Назовите основные части электронного микроскопа (РЭМ и ПЭМ).

Рис. 2. ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП (ПЭМ). Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в видимое или регистрируется на фотопластинке. В ОПЭМ можно получить увеличение до 1 млн. 1 - источник электронов; 2 - ускоряющая система; 3 - диафрагма; 4 -конденсорная линза; 5 - образец; 6 - объективная линза; 7 - диафрагма; 8 - проекционная линза; 9 - экран или пленка; 10 - увеличенное изображение.

 

 

Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной "броней" из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10-100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.

Рис. 1. МАГНИТНАЯ ЛИНЗА. Витки провода, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок.

Схема ОПЭМ представлена на рис. 2. Ряд конденсорных линз (показана лишь последняя) фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает неувеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта. Образец помещается в магнитном поле объективной линзы с большой оптической силой - самой важной линзы ОПЭМ, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000. Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ОПЭМ, составляет от менее 1000 до 1 000 000. Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку, вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим или электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправо-влево.

Изображение. Контраст в ОПЭМ обусловлен рассеянием электронов при прохождении электронного пучка через образец. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие - из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят, не претерпевая рассеяния. Степень рассеяния в какой-либо области образца зависит от толщины образца в этой области, его плотности и средней атомной массы (числа протонов) в данной точке. Электроны, выходящие из диафрагмы с угловым отклонением, превышающим некоторый предел, уже не могут вернуться в пучок, несущий изображение, а поэтому сильно рассеивающие участки повышенной плотности, увеличенной толщины, места расположения тяжелых атомов выглядят на изображении как темные зоны на светлом фоне. Такое изображение называется светлопольным, поскольку на нем окружающее поле светлее объекта. Но можно сделать так, чтобы электрическая отклоняющая система пропускала в диафрагму объектива только те или иные из рассеянных электронов. Тогда образец выглядит светлым на темном поле. Слабо рассеивающий объект часто бывает удобнее рассматривать в режиме темного поля. Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки.

РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП. В РЭМ применяются электронные линзы для фокусировки электронного пучка в пятно очень малых размеров. Можно отрегулировать РЭМ так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм, но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров. Это пятно непрерывно обегает некоторый участок образца аналогично лучу, обегающему экран телевизионной трубки. Электрический сигнал, возникающий при бомбардировке объекта электронами пучка, используется для формирования изображения на экране телевизионного кинескопа или электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), развертка которой синхронизирована с системой отклонения электронного пучка (рис. 3). Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. Это увеличение составляет от 10 до 10 млн.

Рис. 3. РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП (РЭМ/РПЭМ). Электроны, идущие от источника, ускоряются и фокусируются в узкий пучок на образце. Этот пучок перемещается по образцу отклоняющими катушками с током. Детекторы, расположенные выше образца, регистрируют рентгеновское излучение, вторичные и отраженные электроны. Электроны, прошедшие сквозь тонкий образец, регистрируются кольцевым детектором или, пройдя через энергетический анализатор, используются для формирования изображения на экране. 1 - источник электронов; 2 - ускоряющая система; 3 - магнитная линза; 4 - отклоняющие катушки; 5 - образец; 6 - детектор отраженных электронов; 7 - кольцевой детектор; 8 - анализатор.

Взаимодействие электронов сфокусированного пучка с атомами образца может приводить не только к их рассеянию, которое используется для получения изображения в ОПЭМ, но и к возбуждению рентгеновского излучения, испусканию видимого света и эмиссии вторичных электронов. Кроме того, поскольку в РЭМ перед образцом имеются только фокусирующие линзы, он позволяет исследовать "толстые" образцы.

 

42. Принципиальная схема Растрового Электронного Микроскопа с возможностью Локального Микроанализа. В чем состоит фокусировка по Роуланду?

Можно показать, что при использовании вогнутой решетки

с радиусом кривизны r фокусировка легко осуществляется, если входная щель и

ее изображение находятся на окружности радиусом r/2, касающейся вершины

вогнутой решетки, щели и всех ее монохроматических изображений (см. рис.3).

Такая окружность называется кругом Роуланда.

Рис.3. Фокусировка изображения щели на окружности Роуланда.

Рис 1.7. Режими работы линзовой осветительной системы: а) режим получения обычного ПЭМ-изображения; б) режим сходящегося электронного пучка; в) режим нанодифракции.

На рис. 1.7 представлена принципиальная схема линзовой системы осветителя. В неё входят две конденсорные линзы, одна конденсорная мини-линза и передняя часть объективной линзы. Рис. 1.7 (а) иллюстрирует траектории электронов в режиме параллельного широкого пучка, который обеспечивает максимальную когерентность электронного облучения образца. В этом режиме происходит сильное возбуждение конденсорной мини-линзы, благодаря чему электроны фокусируются в передней фокальной плоскости объективной линзы, после которой и достигается параллельность хода электронов. Этот режим используется для получения классических картин электронной дифракции, а также снимков дифракционного контраста и высокого разрешения.

На рис. 1.7 (б) показаны условия работы осветителя при формировании сходящегося пучка малого диаметра. Конденсорная мини-линза в этом случае выключается, и электроны фокусируются на образце с помощью

верхней части объективной линзы. При этом возникает угол схождения α1. Данный режим обеспечивает освещение лишь малой области образца (~1нм), но с повышенной интенсивностью воздействия на неё электронов. Такой режим подходит для проведения локального элементного анализа методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, а также для получения сложных дифракционных картин в сходящемся пучке (CBED).

На рис. 1.7 (в) изображён режим нанодифракции (NBED), в котором используется малый угол схождения α2. При таких условиях образец 15 освещается пучком одновременно и малого диаметра, и с относительно высокой когерентностью. Данный эффект достигается путем слабого возбуждения конденсорной мини-линзы. Такой режим удобен для наблюдения классических картин дифракции от областей размером в несколько единиц нанометров.