Файл: Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия.pdf

P. W. Hawkes

Electron optics and electron microscopy

Churchill College and the Cavendish

Laboratory, Cambridge

TAYLOR & FRANCIS LTD.

п. хокс

Электронная оптика и электронная микроскопия

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1974

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ

Книга английского ученого П. Хокса посвящена рас­ смотрению основных вопросов, касающихся наиболее важ­ ных областей электронной оптики и электронной микро­ скопии. Основное внимание в ней уделено систематизации и анализу новейших теоретических и экспериментальных данных по электронной оптике, а также подробному описа­ нию параметров и конструктивных особенностей совре­ менной электронномикроскопической аппаратуры. Это, бесспорно, важнейшее и решающее достоинство публи­ куемой книги. Сведения по электронной оптике и электрон ной микроскопии, которые можно найти в ранее изданных книгах и монографиях, изложены здесь предельно сжато, порой конспективно и даже бегло, а некоторые вопросы (эмиссионная микроскопия, интерференционная микро­ скопия и др.) не рассматриваются вовсе.

Вгл. 1 «Пределы применимости светового микроскопа

иэлектронный микроскоп» рассматриваются понятия раз­ решающей способности, предельное разрешение светового микроскопа и потенциальная возможность получения высокого разрешения в электронном микроскопе. Описаны

также принципы действия и конструкции магнитных и электростатических линз, и на примере двух электрон­ ных микроскопов («Эльмископ 101» и «Филипс ЕМ-300») дается общее описание конструкции современных электрон­ ных микроскопов. Далее изложена история развития про­

Гл. 2 «Электронные линзы» посвящена оптике электрон­ ных линз. Здесь приведен вывод уравнений траекторий электронов для электростатического, магнитного и комби­ нированного полей; обсуждаются физический смысл урав-

Г) Предисловие редактора русского издания

ионий траекторий, асимптотические кардинальные элемен­ ты и параксиальные свойства типичных магнитных линз, в том числе свойства конденсора-объектива (анализ на основе глазеровского колоколообразного поля). Очень сжато и четко рассматриваются аберрации электронных линз, ограничивающих разрешение электронного микро­ скопа. Приводится несколько вариантов формы полюсных наконечников реальных линз. Рассматриваются принципы стигматора и расчета магнитной цепи линз. В этой главе приведен ряд практически полезных графиков, иллюстри­ рующих зависимость оптических свойств типичных маг­ нитных линз от их геометрических и электрических пара­ метров.

Рассмотрено также несколько типичных конструкций электростатических линз. Большая часть материала изла­ гается на основе самых последних данных, встречающихся в несистематизированном виде в разрозненных научнотехнических публикациях.

В гл. 3 «Электронный микроскоп» описаны различные свойства и составные части электронного микроскопа. В частности, описаны все узлы и элементы электронного микроскопа, начиная от осветительной системы и кончая фотопластинкой и люминесцентным экраном. Приведены новейшие данные о различных типах катодов и их яркостные характеристики. Описываются линзы электрон­ ного микроскопа, камера объектов и различные приставки для наблюдения объекта при нагревании, охлаждении, растяжении и т. д., взаимодействие электронного пучка с объектом, типичные ходы лучей при различных увеличе­ ниях, системы регистрации изображения и вспомогатель­ ное оборудование. В книге обсуждаются особенности высоковольтных электронных микроскопов и сверхпро­ водящих линз различных типов. Рассматривается работа электронного микроскопа в режимах микродифракции, темнопольного изображения и получения изображения кристаллических решеток. Анализ сопровождается боль­ шим количеством рисунков, облегчающих понимание материала.

В этой главе подробно рассматриваются также основ­ ные понятия теории передачи контраста в электронном микроскопе, в частности передаточные функции амплитуд-

лого и фазового контраста (частотно-контрастные характе­ ристики), широко используемые в последние годы в электронной микроскопии как незаменимое средство для интерпретации изображений, получаемых в электрон­ ном микроскопе при предельных разрешениях. Более лаконично излагаются способы коррекции аберраций электронных линз: использование многополюсных коррек­ торов, высокочастотные линзы, зеркальные системы, линзы с проводящей прозрачной пленкой, использование про­ странственного заряда, зонные пластинки и коррекции изображения с помощью ЭВМ.

В гл. 4, посвященной описанию растрового электронно­ го микроскопа и исследованию поверхностей, рассматри­ ваются принципы работы растрового микроскопа, влияние сферической аберрации на размер зонда и соответственно на разрешение, а также требования к отклоняющей систе­ ме и к детектору вторичных электронов. Приводится кон­ струкция типичного микроскопа высокого разрешения

иобсуждаются различные варианты получения изобра­ жения. Отдельный раздел главы посвящен просвечиваю­ щему растровому микроскопу с автоэлектронной пушкой

ис разрешением 5 А. Приводятся характеристики авто­

электронной пушки, общая схема прибора и принципы формирования изображения. Далее описываются рентге­ новские микроаналнзаторы и микроанализаторы, построен­ ные на базе обычных просвечивающих электронных микро­ скопов. Рассматривается несколько типов линз, форми­

рующих электронный микрозонд, линзы с сильной асим­ метрией магнитного поля, минилинзы и плоские линзы.

В этой главе также описан зеркальный электронный микроскоп и подробно обсуждаются принципы работы и характеристики различных анализаторов энергии, нашедших широкое применение в электроннооптических приборах.

В гл. 5 «Применения» рассматриваются принципы методов препарирования объектов для электронного микроскопа. В ней кратко излагается сущность методики препарирования объектов, предназначенных для исследо­ ваний в просвечивающих и растровых электронных микро­ скопах. Эта небольшая глава может служить отправной точкой для изучения специальной литературы по методи­

8 Предисловие редактора русского издания

кам препарирования различных типов электронномикро­ скопических объектов.

Книгу следует рассматривать как очень удачное и полезное пособие, которое, являясь введением в элек­ тронную оптику и электронную микроскопию, отличается от известных аналогичных пособий тем, что в нем систе­ матизированы новейшие научно-технические достижения, отражающие современный уровень электронной микро­ скопии.

Необходимость в таком пособии обусловлена тем, что большинство исследователей, начинающих свою деятель­ ность в области электронной микроскопии, а также раз­ работчики электронномикроскопической аппаратуры испы­ тывают затруднения из-за отсутствия систематизирован­ ных сведений о состоянии, проблемах и принципах совре­ менной электронной микроскопии.

Что касается книг по электронной микроскопии, имею­ щихся на русском языке (Н. Г. Сушкин «Электронный микроскоп», М.— Л., 1949; В. Косслет «Введение в элек­ тронную оптику», М., 1950; А. А. Лебедев, ред., «Электрон­ ная микроскопия», М., 1954; 3. Лейзеганг «Электронная микроскопия», ИЛ, М., 1960), то они устарели и, кроме того, в настоящее время стали библиографической редкостью.

И . Стоянова

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА

Публикуемая книга, содержащая введение в электрон­ ную оптику и описание различных типов электронных микроскопов, написана достаточно популярно, так что доступна для начинающих, но тем не менее изложение ни в коей мере не сводится к элементарным аспектам ука­ занных вопросов.

Целью книги является описание современных достиже­ ний в области электронной оптики и электронной микро­ скопии. Ряд вопросов, интерес к которым уже ослабевает, в книге опущен, тогда как проблемы, до сих пор не нашед­ шие отражения в других изданиях, рассматриваются более или менее подробно.

Многие исследователи, занимающиеся электронной микроскопией, и некоторые фирмы любезно предоставили рисунки и фотографии для данной книги, за что автор выражает им свою глубокую признательность.

ГЛАВА 1

ПРЕДЕЛЫ ПРИМЕНИМОСТИ СВЕТОВОГО МИКРОСКОПА И ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

1.1. РАЗРЕШ АЮ Щ АЯ СПОСОБНОСТЬ

Световой микроскоп предназначен для формирования видимого изображения структур, мелкие детали которых нельзя различить невооруженным глазом. Для того чтобы можно было увидеть эти детали на окружающем их фоне, видимое изображение должно быть увеличенным и доста­ точно контрастным и, кроме того, должно обеспечивать правильное воспроизведение характерных особенностей рассматриваемых структур. В простейшем случае иссле­ дуемый объект, помещенный на предметный столик микро­ скопа, освещается световым пучком. Различие в прозрач­ ности отдельных участков объекта обусловливает различ­ ную интенсивность соответствующих частей светового пучка, прошедшего через объект. Затем линзы микроскопа формируют увеличенное изображение объекта, доступное для визуального наблюдения. В рассматриваемом случае в объекте происходит изменение амплитуды падающего света, поэтому его называют амплитудно-контрастным объектом. В дальнейшем мы встретимся еще с одним

очень важным типом объекта, известным под названием

фазово-контрастного объекта.

На первый взгляд может показаться, что при достаточ­ но большом увеличении с помощью светового микроскопа можно рассматривать частицы сколь угодно малого раз­ мера. Действительно, имеется возможность неограничен­ ного повышения масштаба увеличения изображения, фор­ мируемого в световом микроскопе. Однако оказалось, что начиная с определенного предельного значения дальней­ шее повышение масштаба увеличения не позволяет разли­ чить с помощью указанного прибора наиболее мелкие детали объекта, что не может быть объяснено геометри­ ческой оптикой. Если же распространение света рас-

12 Глава 7

сматривать как волновой процесс, то существование тако­ го предела легко объяснимо. Впервые это объяснение было дано выдающимся ученым-оптиком Эрнстом Аббе, который совместно с Карлом Цейссом работал над созданием кон­ струкций микроскопов очень высокого качества. Несмотря на важность полученного результата, Аббе был огорчен. «Остается только утешаться тем,— писал он —, что чело­ веческий гений когда-нибудь найдет пути и средства для преодоления этого предела, но это слабое утешение». Детальные расчеты показали, что мельчайшая структура может быть правильно отображена с помощью светового микроскопа только в тех случаях, когда она содержит детали размерами не меньше кХ/А, где X — длина волны излучения, используемого для освещения объекта; к = = 0,6—0,8 — постоянная; А — числовая апертура объек­

тива. Числовая апертура объектива определяется выра­ жением А = ?20sin 0О, где п0 — коэффициент преломления

среды, находящейся между объектом и линзой объектива; 0о — половина угла, вершина которого лежит на объекте и который опирается па диаметр объектива или той его части, через которую проходят световые лучи, участвую­ щие в формировании изображения. Приближенный расчет можно провести для случая, когда освещение является

ни в какой фиксированной связи с фазой светового луча, исходящего из любой другой точки. Более точные расчеты для другого предельного случая (когерентного освещения) и для промежуточного состояния (частично когерентного освещения) оказываются более сложными и ведут к тому же результату, но дают другие значения постоянной к.

По этой причине выше было указано не определенное значение постоянной к, а интервал ее возможных значе­

ний. На фиг. 1.1 представлена простая увеличивающая система, в которой точки Р 0 и Q0, лежащие в плоскости объекта, отображаются в точках P t и (?,, лежащих

в плоскости, сопряженной с плоскостью объекта. Наиболь­ ший угол, под которым лучи могут достигнуть точки изображения P t, в,-, определяется радиусом R выходного зрачка и расстоянием D от этого зрачка до плоскости изображения: 0* « RID.