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

116 Глава 3

верхний предел (предел Лэнгмюра), определяемый урав­ нением

где j — плотность тока у катода, Т — температура катода, е — заряд электрона, к = 1,4 *10-33 Дж/град — постоян­

ная Больцмана.

Температура V-образного катода обычно составляет 2800 К; при этом j « 0 ,0 3 5 А/мм2, так что. электронная

яркость равна —2 А/мм2 «истер.

Па фиг. 3.3 представлены результаты ряда измерений, характеризующих зависимость электронной яркости от

■ч!

Ф и г . 3.3. Электронная яркость (1 как функция тока пучка is для различных температур катода Т для 20-киловольтной пушки I (а)

икак функция напряжения на управляющем электроде для пушек I

иI I (б) [5].

—— — — теоретическое значение.

полного тока пучка (is) и напряжения смещения для двух венельтов различной формы. На фиг. 3.4 показана зависи­ мость электронной яркости сферического (остроконечного) катода от напряжения смещения и температуры.

Ф и г. 3.4. Электронная яркость р как функция напряжения на управляющем электроде для различных значений радиуса острия сферического катода гд и температуры катода Т [42].

а _ 2гк = 250 мкм; б — 2rfe = 110 мкм; в — 2гк = 42 мкм; г — 2rfe = 15 мкм; d— 2rft = 5,5 мкм; е — 2rft = 1,5 мкм.

Пунктирные кривые не дают верного значения электронной яркости, так как диаметр отверстия измерительной диаф­ рагмы превышал диаметр измеряемого пучка. Точки на оси абсцисс — вычисленные теоретические значения: х по изме­ ренной плотности тока насыщения; О по плотности тока насыщения, определяемой уравнением Ричардсона. На кривых

отмечены следующие токи: О 10 мкА; Д 30 мкА; 0 100 мк\;<2>300 мкА; 1 мА4 Ускоряющее напряжение 10 кВ»

Электроны эмиттируются малой областью, находящей­ ся около вершины катода, и уже в непосредственной близости от него их траектории резко искривляются (фиг. 3.2). Но затем траектории становятся почти пря­ мыми, и если их экстраполировать в обратную сторону, то окажется, что электроны как бы выходят из мнимого источника, не совпадающего с эмиттирующей областью

Фи г. 3.5. Модель электронной пушки Лауэра [54].

А— распределение потенциала; Б — терминология.

реального катода. С учетом требований к освещающему электронному пучку, которые были изложены выше, электронная пушка должна быть сконструирована таким образом, чтобы размеры указанного мнимого источника были минимальными (фиг. 3.5).

Поле, создаваемое венельтом и анодом пушки, служит для фокусировки ускоренных электронов. Размер кроссо­ вера определяется сферической аберрацией пушки и раз­ мером мнимого источника. Типичный диаметр кроссовера равен 10—50 мкм,

Расчет распределения потенциала в электронной пушке сопряжен с существенными трудностями. Лауэр и Ханссен провели обширные расчеты, основанные на модели распре­ деления поля, которое в пространстве между катодом и венельтом является центральным, а в пространстве

Ф и г. 3.6. Электронная яркость f> как функция тока пучка при ускоряющем напряжении 80 кВ (с ле ва ) и как функция ускоряюще­ го напряжения при токо пучка 30 мкА ( с п р а в а ) для V-образного

и острозаточенного катодов, показанных на фиг. 3.1 (фирма «Сименс»),

между венельтом и анодом — постоянным. Первое иссле­ дование электронных пушек с помощью ЭВМ было про­ ведено лишь в 1970 г.

Чем меньше площадь катода, которая эмиттирует электроны, тем проще получить пучок электронов, идущих параллельно оси, что весьма важно для ряда применений. Это может быть достигнуто при замене V-образного катода острозаточенным катодом («ланцет»-катод) или тонким острием, приваренным к вершине V-образного держателя (фиг. 3.1). Эти катоды обеспечивают большую яркость, но они гораздо быстрее разрушаются. На фиг. 3.6 приве­ дены для сравнения данные катодов различных типов.

В заключение следует рассмотреть эффект Бёрша, который вызывает небольшое увеличение разброса длин

волн электронов при их выходе из пушки. Некоторый разброс длин воли неизбежен потому, что энергия электро­ нов, выходящих из катода, неодинакова и лежит в опре­ деленном интервале, а ускоряющее напряжение практи­ чески нельзя поддерживать абсолютно постоянным. Что же касается эффекта Бёрша, то он обусловлен взаимодействием между электронами в пучке и заметен только в области кроссовера пушки, где плотность электронного тока максимальна. (В последующих местах сужения пучка в микроскопе плотность тока будет намного меньше, так как значительное количество электронов задерживается различными диафрагмами.) Для некоторых электронов составляющие, перпендикулярные оптической оси, ока­ зываются параллельными этой оси, и наоборот, в результа­ те чего полный разброс энергий электронов увеличивается до 1 или 2 эВ.

3.1.2. КОНДЕНСОРНЫЕ ЛИНЗЫ

Электроны, выходящие из пушки в виде тонкого рас­ ходящегося пучка, направляются на объект через пару магнитных конденсорных линз, обеспечивающих умень­ шение размера кроссовера пучка и его фокусировку в плоскости объекта или в бесконечности. В первом случае малая область объекта освещается слабо сходящимся пучком электронов, во втором случае электроны падают на объект параллельно оси. Конденсорная система снабже­ на апертурной диафрагмой, предназначенной для ограни­ чения диаметра пучка, поскольку освещение объекта широким пучком нецелесообразно. (Если размеры изобра­ жения, наблюдаемого па конечном экране, составляют 100 мм, то при увеличении в 20 000 раз необходимо осве­ щать только область объекта диаметром 5 мкм.)

В принципе для получения пучка указанных размеров было бы вполне достаточно одной конденсорной линзы, в связи с чем первые серийные приборы были снабжены однолинзовым конденсором. Однако, поскольку вторая линза облегчает возможность управления электронным пучком, двухлинзовый конденсор нашел широкое приме­ нение во всех современных электронных микроскопах. При этом основное преимущество такого конденсора за­

ключается в том, что он позволяет сконцентрировать пучок на очень малой области объекта, благодаря чему даже при самых больших увеличениях конечное изображение является достаточно ярким.

В ряде применений контраст изображения может быть повышен введением кольцевой апертурной диафрагмы. Эта диафрагма располагается ниже второй линзы конден­ сора так, что объект освещается полым коническим пучком. При этом угол раствора конуса выбирается таким, чтобы в отсутствие объекта конический пучок электронов задер­ живался апертурной диафрагмой объектива. Когда же исследуемый объект оказывается на пути пучка, часть рассеянных им электронов проходит через апертурную диафрагму объектива и формирует темнопольное изобра­ жение (см. стр. 134). В серийном микроскопе (AEI ЕМ 801 S), в котором обеспечивается указанное так называемое стриоскопическое освещение, ниже кольцевой апертурной диафрагмы располагается третий конденсор (минилинза), облегчающий точное совмещение изображения кольце­ вой апертурной диафрагмы с апертурной диафрагмой объектива.

3.1.3. ОБЪЕКТ

Объект обычно располагается на сетке, представляющей собой небольшой диск из тонкой металлической ткани и помещаемой пад круглым отверстием объектодержателя. Давление внутри микроскопа поддерживается очень низ­ ким ( ~10~5 мм рт. ст.). В связи с этим пространство, в котором располагается объект, откачивается через спе­ циальный шлюз таким образом, что при смене, объекта в микроскоп попадает лишь очень небольшое количество воздуха. Попавший в прибор воздух обычно быстро уда­ ляется вакуумными насосами, с которыми постоянно соединено внутреннее пространство прибора.

Точное положение объекта относительно объективной линзы в значительной степени зависит от природы объекта и теоретического предела разрешающей способности микроскопа. Электронный микроскоп используется во многих областях науки. Исследуемые в нем объекты пред­ ставляют собой биологические ткани, аморфные твердые

122 Глава 3

тела, металлы, сегнетоэлектрические и ферромагнитные материалы. Большая часть усилий биологов, как это будет показано в гл. 5, направлена на препарирование объекта, после чего он оказывается пригодным для непосредствен­ ного исследования в микроскопе. Металловеды, например, заинтересованы в исследовании объектов при различных условиях в определенном интервале температур. Это позволяет, в частности, изучать процессы изменения кри­ сталлической структуры ряда сплавов, происходящие, как известно, в тех случаях, когда температура сплава достигает определенного критического значения. Большой интерес представляет также исследование явлений, обус­ ловленных деформацией металлов. Магнитные домены в ферромагнитных материалах изменяются под воздей­ ствием магнитных полей, и электронномикроскопические исследования этих изменений могут существенно попол­ нить наши сведения о природе магнетизма.

Исследование указанных проблем из области металло­ ведения связано с необходимостью применения специаль­ ных дополнительных устройств (приставок) для нагрева, охлаждения, деформации и др., размещение которых тре­ бует наличия соответствующего пространства в камере объектов, расположенной выше объективной линзы. Для биологических исследований прежде всего важно обеспе­ чить получение высококачественного изображения, что связано с необходимостью расположения объекта внутри поля объективной линзы. В ряде конструкций электрон­ ных микроскопов это достигается благодаря тому, что объектодержатель перемещается между башмаками полюс­ ного наконечника этой линзы. На фиг. 3.7 показано несколько типов держателей объектов микроскопов, приме­ няемых для различных целей.

Имеется, однако, исключение из указанных общих требований к объективным линзам электронных микро­ скопов,, предназначенных для биологических исследова­ ний. Оно обусловлено большой заинтересованностью био­ логов в достижении возможности электронномикроскопи­ ческих исследований живых объектов. Существенные труд­ ности проведения таких исследований, которые пока еще до конца не преодолены, состоят в том, что необходимые операции по препарированию и переход от атмосферного

давления к высокому вакууму, поддерживаемому в при­ боре (~ 1 0 -6 мм рт. ст.), неизбежно ведут к гибели живого объекта. Во избежание этого были предприняты .опреде­ ленные попытки создания небольшой автономной камеры, внутри которой созданы условия для сохранения живых объектов и через которую можно пропустить электронный пучок.

Увеличение электронного микроскопа, зависящее так­ же от тока возбуждения линз, не является строго фикси­ рованным, как в световом микроскопе. Поэтому прибор должен быть откалиброван таким образом, чтобы была известна зависимость увеличения от тока возбуждения его линз. Обычно эта калибровка производится с помощью различных тест-объектов, размеры которых можно опре­ делить с большой точностью. Для этой цели широко при­ меняются сферы из латекса диаметром примерно 2600 А, рассматриваемые при небольших увеличениях. При боль­ ших увеличениях в качестве тест-объектов используются кристаллические структуры с известными постоянными решетки (межплоскостпые расстояния). Так, для проме­ жуточных увеличений удобны кристаллы каталазы с по­

вторяющимся межплоскостным расстоянием 86 А, а для очень больших увеличений пригодны кристаллы фтало-

цианина меди (12 А) и частично графитизированной уголь­ ной сажи (3,4 А).

Методы препарирования объекта рассмотрены в гл. 5, посвященной вопросам применения электронных микро­ скопов, и здесь будет уделено внимание только проблеме загрязнения объекта. Установлено, что, несмотря на очень низкое давление, поддерживаемое в колонне микроскопа, поверхности объектов, облучаемые электронным пучком, покрываются слоем загрязнений. Электронный пучок падает на металлические поверхности всех апертурных диафрагм, расположенных на его пути, а также на иссле­ дуемый объект. Поэтому необходимо, чтобы апертурные диафрагмы были всегда чистыми, что достигается просто путем их периодического удаления и тщательной очистки. Что же касается объекта, то для его защиты от загрязне­ ния необходимо принять специальные меры. В противном случае он может быстро покрыться слоем инородных