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

30 Глава 1

щее время предпринимаются попытки повышения разре­ шающей способности различными способами. Основной дефект электронных объективных линз — сферическая аберрация — ограничивает предельное разрешение элек­ тронного микроскопа до нескольких сотен длин электронных волн (вместо одной длины волны, как в случае свето­ вого микроскопа). С целью уменьшения влияния сфери­ ческой аберрации были исследованы различные корректи­ рующие устройства. По крайней мере теоретически предел разрешения может быть уменьшен также за счет исполь­ зования более коротких волн, т. е. более высоких уско­ ряющих напряжений. Однако для успешного осуществле­ ния этой возможности необходима объективная линза очень высокого качества.

Оба указанных пути повышения разрешающей способ­ ности, к сожалению, очень сложны и трудоемки. Поэтому быстрое развитие больших и высокопроизводительных вычислительных машин стимулировало появление совер­ шенно новой методики, по которой в каждой точке элек­ тронной микрофотографии измеряется степень почернения и результаты измерений в виде чисел вводятся в запоми­ нающее устройство вычислительной машины. Полученная при этом информация может быть затем обработана раз­ личными путями, позволяющими сосредоточить внимание на особенностях оригинального изображения, недоступных для визуального анализа. Результаты измерений в случае необходимости могут быть затем снова преобразованы в соответствующее изображение.

На фиг. 1.5—1.11 показаны электронные микроскопы различного типа — от прибора Кноля и Руска до микро­ скопа Дюпуи с ускоряющим напряжением 3 МВ.

1.4.2. РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

Довольно примитивный растровый микроскоп был построен еще в 1935 г. Кнолем, но первый растровый прибор с уменьшающими линзами был сконструирован

в1938 г. М. фон Арденне в его лаборатории в Берлине.

Вэтом приборе первичный пучок проходил через иссле­ дуемый объект и затем засвечивал фотобумагу, располо­ женную под объектом. Растровый микроскоп, в котором

для формирования изображения использовались вторич­ ные электроны, был описан в 1942 г. И. К. Зворыкиным, Дж. Хие и Р. Л. Снайдером в США. 13о второй поло­ вине 40-х годов в Парижском политехническом институте А. Леотэ был сконструирован растровый электронный микроскоп для исследования поверхностей металлов. Ф. Дэвуан, в свое время работавший в лаборатории Леотэ, построил аналогичный прибор в Японском университете.

В 1948 г. в Технической лаборатории Кембриджского университета под руководством К. Уотли были начаты исследования с растровым электронным микроскопом, которые интенсивно продолжаются до настоящего времени. Первый прибор, полностью усовершенствованный в 1952 г. Д. Мак-Мулланом, в некоторых отношениях существенно превосходил предшествующие растровые электронные микроскопы: часть вторичных электронов, эмнттированных исследуемым образцом (в результате бомбардировки последнего первичным электронным зондом) и улавливае­ мых коллектором, является значительной, и вторичный эмиссионный электронный ток усиливается усилителем нового типа, применение которого оказалось возможным только после войны; изображение может воспроизводить­ ся раздельно с помощью двух электроннолучевых тру­ бок — одной для визуального наблюдения и другой для соответствующего фотографирования; сканирование по­ верхности исследуемого образца электронным зондом осу­ ществляется с помощью двух пар специальных катушек таким образом, что отрицательное влияние дефектов линз, формирующих электронный зонд, сводится к минимуму.

В последующие годы в прибор были внесены дальней­ шие усовершенствования: электростатические линзы заме­ нены магнитными; вместо электронного умножителя в при­ боре стали использовать систему, состоящую из сцинциллятора и фотоумножителя (гл. 4); были введены вспо­ могательные устройства и методики, обеспечивающие возможность исследования самых разнообразных поверх­ ностных явлений. Промышленный вариант прибора был выпущен в 1965 г. фирмой «Кембридж инструмент компани».

Используя растровый электронный микроскоп рас­ сматриваемого типа, Р. Пиз и У. Никсон достигли пре-

с тем А. Крю в течение 60-х годов продолжает заниматься разработкой нового типа растрового микроскопа, осно­ ванного на использоваиирт плектронов, проходящих через исследуемый объект, в полной уверенности, что с помощью такого микроскопа может бт>тть достигнуто значительно лучшее разрешение. Возможность исследования толстых объектов расценивается как преимущество растрового электронного микроскопа по сравнению с просвечивающим электронным микроскопом обычттого типа. Можно считать, что это преимущество компенсирует более низкое разреше­ ние растрового микроскопа. Имеются гг другие преимуще­ ства, обусловленные формированием изображения после­ довательно, от точки к точке (гл. 4), из-за которых Крю решил пожертвовать возможностью исследования толстых объектов. В результате усилий Крю и его сотрудников был создан растровый микроскоп, в котором тонкий обра­ зец сканируется очень узким электронным зондом. Элек­ троны, прошедшие через объект и собранные коллектором, служат для формирования изображения, разрешение кото­ рого достигает разрешения первоклассных просвечиваю­ щих электронных микроскопов (нескольких ангстрем). Более того, изображение может быть «видоизменено» соответствующим образом с целью обнаружения интерес­ ных особенностей исследуемого объекта. Например, можно использовать тот факт, что электроны при прохождении через объект теряют часть энергии, и получить изображе­ ние объекта, сформированное только теми электронами, которые потеряли определенное количество энергии.

На фиг. 1.12 и 1.13 приведены фотографии двух разных растровых электронных микроскопов.

1.4.3.РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОАНАЛИЗАТОР

А. Гвинье высказал Р. Кастену идею анализа рентге­ новского излучения, испускаемого объектом, который сканируется тонким электронным зондом, с целью уста­ новления химической природы объекта по длине волны излучения. В Государственном управлении по изучению

иисследованиям в области аэронавтики (вблизи Парижа) Кастеном впервые был построен такой прибор. Первые

результаты работы с прибором были изложены на Между­ народной конференции по электронной микроскопии, состоявшейся в 1949 г. в Дольфте. Подробные данные об устройстве и параметрах прибора содержатся в доктор­ ской диссертации Кастена, опубликованной в 1951 г.

Результаты Кастена стимулировали исследования в об­ ласти рентгеновского микроанализа в Англии (Кем­ бридж), СССР и США. В Кембридже II. Данкамб ввел

вконструкцию мнкроанализатора сканирующую систему:

вприборе Кастена перемещался образец и анализировалась область, расположенная под неподвижным зондом, а ска­ нирующая система, введенная Данкамбом, позволяла ана­

лизировать различные области неподвижного объекта. В более поздних моделях были дополнительно введены средства для формирования изображения исследуемого объекта вторичными электронами. В 1964 г. Ле Поль опи­ сал новый тип магнитной линзы, которая стала известна под названием «мннилинза». Она оказалась особенно удоб­ ной для формирования зонда мнкроанализатора, и прибор с такой линзой был позднее построен Л. Фонтеном в Тех­ ническом университете в Дельфте.

В заключение отметим, что в приборах новейших типов сочетаются свойства просвечивающих электронных микроскопов (ЕМ) и рентгеновских микроанализаторов (МА). Первый прибор этого типа, известный под маркой EMMA, был построен Данкамбом, и затем эта идея была осуществлена во многих лабораториях. На фиг. 1.14 и 1.15 показаны фотографии некоторых микроаиализаторов.

ЛИТЕРАТУРА, РЕКОМЕНДУЕМАЯ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО ЧТЕНИЯ

Подробные сведения по электронной оптике и электрон­

в статье Крю [19]. Микроанализаторы рассмотрены Кастеном [14] и Данкамбом [26]. История развития электрон­ ных микроскопов описана несколькими авторами, в част­ ности Мартоном [64], Мальвеем [68, 69] и Габором [34].

ГЛАВА 2

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛИНЗЫ

2.1. УРАВНЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ

На заряженную частицу, попадающую в пространство, содержащее магнитное и электростатическое поля (или одно из этих полей), действуют определенные отклоняю­ щие силы, а в случае электростатического поля еще и сила, под действием которой изменяется скорость частицы. Ниже эти силы будут подсчитаны с помощью известных уравнений движения. Как мы увидим далее, в электронной микроскопии релятивистскими эффектами пренебрегать нельзя. Однако, поскольку влияние этих эффектов может быть рассчитано путем довольно простых преобразований результатов, получаемых из уравнений движения Ньюто­ на, в дальнейшем изложении будут использованы только эти уравнения.

Пусть электрон с зарядом —е (так что е — положи­

тельная величина, равная 1,6 • 10-19 К) движется со ско­ ростью v в пространстве с электростатическим полем Е и магнитным полем В. Электростатическое поле действует на электрон с силой Fg, параллельной вектору напряжен­ ности Е, но обратной ему по направлению, т. е. Fg = = —еЕ. Магнитное поле действует на электрон с силой

Fb , перпендикулярной как вектору индукции поля В, так и вектору скорости электрона v, т. е. FB = —ev X В (знак X обозначает векторное произведение). Таким обра­ зом, из выражения для Fb следует, что сила действия магнитного поля па электрон перпендикулярна векторам v и В и по величине равна evB sin 0, где v и В — модули век­

торов v и В, а 0 — угол между ними. Следовательно, сум­ марная сила F, действующая па электрон, будет опреде­ ляться выражением

F = FJ5+ F b = _ е (E + v X В).

Если масса электрона равна т и его положение в простран­

стве определяется вектором г, то уравнение движения

электрона в пространстве с электрическим и магнитным полями будет иметь вид

Это уравнение является общим. Теперь рассмотрим случаи действия магнитного и электростатического полей на