plus d’électrons pour améliorer la qualité de l’image consiste à augmenter le temps d’exposition, comme le montre la Figure 2. On observe ici les avantages évidents de l’augmentation de la densité et du contraste. Le rapport signal sur bruit est par ailleurs amélioré : le signal de l’image augmente de façon linéaire avec l’exposition (le nombre d’électrons absorbés), tandis que la structure du bruit augmente moins rapidement que la racine carrée de l’exposition. Bien entendu, il est également possible d’accroître la densité et le contraste en augmentant l’activité de développement (c.-à-d. en augmentant la durée du développement), mais le signal et le bruit augmentent alors de façon proportionnelle, entraînant ainsi un rapport signal sur bruit moins favorable qu’en augmentant le temps d’exposition.

Figure 2 : si l’échantillon et les conditions instrumentales le permettent, l’augmentation de l’exposition augmente la densité négative, optimise le contraste de l’image et améliore le rapport signal sur bruit.

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Réduction du grossissement

De par leur instabilité ou pour d’autres raisons, certains échantillons ne tolèrent pas de longs temps d’exposition. Le cas échéant, la réduction du grossissement instrumental produit une meilleure qualité d’image. Au besoin, le grossissement peut être compensé par des moyens photographiques, avec une loupe ou un agrandissement de l’image.

Figure 3 : réduction du grossissement instrumental et compensation avec peu de pertes dans le détail fin (3C par rapport à 3A). Les résultats sont comparables à ceux d’une micrographie enregistrée avec un grossissement total inférieur (3B).

Réduire le grossissement sans modifier les autres conditions permet à plus d’électrons de venir heurter une unité de la surface d’émulsion sur le film sans modifier le nombre d’électrons qui passent au travers de l’échantillon. Comme illustré à la Figure 3, la micrographie qui en résulte est plus dense et offre un meilleur contraste (3B par rapport à 3A). Le grossissement sacrifié peut ensuite être compensé par un grossissement optique proportionnel (comme illustré à l’image 3C). Cette restauration de la taille de l’image par grossissement optique peut toutefois s’accompagner d’une augmentation du grain.

L’amélioration du grain est évidente lorsque le grossissement est inférieur et la fréquence d’échantillonnage augmentée (3B par rapport à 3A). Il y a plus d’informations dans l’image 3C que dans l’image 3A, mais l’on a obtenu une densité supérieure et un meilleur contraste sans augmentation de l’exposition, ce qui est un facteur important dans les situations ou le temps d’exposition doit être limité.

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Réglage de l’exposition et du développement

C’est en grande partie la stabilité de l’échantillon qui détermine la quantité d’électrons qui vont s’imprimer sur le film. Le film SO-163 pour microscopie électronique fonctionne efficacement sur toute une fourchette d’expositions et répond correctement aux conditions de développement de compensation qui donneront des micrographies d’une densité d’impression comparable. De par sa polyvalence, le film SO-163 pour microscopie électronique peut être utilisé tant pour les échantillons stables que pour les échantillons instables.

Figure 4 : les paramètres de vitesse et de signal sur bruit des plaques de microscopie électronique peuvent être adaptés aux conditions de stabilité des échantillons, en sélectionnant l’exposition compensatoire et les conditions de développement. Ces conditions servent de point de départ.

À la Figure 4, le courant de faisceau est minimum à l’image 4A (moins d’électrons), intermédiaire à l’image 4B et maximum (plus d’électrons) à l’image 4C. Dans le même ordre, la durée du développement et l’activité du révélateur ont été réduites pour compenser le nombre croissant d’électrons collectés. En effet, la contribution de densité par électron nécessaire à la production d’une densité donnée est modifiée lors du traitement afin de correspondre au nombre d’électrons absorbés. Une fois encore, l’objectif ici est d’utiliser plus d’électrons. Pour obtenir la densité et le contraste souhaités, il faut collecter autant d’électrons que le permet la stabilité de l’échantillon et ajuster les conditions de développement.

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Causes du bruit de la micrographie électronique

Les processus utilisés dans la micrographie électronique et la photographie ordinaire sont similaires sous bien des aspects. Les deux consistent à exposer un matériel photographique, à traiter ce matériau pour en faire une image négative et à imprimer le négatif obtenu sur une épreuve positive agrandie. La principale différence réside dans l’exposition d’électrons, pour la micrographie électronique, et de lumière, pour la photographie conventionnelle. Cette différence est un facteur critique lors d’applications techniques MET ou photographiques, parce que les électrons interagissent avec les émulsions photographiques d’une manière complètement différente des photons. Les fluctuations aléatoires d’électrons dans un faisceau sont normales. Ce sont ces fluctuations qui donnent le grain sur les négatifs photographiques traités. Cette structure granulaire (le bruit) s’observe plus facilement dans les zones d’exposition aux électrons uniformes (Figure 5A), et n’est pas due au grain photographique inhérent à l’émulsion (Figure 5B) ni n’indique pas nécessairement une instabilité instrumentale.

Par ailleurs, chaque électron peut interagir avec un certain nombre de grains d’halogénure d’argent le long de sa trajectoire irrégulière au travers de l’émulsion, rendant ainsi ces grains sensibles au développement. Les électrons contribuent donc efficacement à la densité de l’image. Cependant, combinée avec les fluctuations caractéristiques dans le faisceau, cette capacité contribue à la structure granulaire que nous reconnaissons comme le bruit de l’image.

D’un autre côté, lorsque l’agent d’exposition est la lumière, un certain nombre de photons doivent interagir avec chaque grain d’halogénure d’argent pour qu’il soit sensible au développement. Cela s’explique principalement par le niveau d’énergie des photons (2 à 3 électrons-volts pour la radiation visible), qui est considérablement inférieur à celui des électrons dans une micrographie électronique (50 000 à 100 000 électrons-volts). Avec l’exposition de photons, le facteur de transmission est échantillonné à une fréquence considérablement supérieure qu’avec l’exposition d’électrons. En conséquence, le grain, avec l’exposition de photons, est réduit au niveau de l’émulsion elle-même.

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