Длина волны характеристических линий и потенциал возбуждения К-серии ряда элементов. 6 страница

В настоящее время каскадные усилители света строятся с общим усилением до 10⁵ при рабочем напряжении 20кВ на каскаде. Наличие нескольких каскадов, хотя и снижает разрешающую способность прибора, но использование тонких мембран (рис. 6.5,а) и мелкозернистых экранов позволяет получать в четырехкаскадной системе разрешение порядка 10 штрихов на миллиметр. Полупрозрачный металлический экран на элементе (рис.6.5,а) предусмотрен для ликвидации обратной оптической связи, т.е. обратной засветки излучением экрана предыдущего фотокатода. Он представляет собой тонкую алюминиевую пленку прозрачную для быстрых электронов и непрозрачную для света.

В настоящее время техника усиления света развита ещё в недостаточной степени, но в принципиальном отношении рассматриваемая проблема принадлежит к числу немногих основных задач оптики. Если микроскоп, расширяя возможности человеческого глаза, позволяет наблюдать очень малые объекты, телескоп – весьма удаленные, то усилитель света предназначен для изучения самосветящихся объектов, которые невидимы по тому, что они посылают в глаз слишком мало света. Решение первых двух задач было найдено в рамках обычной геометрической оптики, решение третей задачи, лежит за пределами возможностей световой оптики, и было осуществлено только в результате использования законов электронной оптики.

3.5. Электронные микроскопы.

Электронный микроскоп имеет такое же назначение, как и его оптический аналог: он служит для получения увеличенных изображений предметов, невидимых вооруженным глазом. Причина того, что современный электронный микроскоп превосходит оптический, связана с различием в длине волны электронных и световых лучей.

В отсутствии иммерсии минимальное разрешаемое оптическим микроскопом расстояние между самосветящимися точками объекта (разрешающая способность микроскопа) определяется по формуле:

, (3.5)

где q/2-апертурный угол (рис. 6.5).

Если в микроскоп рассматриваются освещенные, а не самосветящиеся объекты, т.е. отдельные точки объекта, рассеивают падающие на них волны, исходящие из одной и той же точки источника, и, следовательно, свет, идущий из разных точек объекта, оказывается когерентным, то формула (3.5) принимает вид:

. (4.5)

Рис.6.5. Апертурный угол.

Сопоставление формул (3.5) с (4.5) показывает, что различие несущественно. У современных оптических микроскопов sin(q/2) доходит до 0,95, так что возможно разрешение деталей имеющих размер порядка длины волны света.

Для электронных лучей длина волны де-Бройля определяется из равенства:

, (5.5)

где U-разность потенциалов, пройденная электронами, формирующими изображение. Величина U в этой формуле выражена в вольтах, а l_е в ангстремах. Если принять что ускоряющее напряжение U=100 кВ (обычное напряжение в современном электронном микроскопе), то l_е=0,04 . Это согласно формулам (4.5 и 5.5) означает, что электронный микроскоп может обладать в 10⁵ раз лучшей разрешающей способностью, чем оптический. Однако в действительности из-за

ограничений (аберраций), обусловленных конструкцией электромагнитных линз и методиками приготовления образцов в повседневной работе на хорошем

электронном микроскопе может быть достигнуто разрешение около 10 .

Для полного использования разрешающей способности необходимо обеспечить большое увеличение. Однако даже при увеличениях ´(1000-2000) высокое разрешение электронного микроскопа дает возможность получать гораздо более четкие изображения, чем с помощью оптического микроскопа. Современные электронные микроскопы не только обладают огромным диапазоном увеличений ´ (200 -500000), но и позволяют изучать образец с помощью методов электронной дифракции и темного поля, что дает существенную дополнительную информацию. В настоящее время электронная микроскопия является совершенно не заменимым методом в тех случаях, когда требуется проводить детальные исследования тонкой структуры вещества.

Теория и конструкции современных электронных микроскопов достаточно полно описаны в специальной литературе. В настоящем разделе представлено только в общих чертах, что такое электронный микроскоп, что с его помощью можно и чего нельзя сделать, а также в чем заключается электронно микроскопическое исследование тонкой структуры вещества.

1.3.5. Принцип работы электронных микроскопов.

При облучении образца электронным пучком электрон может:

1. Пройти через вещество, не взаимодействуя с ним.

2. Претерпеть упругое рассеяние – изменить направление движения без изменения энергии.

3. Продифрагировать – отклониться в избранном направлении, определяемом кристаллической структурой образца.

4. Претерпеть неупругое рассеяние - изменить как направление движения, так и энергию.

5. Быть поглощенным.

В результате процессов 4 и/или 5 может возникнуть вторичная электронная эмиссия (в рентгеновской либо оптической области спектра) или произойти выделение тепла.

Видимый контраст при облучении образца может быть обусловлен любым из перечисленных процессов, за исключением первого. В случае некристаллических образцов контраст обычно обусловлен процессами 2,4,5. Механизм рассеяния по процессу 4 является нежелательным, так как изменение энергии электрона приводит к изменению его длины волны, в результате чего фокусные расстояния линз для него также изменяются, т.е. возникает хроматическая аберрация. В зависимости от способа формирования контраста (изображения тонкой структуры вещества) электронные микроскопы подразделяют на следующие группы:

1. Просвечивающие (трансмиссионные) электронные микроскопы (ПЭМ).

2. Рентгеновские микроанализаторы.

3 Растровые электронные микроскопы.

2.3.5. Просвечивающие электронные микроскопы.

На рис. 7.5,а представлена схема хода лучей в оптическом и просвечивающем электронном микроскопе, рассчитанная на две ступени увеличения. Вследствие конструктивных ограничений, апертуры электронных линз гораздо меньше апертур стеклянных линз оптического микроскопа. Поле зрения в электронном микроскопе ограничивается управляемыми апертурами. Типичная электромагнитная объективная линза с фокусным расстоянием 2,5 мм (2500 мкм) и отверстием 50 мкм имеет половину апертурного угла ≈5´10^-3 рад, в то время как для хорошего оптического объектива она составляет p/3 (60⁰). Некоторой компенсацией за низкую «светосилу» электронной линзы является её большая глубина резкости (~2 мкм) и глубина фокуса, измеряемая в метрах.

а б

Рис. 7.5. Схема распространения лучей в оптическом и двухступенчатым электронном микроскопах; а - аналогия между оптическим и двухступенчатым электронным микроскопом; б - трехступенчатый электронный микроскоп.

Большинство современных электронных микроскопов имеет от четырех до шести линз. Конденсорная линза (или линзы) фокусирует электронный пучок на образец (рис. 7.5,б). При изменении фокусного расстояния конденсорной линзы электронный пучок может расширяться, при этом увеличивается освещаемая область и уменьшается плотность тока на образцах.

С помощью конденсора, состоящего из одной линзы, размер освещаемой области на образце обычно может быть сделан приблизительно равным размерам источника, т.е. ~40 мкм в диаметре. Это значение намного больше, чем нужно для всех увеличений. В результате освещаемая область образца существенно больше исследуемой. Это может вызывать нагрев образца и загрязнение его значительных участков углеродом, который образуется при восстановлении адсорбированных на образце молекул углеводородов при электронной бомбардировке.

Более эффективное использование пучка достигается с помощью двухлинзового конденсора применяющегося в современных приборах. В этом случае первый конденсор формирует уменьшенное изображение источника, которое затем фокусируется на образец вторым конденсором. Таким образом, может быть достигнуто уменьшение диаметра пятна до ~2 мкм. При этом увеличивается поток электронов через исследуемую область объекта, улучшается освещенность и уменьшается площадь загрязнения углеродом.

Объективная линза (рис. 7.6,б) формирует первое увеличенное изображение, которое далее увеличивается проекционной линзой, дающей окончательное изображение на экране. Для регистрации изображения экран сдвигается в сторону и производится экспозиция фотопластинки либо фотопленки. В современных электронных микроскопах имеется коммутация для вывода изображения на экран дисплея и его фотографирования с помощью цифровой техники.

Как правило, все детали, которые могут быть разрешены с помощью оптического микроскопа, можно увидеть при увеличении ´500. Большие увеличения позволяют лучше наблюдать отдельные детали, но не улучшают разрешения. Для того чтобы эффективно использовать более высокую разрешающую способность электронного микроскопа, необходимы увеличения порядка ´200000 и более. Такие увеличения не могут быть получены с помощью двух линз, поэтому применяют три ступени увеличения. Между объективной и проекционной линзами помещают промежуточную, как показано на рис. 7.5,б.

На практике объективная линза обычно дает изображение с фиксированным увеличением, определяемым положением образца и величиной фокусного рас-

а б

Рис.8.5. а). - Схема работы ПЭМ в режиме электроногрофа. б). Принципы темнопольной микроскопии и дифракции с выбранного участка.

стояния, а проекционная линза имеет несколько ступеней увеличения. Различные увеличения внутри фиксированных таким образом диапазонов получают регулировкой силы тока в промежуточной линзе. Требуемое увеличение определяется типом образца, но чаще бывает удобнее использовать несколько фиксированных увеличений, что облегчает расшифровку снимков при изучении тонкой структуры анализируемого образца. Рассмотрим процесс формирования изображения (контраста изображения) при просвечивании объекта в электронном микроскопе.

Использование простой оптической аналогии здесь исключено, так как механизм возникновения изображения в обоих случаях совершенно различен. В оптическом микроскопе контраст между различными элементами изображения обусловлен различным поглощением световых лучей в соответствующих точках объекта. В ПЭМ поглощение электронов в объекте практически не происходит (сильное поглощение разрушило бы объект), но электроны испытывают рассеяние, т.е. меняют направление своего движения. При этом участки объекта, обладающие большей плотностью или большей толщиной, сильнее рассеивают проходящие пучки. Различие в степени рассеяния и используется для получения контраста светлопольного и темнопольного изображения.

Светлопольное изображение получается в случае когда, вблизи объектива, на главной оптической оси системы, помещается апертурная диафрагма с маленьким отверстием рис.(8.5,б). Такая диафрагма пропускает только те электроны, которые при прохождении через объект меняют направление своего движения лишь на очень маленький угол, и срезает все лучи, отклонённые на большие углы. В результате менее плотные или более тонкие участки объекта будут выглядеть на изображении более светлыми.

В случае темнопольного изображения лучи, испытавшие малое рассеяние с помощью того или иного искусственного приема исключаются из процесса формирования изображения. Поэтому более тонкие участки объекта окажутся на изображении более темными. Один из наиболее удобных приемов, позволяющих осуществить эту процедуру, состоит в перекашивании осветительной системы микроскопа (рис.8.5,б). Темнопольное изображение обладает определенным преимуществом перед светлопольным – оно позволяет получать более контрастные снимки объекта.

Если исследуемый образец имеет кристаллическую структуру и прозрачен для электронов, то наряду с контрастом изображения его тонкой структуры, можно получить картины электронной дифракции, аналогичные картинам дифракции рентгеновских лучей. Дифракция электронов в ПЭМ может быть осуществлена двумя способами. На рис.8.5,а показан случай, когда ПЭМ используется в качестве обычного электроногрофа. Конденсорные линзы коллимируют пучок, а все остальные линзы выключены. При прохождении через образец почти параллельного пучка электронов происходит дифракция, а картина наблюдается на экране. Главным неудобством такой схемы является то, что между образцом и фиксируемой дифракционной картиной находятся три линзы. Остаточный магнетизм в любой из них искажает дифракционную картину. Тем не менее, такая схема анализа кристаллической структуры вещества оказывается очень полезной, если имеются предварительные данные относительно её строения.

В ряде современных ПЭМ образец можно разместить ниже объективной линзы или вместо неё с помощью специальной приставки (держателя образца). Это позволяет избежать трудностей, связанных с остаточным магнетизмом, и получать дифракционную картину, как в отраженном, так и проходящем пучках.

Наиболее важным типом дифракции электронов, осуществляемой с помощью ПЭМ, является микродифракция (дифракция с выбранного участка образца),

которая может быть выполнена на всех современных микроскопах без перестройки прибора. В этом методе дифракционная картина, получается, от небольшого участка образца, размеры которого, с помощью специальной диафрагмы, могут быть по необходимости сведены до нескольких сот ангстрем в диаметре. Можно также наблюдать и тонкую структуру этой области, что позволяет установить корреляцию между изображением и дифракционной картиной.

а б

Рис.9.5. Участок образца низколегированной стали имеющий перлитную структуру (а), и соответствующая ему дифракционная картина.

Принцип метода иллюстрируется на рис. 8.5,б. При облучении кристаллического образца параллельным пучком электронов некоторые из них дифрагируют на кристаллической решетке в соответствии с законом Вульфа –Брэгга l=2dsinJ, который для электронов принимает вид l=2dJ вследствие малости l, и, следовательно J. Дифрагированные и центральный пучки собираются в задней фокальной плоскости объективной линзы формируя дифракционную картину. При этом первое увеличенное изображение объекта расположено на некотором удалении за задней фокальной плоскостью. Соответствующей регулировкой тока промежуточной линзы (а, следовательно, и её фокусного расстояния) можно сфокусировать на флуоресцентный экран либо дифракционную картину, либо увеличенное изображение объекта. Далее при перемещении в плоскость изображения объективной линзы диафрагмы подходящего размера через колонну микроскопа могут пройти только пучки, продифрагировавшие на определенном участке образца. Это дает возможность регистрировать по выбору либо изображение тонкой структуры выделенного участка, либо соответствующую ему дифракционную картину. В качестве примера на рис. 9.5 приведено изображение некоторого выделенного участка и соответствующая ему дифракционная картина.

3.3.5. Рентгеновские микроанализаторы.

Рентгеновские микроанализаторы (МАР) появились вместе с электронными микроскопами. Их назначение локальный химический анализ. Схема конструкции рентгеновского микроанализатора представлена на рис. 10.5.

Источником электронов является стандартная трехэлектродная пушка. Ускоренные полем электроны проходят через отверстие в анодной пластине, находящейся под потенциалом земли. С помощью электромагнитных линз электронный пучок фокусируют в узкий зонд на поверхности исследуемого образца. Весь путь от катода до поверхности образца электроны проходят в высоком вакууме, который необходим для того, чтобы избежать рассеяния электронов и окисления раскаленной вольфрамовой нити накала. Эффективный диаметр источника электронов - около 100 мкм. Электронно-оптическая система формирует уменьшенное изображение источника (кроссовер) на поверхности образца.

При этом уменьшение в несколько сотен раз обычно получают с помощью двухлинзовой системы. Величина тока при заданном диаметре зонда зависит от эффективности системы его формирования. Для микроанализаторов типичны токи от 1 до 100 нА при диаметре зонда 0,2-1 мкм. Решающее значение имеет конструкция последней (объектной) электронной линзы. Данная линза работает тем эффективнее, чем ближе она расположена к поверхности образца. Однако на практике приходится идти на компромисс между этим требованием и необходимостью обеспечить наилучшие условия для проведения микроанализа по следующим причинам.

Рис. 10.5. Принципиальная схема устройства микрорентгеноспектрального анализатора.

Назначение прибора – локальный химический анализ отдельных структурных составляющих исследуемого образца. Выбор участка для анализа проводят с помощью оптического микроскопа, а, следовательно, возникает необходимость размещения вблизи поверхности образца визуальной оптики. Непосредственно химический анализ основан на спектральном анализе характеристического рентгеновского излучения испускаемого с анализируемого участка образца, а это требует обеспечения условий для выхода рентгеновского пучка в спектрометр.

Спектральный состав рентгеновского излучения обычно анализируют с помощью «брегговского спектрометра» с кристаллом, который используется в качестве монохроматора, выделяющего одновременно одну длину волны в спектре. Длина волны является функцией угла падения рентгеновских лучей на кристалл, который изогнут таким образом, что угол, стягиваемый кристаллом из точечного источника, остается постоянным. Из геометрических условий фокусировки следует, что детектор излучения, в качестве которого используют пропорциональный счетчик, должен находится на таком же расстоянии от кристалла как и кристалл от источника рентгеновского излучения. При изменении угла падения, связанного с изменением длины волны падающего рентгеновского излучения, оба эти расстояния должны изменяться одновременно. Это налагает весьма жесткие требования на точность и воспроизводимость перемещения кристалла и счетчика. В связи с этим в большинстве случаев на микроанализаторах устанавливают несколько спектрометров, с помощью которых можно анализировать одновременно соответствующее число элементов. Все детали спектрометров размещены в вакуумном объеме, чтобы избежать поглощения рентгеновских лучей в воздухе. Каждый спектрометр снабжен механизмом, с помощью которого изменяют угол падения лучей на кристалл, а, следовательно, и длину волны, без нарушения вакуума в рабочем объёме спектрометра. В некоторых конструкциях предусмотрена возможность автоматической настройки кристалла на заданный угол Брэгга и перемещения кристалла и счетчика от специального привода. С каждым спектрометром связан свой канал регистрации, который обеспечивает усиление и счет импульсов снимаемых с детектора квантов.

В настоящее время параметры твердотельных рентгеновских детекторов удалось улучшить в такой степени, что они стали дополнять, а в ряде случаев заменять собой обычные дифракционные спектрометры с кристаллами. Такого рода «бездисперсионные» детекторы позволяют одновременно регистрировать весь спектр излучения, причем разделение импульсов по энергиям производится с помощью обычных амплитудных анализаторов. Новая техника обладает целым рядом преимуществ, хотя разрешающая способность твердотельных детекторов в области энергий, интересующих аналитиков, хуже, чем у обычных спектрометров с кристаллами.

4.3.5. Растровые электронные микроскопы.

Термин «растровый электронный микроскоп» (РЭМ) охватывает группу раз-

личных приборов, которые часто объединяются в одну конструктивную единицу. Растровые микроскопы можно успешно применять для решения многих проблем структурного анализа только в том случае, если полностью поняты принципы его работы. Прежде всего, РЭМ не является обычным электронным микроскопом, в котором изображение создается электронными линзами с помощью электронов, прошедших через объект. В РЭМ совершенно не используются электронно-оптические системы для образования и изменения масштабов изображения.

В нем изображение строится по точкам; оно является результатом взаимодействия электронного пучка с поверхностью образца. Наблюдаемая область последовательно облучается перемещающимся электронным пучком микроскопа подобно сканированию в телевидении (рис. 11.5); соответствующее изображение синхронно и синфазно строится таким же образом. Электронные линзы, тем не менее, составляют важную часть электронно-оптической колонны РЭМ, но они используются только для формирования электронного пучка (зонда) т. е. для проектирования уменьшенного изображения кончика нити катода на поверхность непрозрачного для электронов образца. Растровые микроскопы стали выпускаться промышленностью совсем недавно. Однако общая идея работы прибора была сформулирована еще в 1935г, а первый, действующий прибор описан в 1938г. Воплощение этой сравнительно старой идеи и превращении в безотказно работающий в руках исследователя инструмент стало возможным лишь после 1970г с использованием достижений современной электроники.

Рис. 11.5. Схема получения растрового изображения объекта в электронных и рентгеновских лучах.

Принцип действия микроскопа растрового типа можно описать следующим образом (рис. 11.5). Пучок электронов движется по поверхности образца вдоль близко расположенных друг к другу линий, образующих растр. Падающий пучок взаимодействует с поверхностью образца, в результате чего он может быть поглощен, отражен, рассеян назад, диспергирован или поляризован. В свою очередь образец сам может активизироваться и эмитировать вторичные электроны либо испускать рентгеновское излучение. Результат взаимодействия пучка с поверхностью образца — это сигнал, пропорциональный степени проявления одного из перечисленных эффектов, он улавливается подходящим чувствительным устройством и усиливается. Затем этот сигнал используется для модуляции записываемой интенсивности, например интенсивности электронного пучка катодно-лучевой трубки, который движется по ее экрану синхронно со сканирующим пучком микроскопа. Электронный зонд отклоняют с помощью электромагнитных катушек, питаемых от генератора пилообразных напряжений, который вырабатывает также синхронный сигнал, поступающий на электронно лучевую трубку. Увеличение растрового изображения регулируют изменением амплитуды растра на образце.

Картина на экране электронно лучевой трубки состоит из отдельных точек, каждая из которых соответствует импульсу, возникающему в детекторах под действием рентгеновского излучения либо электронного пучка (рис. 11.5).

В случае изображения получаемого с детектора под действием характеристического рентгеновского излучения интенсивность свечения каждой точки соответствует импульсу рентгеновского фотона, энергия которого зависит от частоты определяемой порядковым номером элемента (закон Мозли). В этом случае контраст изображения оказывается, связан непосредственно с химическим составом сканируемой поверхности образца.

Если поверхность образца имеет какие-либо свойства (например, изменения состава или топографии), которые вызывают поглощение, отражение, рассеяние назад, дисперсию, эмиссию или поляризацию электронного пучка, меняющиеся от точки к точке, то в регистрирующей системе, настроенной на соответствующий эффект, возникает изображение, которое представляет объект как бы видимым при «освещении» используемым излучением. В этом случае контраст изображения несет информацию, которая в большей степени характеризует больше рельеф поверхности, чем химический состав образца.

Для получения изображения были опробованы почти все возможные типы взаимодействия электронов сканирующего пучка с веществом объекта, и теперь эти взаимодействия используются в имеющихся в продаже двух типов приборов: 1. Электронно-зондовые микрорентгеноспектральные анализаторы (растровые рентгеновские микроскопы) и 2. Растровые электронные микроскопы. Основное различие между этими двумя приборами определяется диаметром зонда на поверхности образца [около (0,2—2)´10⁴ для первого и около (0,5—2)´10² для второго] и, следовательно, более высокой интенсивностью электронного потока в первом и значительно лучшим разрешением во втором приборе. В обоих приборах используется зонд одной физической природы, но в сочетании с различными типами детектирующих устройств. В связи с этим принцип работы данных приборов рассмотрен совместно.

Отклоняющие системы. Для сканирования поверхности образца электронным зондом необходима система отклонения луча. Для управления лучом используют либо электрическое, либо магнитное поле.

В первом случае отклоняющая система представляет собой пару пластин, расположенных по обе стороны от пучка, к которым приложена разность потенциалов (рис.12.5,а). Если к двум плоским пластинам длиной (а), отстоящим друг от друга на расстоянии (b), приложены соответственно потенциалы +U и —U относительно земли, то угол отклонения пучка электронов, ускоренных полем U₀, определяется приближенной формулой:

(6.5)

Для отклонения электронов с энергией 30 кэВ на угол 20 мрад необходима разность потенциалов около 150 В, если а= 10 ммиb = 2,5 мм.

Более часто используют систему магнитного отклонения луча. Магнитное поле, создаваемое двумя круговыми катушками (рис.12.5,б), имеющими n витков каждая и несущими ток i, вблизи оси катушек отклоняет пучок электронов, ускоренных полем U_0iна угол:

. (7.5)

Из этой формулы следует, что для отклонения пучка с энергией 30 кэВ на угол 20 мрад необходим ток около 5 А.

а б

Рис.12.5. Отклонение электронного луча с помощью электростатических пластин (а) и электромагнитных катушек (б).

Магнитный поток используется более эффективно, если катушки намотаны на ферритовом каркасе, имеющем, например, форму квадрата; катушки располагают на противоположных сторонах квадрата и соединяют друг с другом последовательно (рис.13.5,а). Индуктивность катушек с ферритовым сердечником приблизительно втрое превышает индуктивность эквивалентных катушек без сердечника. Однако их нельзя располагать там, где имеется достаточно сильное магнитное поле, создаваемое электронными линзами; в таких местах во избежание искажения поля линз необходимо устанавливать катушки без сердечника.

а б в

Рис.13.5. а). Катушки сканирования с ферритовыми сердечниками (показана одна пара); электронный луч перпендикулярен плоскости рисунка. Система сканирования с использованием катушек, установленных между последней линзой и образцом (б) и катушек двойного отклонения между конденсорной и последней линзой (в).

Отклоняющие катушки можно разместить между образцом и последней линзой (рис.13.5,а), но в этом случае они занимают место, необходимое для других целей, и увеличивают рабочее расстояние линзы. Вследствие этого на практике обычно применяют систему двойного отклонения с катушками, расположенными между конденсором и последней линзой (рис.13.5,б ). Верхние и нижние катушки соединяют последовательно, а число витков выбирают с таким расчетом, чтобы пучок всегда проходил через диафрагму последней линзы.

Электронные схемы сканирования. Для питания системы отклонения зонда вдоль осей X и Yи формирования растра электронно-лучевой трубки (рис.11.5) применяют генераторы пилообразных колебаний. Амплитуду и частоту строчной и кадровой разверток обычно изменяют независимо и плавно, хотя в отдельных случаях прибор может иметь ступенчатую регулировку. Чтобы вывести зонд в заданную точку образца, отключают генераторы разверток и перемещают зонд вдоль Xи Yвручную, пользуясь потенциометрами сканирования.

Дата добавления: 2017-01-14