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

частицы при прохождении через пространство, между различными точками которого создается соответствующая разность электрических потенциалов Ф, могут приобрести высокую скорость, выражение для количества движения частиц р целесообразно заменить выражением, содержа­ щим величину Ф. Если частица с зарядом —е проходит

через область, в которой величина потенциала изменяется от 0 до Ф, то в соответствии с законом сохранения энергии

где v — скорость и т — масса частицы. Выберем нулевое

значение потенциала* таким образом, чтобы при Ф = О частица была неподвижной. Тогда

Это типичное значение длины электронных волн, исполь­ зуемых в электронных микроскопах.

Простые (нерелятивистские) расчеты показывают, что электрон, ускоренный разностью потенциалов в несколько десятков киловольт, имеет длину волны намного мень­ ше 1А. Поскольку мельчайшие структуры, включая

атомы, имеют размеры ~ 1 А, вполне очевидно, что если будет найдена возможность формировать изображение электронами, то при соответствующей величине числовой апертуры разрешающая способность окажется достаточной для всех практических целей. Ниже мы увидим, что на разрешающую способность электронного микроскопа, помимо длины электронной волны, влияют и другие огра­ ничивающие факторы. Тем не менее существует возмож­

16 Глава 1

ность достижения высокого разрешения 1), очень близкого к тому, которое когда-либо может потребоваться. Очень близкого, но не точно такого: большинство современных исследований в области электронной оптики направлено на решение трудной проблемы создания таких электрон­ ных микроскопов, с помощью которых можно было бы исследовать более мелкие структуры, чем это возможно в настоящее время. Предел разрешения, достижение кото­ рого позволило бы с достаточной уверенностью судить о точности изображения (если приняты соответствующие

с очень короткой длиной волны не удается использовать для целей микроскопии. Это обусловлено тем, что трудно или вообще невозможно найти материалы, которые могли бы действовать на указанное излучение как линзы, и поэтому формирование увеличенного изображения ока­ зывается невозможным. Идея создания электронного микроскопа возникла в конце 20-х годов после открытия возможности и средств фокусировки заряженных частиц.

Наиболее подходящим средством изменения направле­ ния движения электрона является воздействие па него электрическим или магнитным полем. Например, рас­ смотрим электромагнит с цилиндрическим каналом (фиг. 1.2). Если в этот канал направить электронный пучок, имеющий форму полого цилиндра, так, как пока­ зано на фиг. 1.2, то на входе в канал электроны начнут вращаться вокруг оси цилиндра, совпадающей с осью канала электромагнита. Это обусловлено тем, что на них начинает действовать сила, перпендикулярная направле­ нию их движения и радиальной составляющей магнит­ ного поля. (Азимутальная составляющая магнитного поля

х) Термин «разрешение» может внести путаницу: термины «раз­ решение» и «разрешающая способность» обычно используются как взаимозаменяемые, и хорошая разрешающая способность соответ­ ствует высокому разрешению, в то время как плохая разрешающая способность — низкому разрешению. Поэтому у прибора с высоким разрешением предел разрешения является очень низким.

18 Глава 1

фокусировки электронов, хотя в настоящее время электро­ статические линзы в электронных микроскопах исполь­ зуются редко.

При более детальном исследовании электронных линз (гл. 2) мы увидим, что описанные выше электрические

имагнитные поля изменяют направление движения элек­ тронов и, кроме того, при достаточном приближении электронов к оси симметрии обладают свойствами линз, т. е. фокусирующими свойствами. Это значит, что если определенное количество электронов проходит через одну

иту же точку какой-либо плоскости P it расположенной перед линзой, то существует другая плоскость Р г, рас­

положенная за линзой, в которой все указанные электроны снова пройдут через одну точку. (Точно так же, как и в световой оптике, эти плоскости могут быть действитель­ ными или мнимыми.) Более того, для описания свойств электронных линз можно использовать фокусное расстоя­ ние и положения фокальной плоскости. Известная в све­ товой оптике элементарная формула линз будет также справедлива, только с одной оговоркой. Фокусирующее действие электронной линзы в отличие от тонкой стеклян­ ной линзы не локализовано в какой-либо плоскости (или вблизи нее), а простирается на определенное расстояние. Поэтому электронные линзы следует рассматривать как толстые линзы, и для анализа их свойств необходимо

пользоваться уравнениями для толстых линз, приведенны­ ми в гл. 2.

1.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСКОПЫ

Мы можем изготавливать линзы, позволяющие фоку­ сировать электроны. Чтобы их можно было использовать в электронном микроскопе, необходимо иметь возмож­ ность создания электронного пучка, несущего информа­ цию об исследуемом объекте; необходимо также после соответствующего увеличения иметь возможность извлечь указанную информацию. Ниже мы увидим, что все эти требования могут быть удовлетворены и что можно скон­ струировать прибор, который теоретически подобен све­ товому микроскопу, но отличается от него почти во всех практических отношениях. Наиболее существенное разли-

достаточно большие углы, задерживаются диафрагмой, и только электроны, отклонившиеся на очень малые углы, пройдут через отверстие диафрагмы и будут продолжать свое движение в микроскопе. Вследствие этого в точках конечного изображения, соответствующих месту распо­ ложения тяжелых атомов объекта, электронов окажется меньше, чем в других точках этого изображения. Таким образом, хотя в данном случае амплитудный контраст в том смысле, в каком его понимают в световой микроскопии, не имеет места (прозрачность объекта везде одинакова), все ню можно считать, что из-за наличия апертурной диафрагмы достигается эффект, эквивалентный амплитуд­ ному контрасту.

После объектива электроны проходят через две увели­ чивающие линзы — промежуточную и проекциопную. Наконец, неоднородности распределения плотности элек­ тронов в пучке, соответствующие определенным деталям объекта, необходимо сделать видимыми. Это достигается за счет того, что электронный пучок падает либо на люминесцентный экран, либо на фотопленку или фото­ пластинку. Оператор наблюдает за люминесцентным экра­ ном через стеклянное окно в тубусе микроскопа. При обнаружении интересной структуры указанный экран, под которым расположена фотопленка или пластинка, удаляется с пути электронного пучка с целью получения

Ф и г. 1.4а. Общий вид колонны электронного микроскопа. Прибор

жуточная линза; 7 — проекционная линза; 8 — окно для наблюдения; в — фо­ токамера; ю — сервомотор для перемещения катода; 11 — катод; 12 — управ­ ляющий электрод; 13 — анод; 14 — электромагнитный стигматор конденсора; 15 — регулировка апертурных диафрагм конденсора; 16 — отклоняющая система; 1 7 — автоматический пуск воздуха и откачка камеры шлюзования объекта; 18 — патрончик объекта; 19 — исследуемый объект; 20 — устройство

для защиты объекта от загрязнений; 21 — регулировка апертурных диафрагм объектива; 22 — электромагнитный стигматор объектива; 23 — селекторные диафрагмы промежуточной линзы; 24 — зеркало для наблюдения промежуточ­ ного изображения; 25 — электромагнитный стигматор промежуточной линзы;