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

увеличения промежуточного изображения, сформирован­ ного объективной линзой, и обеспечения возможности изменения электроннооптического увеличения в широком диапазоне (путем соответствующего изменения тока воз­ буждения этих линз). Так, например, в микроскопе ЕМ 300 фирмы «Филипс» достигаются увеличения от Х2800 до X 500 000, а при незначительной модификации может быть также получен диапазон увеличений от х220 до Х3900 (фиг. 3.9).

Кроме того, эти линзы позволяют менять режим рабо­ ты микроскопа. В микроскопах высшего класса изменение режима облегчается благодаря применению дополнитель­ ной линзы. Выше был описан режим работы микроскопа, при котором объектив формирует изображение объекта, а последующие линзы отображают это промежуточное изображение на конечном экране с большим увеличением. Изменением возбуждения промежуточной и проекционной линз можно достигнуть того, чтобы конечный экран ока­ зался сопряженным не с промежуточным изображением, а с любой другой интересующей нас плоскостью. Как будет показано ниже, большой интерес представляет рас­ пределение электронов в фокальной плоскости объектива в пространстве изображений.

Для понимания особой роли фокальной плоскости объектива необходимо вспомнить некоторые элементарные свойства кристаллов или регулярных структур вообще. Многие материалы, состоящие из атомов одного или нескольких видов, могут в определенных условиях приоб­ рести регулярную структуру. Простым примером этого служит углерод, который может быть либо аморфным, либо кристаллическим (алмаз, графит). Типичное расстоя­ ние между атомами в кристаллах составляет несколько ангстрем, и поэтому рентгеновские лучи, падающие на кристалл, будут формировать дифракционную картину точно так же, как и свет, падающий на тонкую регуляр­ ную решетку. Формирование дифракционной картины будет рассмотрено ниже (см. разд. 3.3 и 3.4). Здесь отме­ тим только, что она состоит из пятен или линий, положе-

300 фирмы «Филипс», который имеет две промежуточные линзы, расположенные между объективной и проек­ ционной линзами (см. фиг. 1.46).

ния которых непосредственно зависят от структуры кристалла. Если объект представляет собой не крупный кристалл, а большое число мелких, хаотически располо­ женных кристаллов, то дифракционная картина будет состоять не из пятен, а из концентрических колец, по кото­ рым также можно получить ценную информацию о пер­ вичной структуре материала. Дифракционные картины могут быть сформированы также электронами, проходя­ щими через кристаллические вещества, что тоже позволяет получить данные для определения их структуры. Указан­ ная картина возникает в фокальной плоскости объектива (или вблизи нее), поэтому электрическая схема микро­ скопа выбирается таким образом, чтобы его можно было переключать на режим дифракции (при этом промежуточ­ ная и проекционная линзы формируют сильно увеличен­ ное изображение дифракционной картины). Некоторые микроскопы, специально разработанные с учетом этой воз­ можности, снабжены прецизионными устройствами для наклона объекта, позволяющими получать дифракцион­ ные картины, соответствующие различным ориентациям кристаллической структуры.

Параметром микроскопа, используемым в анализе электронных дифракционных картин, является длина камеры L, определяемая как произведение фокусного

расстояния объектива и общего увеличения, даваемого промежуточной и проекционной линзами в режиме дифрак­ ции. Если известна L, то по положению пятен в дифрак­

ционной картине можно рассчитать размеры элементов кристаллической решетки.

Указанные линзы сферическую аберрацию практиче­ ски не вносят, так как углы, под которыми электроны про­ ходят через линзы, настолько малы, что даже наибольшая его величина, возведенная в кубическую степень, оказы­ вается ничтожно малой. Однако эти линзы могут вносить дисторсию и, что особенно важно, хроматическую абер­ рацию увеличения. При тщательном выборе конструкции системы обе указанные аберрации могут быть уменьшены до приемлемых значений. Следует отметить, что дисторсия, хотя она и нежелательна, не ухудшает четкости изображения, и поэтому с невозможностью ее полного устранения можно смириться. Что же касается хромати­

ческой аберрации, то она является динамическим эффек­ том, вызывающим ухудшение четкости изображения, что, следовательно, вызывает необходимость ее устранения или хотя бы уменьшения до приемлемого предела.

3.1.6. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ

Конечное изображение на люминесцентном экране микроскопа наблюдают через специальное смотровое окно. Обычно объект сначала изучается при малом увеличении, и интересующее место выводится на центр экрана. Затем увеличение повышается до тех пор, пока не станут види­ мыми детали структуры, и по достижении этого изобра­ жение можно зарегистрировать фотографически. В новей­ ших микроскопах этот последний этап почти полностью автоматизирован (люминесцентный экран удаляется с пути электронного пучка, измеряется яркость электронного изображения, устанавливается соответствующее время экспозиции, затвор открывается и пропускает электроны к фотопластинке или пленке; по истечении необходимого времени экспозиции затвор закрывается, экспонированная пленка (или пластинка) заменяется новой и люминесцент­ ный экран снова устанавливается в исходное положение). Для предотвращения вибрации механический форвакуумный насос во время регистрации изображения выклю­ чается.

Описанный способ наблюдения и регистрации элек­ тронного изображения является общепринятым. Микро­ скоп также может быть оснащен телевизионной системой, которая позволяет наблюдать изображение большому числу исследователей.

Между чувствительностью фотографических эмульсий к свету и к электронам имеются интересные отличия. Вследствие передачи некоторой энергии падающим свето­ вым или электронным пучком одному из кристаллов гало­ генида серебра, содержащихся в фотоэмульсии, образуют­ ся небольшие скопления атомов серебра (так называемые центры проявления). В процессе проявления кристаллы,

вкоторых образовались такие скопления, превращаются

вметаллическое серебро гораздо быстрее других кристал­ лов, и в результате этого возникает своего рода паутина

из серебряных нитей. Оказалось, что для указанного процесса проявления вместо нескольких фотонов требует­ ся всего лишь один электрон, и это различие имеет важ­ ное значение с точки зрения установления зависимости почернения проявленной пленки (или пластинки) от рас­ пределения интенсивности падающего излучения. Почер­ нение описывается прозрачностью t, определяемой как

отношение количеств световой энергии, прошедших через соответственно экспонированные и неэкспонированные участки эмульсии проявленной фотопластинки (или плен­ ки). Более распространенной мерой чувствительности эмульсии является, однако, оптическая плотность D,

определяемая как

D = - \ g t .

(При D = 1 пластинка на глаз кажется светло-серой, а при D = 3 — совершенно темной.) Можпо показать, что при

электронном облучении, для которого характерны процессы одноэлектронных взаимодействий с эмульсией,

D — D0(\ — e~NA),

где D 0 — значение насыщения, N — число электронов, падающих на единицу площади, А — средняя площадь

сечения кристалла галогенида серебра. Разлагая это выражение в ряд и пренебрегая членами, содержащими вторую и более высокие степени, получим

D « D0N A ~ N .

С другой стороны, для света, характеризующегося процес­ сами многофотонных взаимодействий, имеет место выра­ жение

D ~ l g ( N / N 0),

записанное в том же приближении. Здесь N 0 — постоян­ ная, а N обозначает экспозицию. Постоянная пропор­

циональности у в выражении

D = y \g ( N / N 0)

является мерой контрастности эмульсии. Если построить график зависимости D от lg ( N /N о) для эмульсии, экспо­

нированной светом, то получится кривая с протяженным

1 4 0 Глава 3

линейным участком, тангенс угла наклона которого равен у; это известная кривая Хертера — Дриффилда. Для электронов кривая с лилейным участком получается при построении зависимости D от N. Контрастность у в линей­

ной области кривой одноэлектронных взаимодействий прямо пропорциональна D: у = 2,3D. Следовательно,

в сравнимых условиях все эмульсии при электронном облучении имеют одинаковую контрастность.

3.1.7. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Для обеспечения электронного микроскопа ускоряю­ щим напряжением, током питания линз, энергией для питания и управления системой откачки колонны прибора (особенно внутреннего пространства камеры объектов и фотокамеры, куда часто напускается воздух) и т. д. требуется сложное электротехническое и электронное оборудование. Здесь нет необходимости детального описа­ ния электрических устройств для питания линз и источ­ ника высокого ускоряющего напряжения. Однако следует подчеркнуть особое значение стабильности выходных параметров указанных частей питающего устройства при­ бора. В микроскопе ЕМ 300 фирмы «Филипс», снабженном электрическим питающим устройством на полупроводни­ ках, стабильность тока объективной линзы очень высока, и дрейф этого тока составляет менее 2 ,5 -Ю^/мин; дрейф токов других линз равен 1-10_6/мин, а высокое напряже­

8"10_6/мин для других линз и 5«10-6/мин для ускоряю­ щего напряжения (при среднем дрейфе в течение 40 мин 2> 10_в/мин). Блок-схема электрического питающего устрой­ ства этого микроскопа представлена на фиг. 3.10.

Вакуум в микроскопе достигается с помощью трех насосов. Центробежный насос используется для предва­ рительной откачки прибора (если все его внутреннее пространство находится под атмосферным давлением), а также для откачки буферного (или форвакуумного) баллона. Высокий вакуум достигается и поддерживается с помощью масляного диффузиопного насоса, характери­ зующегося высокой скоростью откачки. Такие насосы

требуют довольно низкого перепада давлений, что дости­ гается путем применения дополнительного ртутного диф­ фузионного насоса или пароструйного ртутного насоса, который включается между масляным диффузионным насо­ сом и форвакуумным баллоном. Таким образом, газ, отка-

220В, 50[60 Гц

А — система отклонения пучка; ОЬ — объектив; Ob-S — стигматор объектива; Р1 — промежуточная линза: P1-S — стигматор промежуточной линзы; Р2 — проекционная линза; Е — экран конечного изображения; 1 — высоковольтный

лировка отклоняющей системы; 11 — цепь регулировки температуры объек­ тива. охлаждаемого водой; 12 — экспозиционный затвор.

чиваемый из микроскопа с помощью масляного диффу­ зионного насоса, попадает в ртутный диффузионный насос, а из него в форвакуумный баллон, который перио­ дически откачивается центробежным насосом. На фиг. 3.11 представлена откачная система микроскопа«Эльмископ 101» фирмы «Сименс», а на фиг. 3.12 иллюстрируется соответ­ ствующая ей схема вакуумных цепей.