Файл: Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 112
Скачиваний: 2
150 Глава 3
но, величина этих токов будет отличаться почти идеаль ной стабильностью. Но именно такими свойствами долж ны обладать обмотки возбуждения электронных линз (т. е. высокие значения токов при незначительных тепло вых потерях и максимальной стабильности). Был разрабо тан ряд электронных линз, основанных на использовании сверхпроводящих обмоток, свойства которых в настоящее время интенсивно исследуются. Микроскоп с оптической системой, которая полностью состоит из сверхпроводящих линз, введен в строй в Колеж де Франс (Париж) в 1971 г. Основное неудобство работы со сверхпроводящими лин зами заключается в необходимости постоянного охлаж дения их обмоток до очень низкой температуры. Был предложен ряд материалов, переходящих в сверхпроводя щее состояние при более высокой температуре, чем пере численные выше элементы. Это сверхпроводники второго
рода, |
например |
Nb3Sn (Т с « |
18 К, |
Н с « 25 000 А/мм), |
||
NbZr |
(Гс « 1 0 |
К, Н е « 5 0 0 0 |
А/мм) |
и NbTi ( Т с « 9 К, |
||
IIс « 1 0 000 |
А/мм). |
Но таким путем |
кардинально проб |
|||
лему решить |
нельзя, |
поскольку верхним пределом для Т с |
все еще остается очень низкая температура (~ 20 К). Гораздо менее очевидной является опасность достижения критической напряженности магнитного поля, свойствен ной данному сверхпроводнику. Однако следует иметь в виду, что при этом наступает скачкообразный переход обмотки в нормальное состояние со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Однако техноло гия сверхпроводящих магнитов развивается очень быстро,
иужо найдены способы конструирования обмоток, которые позволяют достичь необходимых высоких плотностей тока
ивместе с тем сохранить состояние сверхпроводимости.
Среди различных конструкций сверхпроводящих линз одни весьма сходны с обычными линзами, другие заметно отличаются от них. Простейшая линза представляет собой неэкранированпую обмотку с распределением поля, ана логичным распределению поля соленоида. Полуширина поля в этом случае является значительной, что весьма нежелательно с точки зрения достижения малых коэффи циентов аберрации. Однако указанная полуширина может быть уменьшена благодаря применению сверхпроводящих экранов, располагаемых с обеих сторон обмотки (фиг. 3.17).
Ф и г . 3.17. Сверхпроводящая линза, в которой для ограничения В (z) вдоль оси z используются сверхпроводящие экраны (а); рас пределение поля В (z) в представленной выше линзе (б) [23].
1 — сверхпроводящие цилиндрические экраны: 2 — сверхпроводящие обмотки; з — центральная трубка; * — внутренняя оболочка; 5 — сосуд с жидким
гелием; в — стигматор и отклоняющая система.
40 ММ
Ф и г. 3.18. Конструкции сверхпроводящих линз, в которых катуш ки дают прямой вклад в поло В (z) в отличие от случая, когда они
создают только магнитодвижущую силу в магнитопроводе (о); рас пределение поля В (z) в представленных выше линзах (б) [35].
L соответствует фиг. 3.18, а (слева) |
и Л — фиг. 3.18, а (справа)',----------поля, |
созданные только катушками; 1 — N1 = 85 000 ампер-витков; 2 — N1 = |
|
= 74 000 |
ампер-витков. |
Электронный микроскоп |
153 |
При этом сжатие зоны распределения поля В (z) обуслов
лено тем, что магнитный поток в сверхпроводящий мате риал проникнуть не может.
Если обмотка заключена в железный панцирь, то необ ходимое поле можно создать либо обычным способом посредством полюсных наконечников с узким зазором, либо путем непосредственного использования поля обмот
ки при значительно более ши |
1 |
|
|||||
роком зазоре (фиг. 3.18). |
|
||||||
В |
подобных |
конструкциях |
|
|
|||
напряженность магнитного поля |
|
|
|||||
может довольно легко достигать |
|
|
|||||
таких значений, |
при |
которых |
|
|
|||
железный магнитопровод будет |
|
|
|||||
насыщаться. |
В этом случае по |
3 |
|
||||
луширина поля увеличивается, |
|
||||||
Ф и г . 3.19. Сверхпроводя |
|||||||
что приводит к ухудшению ха |
|||||||
рактеристик |
линзы. |
Частично |
щая линза с полюсным на |
||||
конечником нз редкоземель |
|||||||
этого можно избежать благодаря |
ных металлов гольмия |
или |
|||||
применению полюсных наконеч |
диспрозия [У]. |
(Но |
|||||
ников, изготовленных из мате |
1 — полюсный наконечник |
||||||
или Dy); 2 — ярмо; з — ка |
|||||||
риалов, которые |
насыщаются |
тушка. |
|
||||
при |
очень |
высокой напряжен |
|
|
ности магнитного поля. В качестве таких материалов могут быть использованы редкоземельные металлы гольмий По и диспрозий Dy, обладающие ферромагнитными свойствами при очень низких температурах (при 4,2 К намагниченность
D y/ |
соответствующая состоянию насыщения, составляет |
2,9 |
Т, а Но 3,1 Т). Для чистого железа (при комнатной тем |
пературе) указанная намагниченность равна 2,1 Т, а для ко бальтовой стали 2,45 Т. На фиг. 3.19 и 3.20 приведены устройство и расчетные характеристики сверхпроводящих линз с полюсными наконечниками из редкоземельного металла.
Каковы же преимущества высоковольтных микроско пов? Прежде всего они позволяют исследовать на просвет толстые объекты. При этом электронномикроскопиче ское изображение объекта представляет собой супер позицию изображений его отдельных структур и опреде ление их взаимного расположения оказывается затрудни тельным. Эту трудность можно, правда, преодолеть путем
|
|
О |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
|
|
|
ф,т |
|
|
|
|
Ф и г. 3.20. Свойства линзы, показанной на фиг. |
3.19 |
[9]. |
||||||
S — 5 мм; |
D = |
2 мм; А |
соответствует |
В 0 = |
3.5 Т, В — В 0 = |
4т, |
||
С — В„ = |
4.5 Т. |
D — Во = |
5 Т. |
Е — В„ = |
5.5 Т. F — В, = |
6 Т . |
G — В0 = |
= 6,16 Т; а — фокусное расстояние объективной линзы и расстояние между фокусами; б • | - С,с‘
Электронный микроскоп |
155 |
получения пары электронных микрофотографий |
одного |
и того же участка, снятых при различных небольших углах наклона объекта. При наблюдении этих микрофотографий посредством стереоскопа достигается возможность уста новления объемной структуры исследуемого объекта.
Далее, при исследовании в высоковольтном приборе тонких объектов может быть достигнута более высокая разрешающая способность. Однако, поскольку электроны с высокими энергиями тонким объектом рассеиваются слабо, контраст изображения оказывается низким. С целью его повышения были разработаны новые методы окраши вания, а в Тулузском приборе был успешно реализован остроумный метод удаления из пучка электронов, кото рые не несут никакой информации об объекте. Метод состоит в том, что центральная часть пучка диафрагми руется специальной «диафрагмой контраста», и изображе ние формируется в основном электронами, испытавшими отклонение в объекте и, следовательно, несущими инфор мацию о нем.
Высоковольтный микроскоп имеет также ряд других, менее заметных преимуществ: влияние некоторых источ ников хроматической аберрации при высоком напряжении оказывается значительно меньшим; влияние сферической аберрации на точность определения области, исследуемой методом микродифракции, существенно уменьшается; для данной толщины объекта количество рассеиваемой в нем энергии электронного пучка при более высоком напряже нии меньше, что в свою очередь снижает степень повреж дения объекта.
3.3. РЕЖ ИМЫ РАБОТЫ
Ранее уже упоминались некоторые из режимов работы электронного микроскопа, предназначенные, в частности: для изучения изображения объекта; для исследования его дифракционной картины; для получения темнопольного изображения. Указанными режимами не исчерпываются возможности электронного микроскопа, и в этом разделе будут описаны наиболее часто применяемые режимы рабо ты, за исключением режима прямого формирования изоб ражения.
156 |
Глава 3 |
В последующем изложении будет использовано понятие степени когерентности электронного пучка, освещающего объект. Этот технически строго определенный термин
Фронт плоской болны
Интерференционная
картина
Коллимирующая
линза
А*АА
А
а л
5 |
в |
|
Ф и г . 3.21. Интерференционные полосы Юнга.
а — в идеальном случае узкие щели освещаются плоскими волнами, исходя
щими из монохроматичного точечного источника; б — характер изменения интерференционных полос для двух близких по величине длин волн; в —
характер изменения интерференционных полос в случае, если источник не является исчезающе малым (показаны полосы от трех соседних точек источника); г — в электронном микроскопе источник имеет конечный размер; объект освещается множеством плоских волн, распространяющихся в слегка различных направлениях.
широко используется также для качественной характе ристики некоторых свойств освещения, которые являются предметом дальнейшего рассмотрения. Поэтому во избе жание излишних повторений целесообразно дать краткое
Влектронный микроскоп |
157 |
описание сущности упомянутого понятия. Явления, свя занные с когерентностью освещения, проще всего можно понять путем анализа оптической схемы получения интер ференции по Юнгу (фиг. 3.21, а), хотя это и может пока
заться весьма далеким от рассматриваемых целей. В идеаль ном случае две предельно узкие щели освещаются совер шенно параллельным монохроматичным пучком; если осве щение точно параллельно, то оно должно исходить из источника исчезающе малых размеров и затем преобразо вываться в параллельный пучок с помощью качественной коллимирующей линзы. В действительности таких точеч ных источников строго монохроматичного излучения не существует. Степень когерентности освещения, исходя щего из реального источника, можно оценить по степени его сходства с описанным выше идеальным источником. Каково же влияние конечных размеров источника и раз броса длин волн излучаемого им света на интерференцион ную картину?
Рассмотрим сначала влияние длины волны, находя щейся в весьма простой связи с периодичностью полос. Если X представляет собой центральную длину волны, то интерференционная картина, соответствующая X ± Alt, не совпадет с картиной, соответствующей X. Вблизи
центра картины это едва заметно, однако дальние полосы оказываются размытыми и менее четкими (фиг. 3.21, б).
Если источник обладает протяженностью, направленной, например, перпендикулярно щелям, то его можно считать эквивалентным ряду последовательно расположенных друг за другом точечных источников. В данном случае каждый из источников обусловливает возникновение интерферен ционной картины, полосы которой несколько сдвинуты относительно полос, соответствующих интерференционной картине соседнего источника (фиг. 3.21, в). В результате
этого общая интерференционная картина протяженного источника будет представлять собой ряд размытых полос, исчезающих совсем при некоторой ширине источника. Пользуясь терминологией волновой оптики, можно счи тать, что параллельный пучок, исходящий из монохрома
тичного точечного источника, состоит из |
плоских |
волн |
и что фазы освещения у щелей при этом одинаковы. |
Если |
|
освещение исходит из точечного источника, |
но не колли |
158 Глава 3
мируется, то поллы будут сферическими, а соотношение фаз волн, соответствующих щелям Si и S 2, будет сохра
няться неизменным. Две точки считаются когерентно освещенными, если фазы возмущений, достигающих этих точек, равны или отличаются на постоянную величину (постоянную в том смысле, что она не изменяется во вре мени). И наоборот, две точки являются некогерентно осве щенными, если между фазами возмущений, достигающих этих точек, какая-либо связь вообще отсутствует; это соответствует случаю, когда каждая из двух щелей в схе ме Юнга освещается независимым источником, а попада нию света от какого-либо источника одновременно на обе щели препятствует специальный экран. Пи один из двух указанных предельных случаев, вообще говоря, на прак тике не имеет места, и освещение обычно является частич но когерентным.
В электронной микроскопии всегда принимаются спе циальные меры для обеспечения иаилучшей монохрома тичности пучка. К таким мерам, в частности, относится тщательный контроль температуры элементов системы стабилизации электрического питающего устройства при бора, но в этом направлении возможности современной технологии, по-видимому, уже почти исчерпаны. Когда говорят о когерентности, то обычно имеют в виду угловое рассеяние семейства плоских или сферических волн,
падающих |
на |
объект из различных точек источника |
(фиг. 3.21, |
г). |
Если говорят о необходимости применения |
высококогерентного освещения, то подразумевают, что разброс по длинам волн должен быть мал и что должны быть приняты специальные меры, обеспечивающие осве щение объекта электронами, исходящими из очень неболь шой эмиттирующей области катода. Теперь становится ясным, почему в этом отношении остроконечные катоды предпочтительнее V-образных.
3.3.1. МИКРОДИФРАКЦИЯ2С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕЛЕКТОРНОЙ ДИАФРАГМЫ
|Дифракционная картина от кристаллических материа лов состоит из серии пятен. Она формируется, строго говоря, в плоскости, сопряжзнной с кроссовером пушки