จุลทรรศนศาสตร์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านพื้นฐานสำหรับโลหะวิทยาและวัสดุศาสตร์

1. บทที่ 1
ทัศนศาสตร์ เบืองต้ นในกล้องจุลทรรศน์ อเิ ล็กตรอนแบบส่ องผ่ าน
้
1
รู ปที่ 1.1 เปรี ยบเทียบหลักการสร้างภาพของกล้องจุลทรรศน์แสง (light microscope, LM หรื อ
optical microscope, OM) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่ องผ่านหรื อทีอีเอ็ม (transmission electron
microscope, TEM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่ องกราดหรื อเอสอีเอ็ม (scanning electron
microscope, SEM) ส่ วนประกอบหลักของกล้องทีอีเอ็มคล้ายคลึงกับกล้องจุลทรรศน์แสงแบบส่ องผ่าน
แตกต่างกันที่กล้องจุลทรรศน์แสงแบบส่ องผ่านใช้เลนส์แก้วในการควบคุมเส้นทางเคลื่อนที่ของลําแสง
ส่ วนกล้องทีอีเอ็มใช้เลนส์ ที่สร้างสนามแม่เหล็กในการควบคุมเส้นทางเคลื่อนที่ของลําอิเล็กตรอน และ
ภายในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนต้องการภาวะสุ ญญากาศ เพื่อลดการกระเจิงของอิเล็กตรอนเนื่ องจาก
โมเลกุลแก๊ส ภาพที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์ท้ งสองเป็ น ภาพฉาย (projected image) นันคือ แสงหรื อ
ั ่
่
อิเล็กตรอนทะลุผานทุกจุดบนชิ้นงาน 3 มิติเกือบพร้อม ๆ กันและเกิดเป็ นภาพฉาย 2 มิติ ดังตัวอย่างใน
รู ปที่ 1.2 การตีความสัณฐาน (ซึ่ งไม่ได้หมายถึ งรู ปร่ างเท่านั้น แต่หมายถึงทั้ง ขนาด รู ปร่ าง และการ
กระจายตัว) ของสิ่ งต่าง ๆ ภายในชิ้นงาน 3 มิติจากภาพ 2 มิติ จึงต้องการความระมัดระวัง ในกล้องทีอีเอ็ม
จึงนิ ยมหมุนเอียงชิ้นงานไปในตําแหน่งต่าง ๆ ทําให้ได้ภาพฉาย 2 มิติที่เกิดจากลําอิเล็กตรอนตกกระทบ
ชิ้นงานในทิศทางต่าง ๆ กัน (ดังรู ปที่ 1.2) การตีความสัณฐานของสิ่ งต่าง ๆ ภายในชิ้นงานจึงจะมีความถูกต้อง
มากขึ้น ภาพที่ได้จากกล้องแบบนี้ แตกต่างจากภาพที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่ องกราด
หรื อกล้องเอสอีเอ็มซึ่ งเป็ น ภาพกราด (scanning image) ที่เกิดจากการกราดลําอิเล็กตรอนไปบนชิ้นงาน
ทีละจุดเพื่อเก็บข้อมูลระดับของสัญญาณต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นไปรายงานไว้บนภาพกราดทีละจุดต่อ ๆ กัน ภาพ
่
ที่ได้จากกล้องเอสอีเอ็มบอกถึงสัณฐานของสิ่ งต่าง ๆ ที่อยูในช่วงความลึกโดยทัวไปประมาณ 1 m บน
่
ผิวชิ้นงาน
ส่ วนประกอบหลักของกล้องที อีเอ็ม เรี ยงลําดับจากส่ วนบนของกล้องสู่ ส่วนล่างของกล้อง
ได้แก่
1. ปื นอิเล็กตรอน (electron gun)
2. เลนส์คอนเดนเซอร์ (condenser lens)
3. ช่องเปิ ดเลนส์คอนเดนเซอร์ (condenser aperture)
4. ห้องใส่ ชิ้นงาน (specimen chamber)
5. เลนส์วตถุ (objective lens)
ั
6. ช่องเปิ ดเลนส์วตถุ (objective aperture)
ั

2. 2 จุลทรรศนศาสตร์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านพื้นฐาน
7. ช่องเปิ ดเลือกพื้นที่หรื อช่องเปิ ดจํากัดพื้นที่ (selected area aperture หรื อ field limiting
aperture)
8. เลนส์กลาง (intermediate lens)
1 9. เลนส์ฉาย (projector lens)
10. จอรับภาพ (screen)
11. ห้องถ่ายภาพ (camera chamber)
แหล่งกําเนิดแสง แหล่งกําเนิดอิเล็กตรอน แหล่งกําเนิดอิเล็กตรอน
เลนส์คอนเดนเซอร์
เลนส์คอนเดนเซอร์
ชิ้นงาน
เลนส์วตถุ
ั ขดลวดกราด
ช่องเปิ ดเลนส์วตถุ
ั ลําอิเล็กตรอน
ช่องเปิ ดเลนส์วตถุ
ั วงจรกราด
ช่องเปิ ดเลือกพื้นที่ เลนส์วตถุ
ั
เลนส์กลาง
เลนส์ฉาย ชิ้นงาน
ตัวตรวจวัด
เลนส์ตา
ตัวขยาย
จอเรื องแสง สัญญาณภาพ
ตามนุษย์
จอแสดงภาพ (CRT)
ภาพจากกล้องแสง ภาพจากกล้องทีอีเอ็ม แบบรู ปการเลี้ยวเบนอิเล็กตรอน ภาพจากกล้องเอสอีเอ็ม
จากกล้องทีอีเอ็ม
(ก) (ข) (ค) (ง)
รูปที่ 1.1 หลักการสร้างภาพและส่วนประกอบหลักของ (ก) กล้องจุลทรรศน์แสง (ข) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ
ส่องผ่านในแบบภาพ (ค) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านในแบบการเลี้ยวเบน และ (ง) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
แบบส่องกราด (ที่มา : ปรับปรุงจาก Goldstein et al., 1994; JEOL, 2004)

3. ทัศนศาสตร์เบื้องต้นในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน 3
1
รูปที่ 1.2 ตัวอย่างของภาพฉาย 2 มิติที่เกิดจากแสงตกกระทบวัตถุทรงกระบอก 3 มิติ ในทิศทางต่าง ๆ กัน การตีความ
สัณฐานของวัตถุ 3 มิติจากภาพฉาย 2 มิติ จึงต้องระมัดระวัง และต้องมีการหมุนเอียงวัตถุไปในทิศทางต่าง ๆ เพื่อให้ได้ภาพ
ฉาย 2 มิติที่มากพอจะสรุปถึงสัณฐานใน 3 มิติของวัตถุได้
่
สําหรับเลนส์ คอนเดนเซอร์ ในกล้องทีอีเอ็มปั จจุบนมีอยูหลายตัวเพื่อควบคุมลําอิเล็กตรอนใน
ั
ลักษณะต่าง ๆ กัน นอกจากนี้ หลังปื นอิเล็กตรอนและเลนส์ บางตัวยังมีอุปกรณ์สาคัญที่เรี ยกว่า ขดลวด
ํ
เบี่ยงเบนลํา (beam deflector coil) ทําหน้าที่เบี่ยงเบนลําอิเล็กตรอนในลักษณะต่าง ๆ กัน และหลังเลนส์
สําคัญ ได้แก่ เลนส์คอนเดนเซอร์ เลนส์วตถุ และเลนส์กลาง จะมีอุปกรณ์สาคัญที่เรี ยกว่า ตัวปรั บความพร่ า
ั ํ
(stigmator) ความจํา เป็ นที่ ต ้อ งมี อุ ป กรณ์ น้ ี เนื่ อ งจากเลนส์ ทุ ก ตัว มี ค วามพร่ า ซึ่ งทํา ให้ ค วามแยกชัด
(resolution) ลดลง ซึ่ งในรายละเอียดจะได้ขยายความต่อไป นอกจากนี้ ยงมีอุปกรณ์เสริ มอย่างอื่น เช่น
ั
มาตรมุม (goniometer) ขดลวดเลื่อนภาพ (image shift coils) กล้องสองตา (binoculars) ฯลฯ
ตัวอย่างส่ วนประกอบต่าง ๆ ของกล้องทีอีเอ็มของบริ ษท JEOL รุ่ น JEM-2010 แสดงดังรู ปที่
ั
1.6 ส่ วนประกอบต่าง ๆ ถูกแบ่งตามหน้าที่ของมันออกเป็ น 2 ระบบ คือ
1. ระบบส่ องสว่าง (illuminating system) ได้แก่ ส่ วนประกอบตั้งแต่ปืนอิเล็กตรอนถึงขดลวด
เบี่ยงเบนลําหลังเลนส์คอนเดนเซอร์
2. ระบบสร้างภาพ (imaging system) ได้แก่ ส่ วนประกอบตั้งแต่หองใส่ ชิ้นงานถึงห้องถ่ายภาพ
้

4. 4 จุลทรรศนศาสตร์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านพื้นฐาน
ตัวอย่ างที่ 1.1
1
รูปที่ 1.3
รู ป ที่ 1.3 แสดงภาพฉายของโครงสร้ า งเพอร์ ไ ลต์ (pearlite structure) ในเหล็ ก กล้า
Fe-12.3wt%Mn-0.863wt%C-1.14wt%Cu ที่เกิดขึ้นระหว่างการแปลงวัฏภาคที่อุณหภูมิคงที่ 630oC เป็ น
เวลา 72 ชัวโมง ส่ วนที่มืดคือ เพอร์ ลิติกซี เมนไทต์ (pearlitic cementite) และส่ วนที่สว่างคือ เพอร์ ลิติก
่
เฟร์ ไรต์ (pearlitic ferrite) สังเกตว่าภาพนี้ เป็ นภาพฉายเพราะมองเห็นรอยต่อระหว่างวัฏภาค (interphase
ั
boundaries) ของซี เมนไทต์กบเฟร์ ไรต์และรอยต่อเกรน (grain boundaries) ของซี เมนไทต์ รอยต่อเหล่านี้
เอียงทํามุมกับผิวบนและผิวล่างของชิ้นงานทีอีเอ็ม ชิ้นงานนี้ มีลกษณะเป็ นรู ปลิ่ม (wedge shape) โดย
ั
ความหนาทางด้านล่างสู งกว่าทางด้านบน ความสว่างในภาพทางด้านบนจึ งสู งกว่าเพราะอิ เล็กตรอน
ทะลุ ผ่านตรงบริ เวณบางได้มากกว่า และยังสังเกตได้จากจํานวนแถบสว่างสลับมื ดที่ รอยต่อระหว่าง
ั
ซี เมนไทต์กบเฟร์ ไรต์ ซึ่ งทางด้านบนมีจานวนน้อยกว่า
ํ

5. ทัศนศาสตร์เบื้องต้นในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน 5
ตัวอย่ างที่ 1.2
1
รูปที่ 1.4
รู ปที่ 1.4 แสดงภาพฉายของตะกอนทองแดงภายในวัฏภาคซี เมนไทต์ (cementite) ในเหล็กกล้า
1.19wt%C-2.37wt%Cu ที่เกิดขึ้นระหว่างการแปลงวัฏภาคที่อุณหภูมิคงที่ 760oC เป็ นเวลา 24 ชัวโมง ่
แสดงถึงความสําคัญในการหมุ นเอี ยงชิ้ นงานไปที่ มุมต่าง ๆ เพื่อให้ได้ขอสรุ ปเกี่ ยวกับสัณฐานวิทยาที่
้
ถูกต้อง ในกรณี น้ ี อนุภาคทองแดงมีรูปร่ างเป็ นแท่ง (rod) ไม่ใช่แผ่น (plate) และการหมุนเอียงชิ้นงานไป
เป็ นมุมประมาณ 12.5o ช่วยให้มองเห็นผลึกแฝดภายในอนุภาค (ชี้ ดวยลูกศร)
้

6. 6 จุลทรรศนศาสตร์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านพื้นฐาน
ตัวอย่ างที่ 1.3
1
รูปที่ 1.5

7. ทัศนศาสตร์เบื้องต้นในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน 7
รู ปที่ 1.5 แสดงซี เมนไทต์แบบวิดแมนสไตเทนภายในเกรน (intragranular Widmanstätten
cementite) ที่ เ กิ ด ขึ้ น ในเกรนออสเทไนต์ (austenite, γ) ของเหล็ก กล้า 0.863wt%C-1.14wt%Cu-
12.3wt%Mn ที่เกิดขึ้นระหว่างการแปลงวัฏภาคที่อุณหภูมิคงที่ 430°C เป็ นเวลา 120 ชัวโมง ซึ่ งเป็ นอีก
่
ตัวอย่างหนึ่ งซึ่ งแสดงถึงความสําคัญในการหมุนเอียงชิ้ นงานเพื่อให้ได้ขอสรุ ปเกี่ ยวกับสัณฐานวิทยา
้ 1
ั
ที่ถูกต้อง ในรู ปที่ 1.5(ก) จะเห็นว่ารอยต่อระหว่างซี เมนไทต์กบออสเทไนต์เอียงทํามุมกับลําอิเล็กตรอน
ตกกระทบ เมื่ อ หมุ น เอี ย งชิ้ น งานโดยให้แ กนหมุ น ขนานกับ แนวยาวของแผ่น ซี เ มนไทต์จ นรอยต่ อ
ระหว่า งวัฏ ภาคซี เ มนไทต์-ออสเทไนต์ข นานกับ ลํา อิ เ ล็ก ตรอนตกกระทบ ดัง รู ป ที่ 1.5(ข) ก็ จ ะเห็ น
รายละเอียดต่าง ๆ ดีข้ ึน ได้แก่ บริ เวณที่ปราศจากตะกอน (precipitate-free zone, PFZ) ตรงกลางของ
แผ่นซี เมนไทต์ ซึ่ งแสดงด้วยเส้นประและความหนาแน่ นของดิ สโลเคชัน (dislocation) ที่ ปลายของ
แผ่นซี เมนไทต์ทางด้านบน

8. 8 จุลทรรศนศาสตร์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านพื้นฐาน
1
(ก)

9. ทัศนศาสตร์เบื้องต้นในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน 9
แขนยก
เคเบิลเทนชันสูง
ปื นอิเล็กตรอน 1
ชุดประกอบวีเนลต์
ท่อศักย์เร่ ง
ทางเข้าแก๊ส
ขดลวดเบี่ยงเบนลําหลังปื นอิเล็กตรอน 2 ขดลวดเบี่ยงเบนลําหลังปื นอิเล็กตรอน 1
วาล์วแยกห้องแอโนด ขดลวดเลนส์คอนเดนเซอร์ 2
ขดลวดเลนส์คอนเดนเซอร์ 1 ขดลวดตัวปรับความพร่ าหลัง
เลนส์คอนเดนเซอร์
ขวดลวดปรับแนวจุด
ขดลวดเลนส์คอนเดนเซอร์ 3 ขดลวดเบี่ยงเบนลํา
ชุดประกอบช่องเปิ ดเลนส์คอนเดนเซอร์ หลังเลนส์คอนเดนเซอร์ 1
ขดลวดเบี่ยงเบนลํา
หลังเลนส์คอนเดนเซอร์ 2
มาตรมุม ขดลวดเลนส์คอนเดนเซอร์ เล็ก
ชุดช่องเปิ ดเลนส์วตถุ
ั
ตัวจับชิ้นงาน
ขดลวดปรับความพร่ าเลนส์วตถุ
ั
ท่อแนวเลนส์วตถุ
ั ขดลวดเลนส์วตถุเล็ก
ั
ขดลวดเลนส์วตถุ
ั ขดลวดเลื่อนภาพ 1
ชุดประกอบช่องเปิ ดจํากัดพื้นที่ ขดลวดเลื่อนภาพ 2
ขดลวดปรับความพร่ าหลังเลนส์กลาง
ขดลวดเลนส์กลาง
ขดลวดเบี่ยงเบนลําหลังเลนส์ฉาย
ขดลวดเลนส์ฉาย
วาล์วแยกห้องมองภาพ
กล้องสองตา
ห้องการเลี้ยวเบนแยกชัดสู ง
จอรับภาพเล็ก
ห้องมองภาพ
หน้าต่างแก้ว จอรับภาพใหญ่
กล่องใส่ ฟิล์มใหม่
กล่องรับฟิ ล์ม
ห้องถ่ายภาพ
(ข)

10. 10 จุลทรรศนศาสตร์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านพื้นฐาน
1
(ค)
รู ป ที่ 1.6 (ก) กล้ อ งจุ ล ทรรศน์ อิ เ ล็ ก ตรอนแบบส่ อ งผ่ า น JEOL JEM-2010 ซึ่ ง ติ ด ตั้ ง อยู่ ณ ศู น ย์ วิ จั ย และบริ ก าร
จุลทรรศนศาสตร์อิเล็กตรอน คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ (ข) ส่วนประกอบหลักของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
แบบส่องผ่าน JEOL JEM-2010 และ (ค) ขดลวดหลักภายในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน JEOL JEM-2010
(ที่มา : ปรับปรุงจาก JEOL, 1999)