Acquisizione di micrografie elettroniche migliori

I microscopi elettronici a trasmissione (Transmission electron microscope, TEM) producono immagini con risoluzione estremamente elevata per l'analisi di campioni. La sfida è acquisire tali immagini sulla pellicola senza sacrificare il livello di dettaglio. Proprio gli elementi che rendono possibile tale livello di dettaglio, gli elettroni, contribuiscono alle difficoltà inerenti alla micrografia elettronica.

Tuttavia, utilizzando gli elettroni efficacemente, è possibile ottimizzare la qualità d'immagine, rendendo massima la densità, migliorando il contrasto e riducendo il rumore.

Il segreto è utilizzare più elettroni: in altri termini aumentare il tasso di campionamento.

Prolungamento del tempo di esposizione                           Riduzione dell'ingrandimento
 Regolazione dell'esposizione e dello sviluppo         Cause del rumore delle micrografie elettroniche 

Prolungamento del tempo di esposizione

Il metodo più semplice per utilizzare un maggior numero di elettroni per migliorare la qualità d'immagine è aumentare il tempo di esposizione, come mostrato nella Figura 2. Applicando questo metodo si ottiene un evidente aumento della densità e del contrasto. Inoltre, migliora anche il rapporto segnale-rumore: il segnale d'immagine aumenta in modo direttamente proporzionale all'esposizione (numero di elettroni assorbiti), mentre la struttura del rumore aumenta meno rapidamente secondo la radice quadrata dell'esposizione. Naturalmente, è possibile aumentare la densità e il contrasto anche aumentando l'attività di sviluppo (ad es. aumentando il tempo di sviluppo), tuttavia in questo modo il segnale e il rumore aumentano in modo proporzionale, determinando un rapporto segnale-rumore meno favorevole rispetto a quello ottenuto aumentando il tempo di esposizione.

Figura 2: se le condizioni del campione e dello strumento lo permettono, l'aumento dell'esposizione aumenta la densità del negativo e migliora il contrasto d'immagine e il rapporto segnale-rumore.

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Riduzione dell'ingrandimento

A causa della loro instabilità o di altre considerazioni, alcuni campioni non sono in grado di tollerare lunghi tempi di esposizione. In questi casi, ridurre l'ingrandimento degli strumenti produce una migliore qualità d'immagine. Se necessario, è possibile ottenere fotograficamente l'ingrandimento, o tramite una lente d'ingrandimento o tramite un ingrandimento fotografico.

Figura 3: riduzione dell'ingrandimento dello strumento e compensazione con una perdita ridotta nei dettagli fini (3C rispetto a 3A). I risultati sono comparabili rispetto a una micrografia realizzata con un ingrandimento totale minore (3B).

La riduzione dell'ingrandimento, lasciando inalterate tutte le altre condizioni, permette di aumentare il rapporto di elettroni che colpiscono la pellicola/area di emulsione senza modificare il numero di elettroni che attraversano il campione. Come mostrato nella Figura 3, la micrografia che ne deriva risulta più densa e con un contrasto più elevato (3B rispetto a 3A). L'ingrandimento che viene sacrificato può essere riottenuto tramite un ingrandimento ottico equivalente (come mostrato nella Figura 3C). Tuttavia, il ripristino delle dimensioni dell'immagine può portare a un aumento della granularità della stampa, dovuto al maggiore ingrandimento ottico.

Il miglioramento rispetto alla granularità della stampa risulta evidente nel caso d'ingrandimento minore con il quale il tasso di campionamento aumenta (3B rispetto a 3A). La micrografia 3C non contiene maggiori informazioni rispetto alla micrografia 3A; l'aumento della densità e del contrasto è stato ottenuto senza aumentare l'esposizione, un fattore importante in situazioni che richiedono un'esposizione limitata.

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Regolazione dell'esposizione e dello sviluppo

In gran parte è la stabilità del campione che determina se la pellicola può raccogliere un numero elevato o un numero relativamente basso di elettroni. La Pellicola Electron Image SO-163 funziona in modo efficace su una vasta gamma di esposizioni agli elettroni e risponde alle condizioni di sviluppo di compensazione che assicurano micrografie di densità di stampa comparabile. Grazie a tale versatilità, la Pellicola Electron Image SO-163 può essere impiegata utilmente sia con campioni stabili sia con campioni instabili.

Figura 4: impostando le condizioni di esposizione compensativa e di sviluppo, è possibile regolare le caratteristiche di rapidità e rapporto segnale-rumore delle Electron Image Film in modo tale da adattarle alle condizioni di stabilità del campione. Tali condizioni fungono da punto di partenza.

Nella Figura 4, la corrente del fascio risulta più bassa (meno elettroni) in 4A, intermedia in 4B e più alta (più elettroni) in 4C. Nello stesso ordine, sono stati ridotti il tempo di sviluppo e l'attività del rivelatore per compensare l'aumento del numero di elettroni raccolti. Infatti, il contributo per elettrone in termini di densità, necessario per produrre una determinata densità, è modificato nel trattamento per tenere conto del numero di elettroni assorbiti. L'obiettivo, ancora una volta, è utilizzare un numero maggiore di elettroni. Raccogliere il massimo numero di elettroni consentito dalla stabilità del campione e regolare le condizioni di sviluppo per ottenere la densità e il contrasto desiderati.

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Cause del rumore delle micrografie elettroniche

I processi impiegati dalla micrografia elettronica e dalla fotografia ordinaria sono simili sotto molti aspetti. Entrambi prevedono l'esposizione del materiale fotografico, il trattamento di questo materiale per ottenere un'immagine negativa e la stampa da negativo generando una stampa positiva ingrandita. La differenza principale consiste nell'esposizione alla radiazione costituita da elettroni per la micrografia elettronica e alla luce per la fotografia convenzionale. Questa differenza costituisce un fattore fondamentale nel caso di impiego di TEM e di tecniche fotografiche, in quanto gli elettroni interagiscono con le emulsioni fotografiche in modo decisamente diverso dai fotoni. Le fluttuazioni casuali degli elettroni del fascio sono un fatto normale. Tali fluttuazioni causano un caratteristico aspetto granuloso sul negativo fotografico trattato. La struttura granulare (rumore) risulta più evidente nelle zone in cui l'esposizione agli elettroni è stata uniforme (Figura 5A) e non è dovuta alla grana fotografica intrinseca dell'emulsione (Figura 5B) né rappresenta necessariamente un'indicazione di instabilità dello strumento.

Inoltre, ciascun elettrone incidente è in grado di interagire con una serie di grani di alogenuri d'argento lungo il proprio percorso irregolare attraverso l'emulsione, il che li rende sviluppabili. Pertanto, gli elettroni contribuiscono, in modo efficiente alla densità d'immagine. Tuttavia, pur associata alle fluttuazioni caratteristiche del fascio, tale efficienza contribuisce alla formazione della struttura granulare che percepiamo come rumore dell'immagine.

D'altro canto, quando la radiazione di esposizione è la luce, è necessaria l'interazione di una serie di fotoni con ciascun grano di alogenuro d'argento per renderlo sviluppabile. Questa condizione è dovuta al livello di energia dei fotoni (da 2 a 3 elettronvolt nel caso di radiazione visibile), che è molto inferiore a quello degli elettroni di un TEM tipico (da 50.000 a 100.000 elettronvolt). Con l'esposizione ai fotoni, la trasmittanza di un campione viene campionata con un tasso che è un ordine di grandezza superiore a quello dell'esposizione agli elettroni. Di conseguenza, la granularità con esposizione ai fotoni viene ridotta al livello della granularità intrinseca dell'emulsione.

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