Теневой микроскоп

У СРСР серійно випускався мікрорентгенівський аналізатор типу МАРИ-1. Прилади такого вигляду знаходять застосування в електронній промисловості і в інших областях науки і техніки.

Зверніть увагу, що в електронних мікроскопах не досягається роздільна здатність, що передбачається теорією. Чому? Пригадаємо, що у формуванні зображення в електронних мікроскопах важливу роль грають елементи електронної оптики, що дозволяють здійснювати управління електронними пучками. Цим елементам — електронним лінзам властиві різного роду відхилення від ідеального (потрібного розрахунком) розподілу електричних і магнітних полів. Положення тут багато в чому аналогічно обмеженням в оптичній мікроскопії, пов'язаним з неточністю виготовлення оптичних лінз, дзеркал і інших елементів. Крім того, ряд труднощів пов'язаний з особливостями виготовлення і роботи джерел електронних потоків (катодів), а також з проблемою створення потоків, в яких електрони мало відрізняються за швидкостями. Відповідно до цих фактів, що діють в реальних умовах, розрізняють певні види спотворень в електронних мікроскопах, використовуючи при цьому термінологію, запозичену з світлової оптики.

Основними видами спотворень електронних лінз в мікроскопах, що просвічують, є сферична і хроматична аберація, а також дифракція і приосевой астигматизм. Не зупиняючись на походженні різних видів спотворень, пов'язаних з порушеннями симетрії полий і взаємним розташуванням елементів електронної оптики, згадаємо лише про хроматичну аберацію. Останній вид спотворень аналогічний виникненню забарвлених зображень в простих біноклях і лупах. Використання спектральне чистого монохроматичного світла в оптиці (замість білого) усуває цей вид спотворень. Аналогічно цьому в електронній мікроскопії використовують по можливості пучки електронів, швидкості яких відрізняється мало (пригадаємо співвідношення l =h/(m * v) для електрона). Цього досягають застосуванням високостабільних джерел електричного живлення.

Складається тіньовий електронний мікроскоп з таких основних вузлів: електронної гармати (1–3), що емітує електрони; електронно-оптичної системи (4–10), яка формує електронний зонд і забезпечує його сканування на поверхні зразка (12); системи, що формує зображення (11–17). ТПЕМ має вакуумну камеру, яка служить для створення необхідного розрідження (~10-3 Па) в робочому об'ємі електронної гармати та електронно-оптичної системи. Складовими частинами мікроскопа є також механічні вузли (шлюзи, гоніометричний стіл тощо), які забезпечують установку та переміщення зразка. Електронна гармата складається з катода (1), циліндра Венельта (2) й

анода (3). Зазвичай як катод  використовують вольфрамовий дріт, зігнутий під

гострим кутом, як це показано на рисунку. За умов розжарення катода прямим пропусканням струму відбувається термоемісія електронів. Електрони прискорюються напругою, прикладеною між катодом і анодом, яку можна змінювати від 1 до 50 кВ. Циліндр Венельта має високий негативний потенціал 10 і служить для регулювання потоку електронів. осьову симетрію.

Рис. 1.21. Принципова схема тіньового електронного мікроскопа

 

Пучок електронів від  гармати проходить через три електромагнітні лінзи (5, 6 і 9). Фокусування потоку електронів здійснюється магнітним полем, що має. Воно створюється електромагнітною лінзою, що є соленоїдом. Магнітне поле виникає при пропусканні електричного струму через обмотку соленоїда, концентрується за допомогою так званого полюсного наконечника та впливає на потік електронів, який проходить через нього. Фокусну відстань лінзи можна плавно регулювати шляхом зміни сили струму в обмотці соленоїда. У системі є дві діафрагми (4, 10), що обмежують розсіювання пучка електронів. Недосконалість електронної оптики, як зазначалося раніше, впливає на роздільну здатність мікроскопа. Недосконалість оптики характеризують хроматична та сферична аберації й астигматизм.

Хроматична  аберація виникає через різну швидкість (довжину хвилі)

електронів і зміну  її з часом, що призводить до нестабільності фокусних

віддалей лінз. Хроматичну аберацію зменшують шляхом стабілізації

прискорюючої напруги  та електричного струму в лінзах.

Сферична аберація є наслідком того, що електрони проходять на різних

кутових відстанях від  оптичної осі лінзи й тому фокусуються  по різному.

Сферичну аберацію зменшують  накладанням жорстких обмежень на геометрію полюсних наконечників лінз, збільшенням прискорюючої напруги та зменшенням отвору діафрагми. У такому випадку потік формується

електронами, що менше  відхиляються від оптичної осі лінзи.

Виникнення астигматизму пов'язане з порушенням магнітної чи

геометричної симетрії лінзи. Асиметрія усувається забезпеченням високої

геометричної точності виготовлення полюсного наконечника  лінзи та

введенням спеціальної  системи (стигматора (8)), який коригує  магнітне поле

лінзи, відновлюючи його симетрію.

Стигматор розташовано  в об'єктивній лінзі (9). Усередині неї знаходяться

також дві пари електромагнітних відхиляючих котушок (7), кожна з  яких

служить для відхилення зонда відповідно в х і у напрямах у площині, що

перпендикулярна вісі потоку електронів. Котушки сполучені з  генератором

(16), який забезпечує синхронність пересування електронного зонда по зразку та електронного променя по екрану електронно-променевої трубки (15). Зразок (12) закріплюється на предметному столику, який може рухатися в трьох взаємно перпендикулярних напрямах, допускає нахил зразка до 90o щодо електронно-оптичної осі й обертання навколо неї від 0 до 360o. Електронний пучок, сфокусований на поверхні зразка, викликає появу відбитих, вторинних і поглинених електронів,

які використовуються для  формування зображення поверхні зразка. Ці

сигнали вловлюються  детекторами. На схемі ТЕМ (рис. 1.21) показано тільки

один тип детектора  із можливого набору, який використовується для

реєстрації вторинних  електронів (13). У детекторі потік електронів

перетворюється на електричний сигнал (струм). Проходження струму

через підсилювач (14) модулює  яскравість екрану. Зазвичай для реєстрації вторинних електронів використовується детектор Еверхарта-Торнлі. Його більш детальна схема представлена на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Схема детектора вторинних електронів Еверхарта-Торнлі.

1 – колектор, 2 – сцинтилятор, 3 – світловод, 4 – фотопомножувач

 

Колектор (1) має позитивний потенціал, приблизно +250 В, завдяки  чому

траєкторії вторинних  електронів викривляються, і вони потрапляють  у

колектор. На первинні та відбиті електрони, що мають високі значення енергії,

цей потенціал істотного  впливу не має. Усередині колектора електрони прискорюються. Для цього на сцинтилятор (2) подається висока напруга близько 12 кВ. Її вплив на електронний зонд екранується корпусом колектора. Внаслідок прискорення вторинні електрони одержують достатню енергію, щоб викликати світлове випромінювання матеріалу сцинтилятора, яке по світловоду (3) потрапляє на фотопомножувач (4), де перетворюється на електричний сигнал. Потужність цього сигналу, а отже, яскравість відповідної точки на екрані, за вторинних електронів визначається топографічним контрастом. Характерна особливість топографічного контрасту в ТЕМ – підвищена яскравість зображення гострих вершин і виступів рельєфу поверхні зразка, обумовлена збільшенням виходу

електронів із цих  ділянок. Висока роздільна здатність ТЕМ під час роботи в режимі реєстрації вторинних електронів є причиною того, що саме він використовується при вивченні топографії поверхні (поверхні зламу, протравленого шліфа й ін.). При формуванні зображення в режимі вторинних електронів можлива поява композиційного контрасту. Проте він незначний.

Для реєстрації відбитих електронів можуть використовуватися  різні типи

детекторів, у тому числі й розглянутий (рис. 1.22), проте з деякими змінами. Це обумовлено тим, що відбиті електрони мають високу енергію, рухаються

прямолінійно, не відхиляються слабким електричним полем як вторинні електрони. Тому немає необхідності використовувати в детекторі високу напругу й, отже, колектор. Ефективність збору відбитих електронів залежить від кута нахилу детектора до поверхні генерації електронів і відстані між

ними. Зображення у відбитих електронах дозволяє визначити кількість фаз у матеріалі, спостерігати мікроструктуру матеріалу без попереднього

травлення шліфа й  ін. Виявлення мікроструктури стає можливим, оскільки хімічний склад зерен відрізняється від хімічного складу їх меж. У випадку, коли поверхня зразка має яскраво виражені нерівності, додатково до композиційного виникає топографічний контраст. Для розділення композиційного та топографічного контрастів застосовують два детектори відбитих електронів (Еверхарта-Торнлі). На рис. 1.23 показано приклад розділення контрастів.

Рис. 1.23 Використання парного детектора (D1 та D2) для розділення

композиційного та топографічного контрастів.

 

У разі складання сигналів детекторів D1 і D2 підсилюється композиційний і усувається топографічний контраст. При відніманні сигналів анулюється композиційний контраст і посилюється топографічний. Під час отримання зображення в поглинених електронах сигналом служить струм поглинених електронів, який дорівнює струму первинних електронів за вирахуванням струму відбитих і вторинних електронів. Унаслідок він залежить від кількості емітованих відбитих і вторинних електронів. Відповідно у сигналі присутні як композиційна, так і топографічна складова, причому вони не розділяються. При скануванні зонда по поверхні зразка, що має хімічну неоднорідність і сильно виражений рельєф, інтенсивність сигналу змінюється. Для уловлювання сигналу спеціальний детектор не потрібен. Його роль виконує зразок, у якому виникають поглинені електрони. Потік поглинених електронів тільки підсилюється, а потім передається у блок зображення. Цей метод широко використовувався в ранніх конструкціях скануючих мікроскопів. Сигнали, перетворені детектором на електричний струм, після посилення служать для модуляції яскравості точок на екрані. Формування зображення поверхні об'єкту на екрані відбувається таким чином. За допомогою відхиляючих котушок (7) сканують тонко сфокусований зонд по поверхні зразка (рис. 1.3). Сканування здійснюється уздовж лінії. Сукупність паралельних ліній (растр) дає уявлення про площу об'єкту. Генератор розгортки (16), сполучений із відхиляючими котушками та монітором, забезпечує синхронність пересування електронного зонда по поверхні зразка й електронного променя по екрану. Завдяки цьому, кожна точка на зразку відповідає певній точці на екрані. У свою чергу, яскравість точки на екрані визначається інтенсивністю сигналу, що поступає від відповідної точки зразка. Сукупність сигналів різної інтенсивності утворює контраст яскравості (зображення) на екрані трубки. Збільшення ТЕМ визначається співвідношенням амплітуд розгортки променя по екрану (L) і зонда по поверхні зразка (l) та дорівнює L/l. Оскільки максимальна довжина розгортки L на екрані фіксована, то підвищення збільшення мікроскопа досягається шляхом зменшення l. Амплітуда коливання зонда змінюється шляхом зміни струму в відхиляючих котушках за допомогою блоку управління збільшенням (17). Звично робочий діапазон збільшень, який забезпечує високу чіткість зображення поверхні, становить 10.50000. Збільшення, що перевищує максимальне корисне збільшення мікроскопа, використовується тільки для його фокусування.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 РОЗРАХУНОК  ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОЕКЦІЙНОЇ  ЛІНЗИ

       На  рис. 2.1 показана проекційна лінза. Без врахування всього зайвого ця лінза складається з обмотки, броні і зазору.

1 – броня, 2 – обмотка, 3 - зазор

Рис. 2.1. Проекційна лінза.

В якості матеріалу броні  візьмемо пермалой. Товщина броні  складає 1..1,7см .

Пермалой[англ. permalloy, від perm (eability) — проникність і alloy— сплав] сплав заліза з нікелем (45—82 % Ni). Може бути додатково легованим декількома іншими компонентами. Характеризуються високою магнітною проникністю µ, малою коерцитивною силою H_c і малими втратами на гістерезис. Відносяться до магнітно-мягких матеріалів. Розрізняють дві основні групи пермалою: низьконікелеві (40—50% Ni) і високонікелеві (70—83% Ni).

Сплав застосовується в  прецизійних магніто-механічних пристроях  і в інших пристроях, де потрібна стабільність розмірів в змінному магнітному полі. Електричний опір  пермалою міняється зазвичай в межах 5 % залежно від сили і напряму діючого магнітного поля.

Магнітна проникність (µ) є ступенем магнетизму матеріалу  і лінійно залежить від прикладеного магнітного поля. У пермалою магнітна проникність становить µ=10 000*10^-6 Н/А². А відносна магнітна проникність (відношення магнітної проникності матеріалу до проникності вільного простору  µ₀=4π*10^-7 Н/А² ) становить µ_r=7960.

За допомогою креслення  електроного мікроскопа і схеми проекційного електроного мікроскопа знайдемо значення фокусної відстані (f). На рис. 2.2 показоно чому рівне це значення – воно дорівнює відстані від центра проекційноі лінзи і до точки перетину променів.  В нашому випадку фокусна відстань   f =10,8см =0,108м.

Рисунок – 2.2. Фокусна відстань

Знаючи значення фокусної відстані і значення прискорюючої напруги (U_пр= 100 кВ) знайдемо значення індукції магнітного поля, використовуючи співвідношення для фокусної відстані:

 

 

 

 

Зобразимо графічно   і значення :

Знайдемо величину струму (I ), який можна пропустити крізь обмотку, проекційної лінзи. Розміри цієї обмотки становлять 40×60мм. Врахувавши те, що ми беремо мідний дріт діаметром 1мм, то ми отримаємо, що обмотка буде мати n=2400 витків. Використавши вище знайдене значення індукції магнітного поля  ,  а також відносну магнітну проникність пермалою µ_r=7960 знайдемо струм із співвідношення :