Электронная микроскопия

Рис.2.8.

Электр. микроскоп – прибор для наблюдения и фотографирования многократно увеличенного объекта. Вместо световых лучей - пучки электронов, ускоренных до больших энергий. физ основы корпускулярно лучевых оптических приборов были заложены в нач.19 века, физиком Гамельтем, который установил существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных сферах и траектории частиц силовых полях, целесообразность создания электронного микроскопа сатала очевидной после того, как в 1924 году была выдвину гипотеза деброиля о волновой природе электрона, а бушем в 1926 году во время разработки магнитно-электронной линзы. Таким образом, главным приложением оптики тех лет являлось создание электронного микроскопа по закону волновой оптики, но с применением электрических и магнитных полей для фокусировки магнитных лучей в 1931 рутенберг получил патент на просвечивающие микроскоп, а кнольирусско построили первый просвечивающий микроскоп применив магнитные линзы для фокусировки электрона. в СССР первый электр. микроскоп … увеличения ….были построен в санкт-петербурге в 1941 году…последующие годы арденэ были построены растровые электронные микроскопы(РЭМ),работающий на принципе сканирования, то есть последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка от объекта. По не утвержденным источникам РЭМ был создан в 1952 году, и лишь после ряда …был введен в сер.60-х годов на производства, достиг высокого технического совершенства.

В отличии от оптического в электронном используются потоки электронного и магнитно-электростатические линзы, некоторые ЭМ позволяют увеличивать изображение в 5 млн. раз…как и оптич. Так и электр. микроскопы имеют ограничения в разрушающей способности длины волн.

Виды электрон.микроскопов.

Просвечивающий (световые микроскопы несколько 1000 раз, предел разрешения объекта УП составляет 0,3 нанометров…то есть достигает уровня позволяющего наблюдать атомарную структуру объекта, столь высокие разрешения достигаются знач-но малой волне, линзы ЭМ обладают эффективными методами коррекции. Рис. 2.9-здесь витки провода, по которым проходит ток, фиксирует пучок электронов в таком же моменте работает стеклянная линза, электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями, примерно так же как и световое, магнитное поле, по которым проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять изменяя ток, поскольку оптическая сила линзы, способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси для её увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально-возможном объёме, практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывает магнитной броней из спец.никель габальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор её внутренней части, таким образом магнитное поле в 10-100 раз более сильным, чем магнитное поле земли на земной поверхности, находящейся в эксплуатации ПЭМ можно разделить на 3 группы:электронный микроскоп высокого разрешения, упрощенный ПЭМ, электронный микроскоп с повышенным напряжением. ПЭМ с высокой разрешающей способностью -универсальный прибор, с помощью доп.устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных областях и плоскостях на большие углы оптической оси, нагревать, охлаждать, дефомировать, осуществлять рентгеновский структурный анализ, и электронографии, ускоряющие электроны, напряжение кот. достигает от 100 до 125 киловольт, регулируется ступенеобразно и отличаются высокой стабильностью, за 1-3 минуту меняется на одну миллионную долю от исходного значения, изображение типичного ПЭМ (рис.2.10)- электронная пушка с ускорителем-1, 2-конденсорные линзы,3-объективная линза,4-проекционная линза,5-световой микроскоп, который доп-но увеличивает на экране изображение,6-тубус с смотровыми окнами, наблюдают за изображениями,7-высоковольтный кабель,8-ваккумная система,9-пульт управления,10-стенд,11-высоковольная питающая система,12-источник питания линз. В его оптической системе с помощью вакуумной системой создается глубокий ваккум, давление до 10^-6 схема оптическая система ПЭМ состоит из пучка электронов,источника которых служит накаленный катод, формируется он в электронной пушке, затем дважды фокусируется конденсаторами создающими на объекте пятном малых размеров при опр.регулировки, диаметр можно изменять от 1-20 мкм, после прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и задерживаются диафрагму, на рассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы, и фокусируется предметной плоскости промежуточной линзы, здесь же формируется первое увеличенное изображение, последующие линзы создают второе и третье изображение. последняя проекционная линза формирует изображение на флоросицирующем экране, которая светится под действием электрона, увеличение микроскопа равно увеличение всех линз, степень и характер рассеивания не одинаковый в различных точках объекта, так как толщина …изменяется от точки к точки, в связи с этим изменяется электроны, прошедшие …меняется плотность тока на изображении. возникает амплитудный контракт который преобразуется в световой контраст на экране, в случае тонких объектов привалирует фазовый контраст…и интерферирующей плоскости изображений, под экранным микроскопом расположен магазин с фотопластинками, при фотографировании экран удаляется, изображение фокусируется линзой, спомощью плавной регулировки тока, изменяющее её магнитное поле, токами других электронных линз регулируется увеличение электронного микроскопа, которое равно произведению всех линз, при больших увеличениях яркости экрана становится недостаточной, когда изображение с помощью усилителя яркости, для анализа изображения проводится АЦП, обработка информации на компьютере. изображение выводится на экран, и в запоминающее устройство)

Упрощенные ПЭМ - для научных исследований, для предварительного просмотра объекта, рутинной работы и в учебных целях, простоты по конструкции, обычно состоят из одного конденсатора,2-3 линз.

СВЭМ - приборы с ускоряющим напряжением от 1-до 3,5 мегавольт, крупно габаритное сооружение высотой от 5-15 метров, состоит из:1-виброизолирующая платформа,2-цепи, на кот. висит платформа,3-амортизирующие пружины,4-баки в кот. нах-ся генератор высокого напряжения, и ускоритель электрона с пушкой, 5-электронно-оптическая,6-перекрытие,которое разделяет здание на верхние и нижние залы,защищает,7-пульт управления микроскопом. Оборудуются помещения специальные, или строятся здания.

Реализация высокой виброустойчивости и достаточно мех. и эл. стабильности была достигнута самая высокая 13 сотая до 17 сотая нанометров для просвечивающих, позволившая фотографировать изображения структур, однако свеерическая операция объектива искажает изображения полученных с предельным ….это инф. барьер,кот. получает при различных …объективов.. параллельно для тех же фокусировок проводят моделирование изучаемое структурами на компьютере сравнение серий с сериями модельных изображений помогают расшифровать микрофотографий атомарных структур, сделанное с предельным разрешением. Осн. видами линз просвечивающих микроскопов является свеерическая операция, а так дифракция при осевой ассигматизме (искажение изображения)из-за одинакового преломления или отражения лучей различных сечений светового луча. Ассигматизм снижает резкость изображения, а проецируемая точка превращается в эллипс, в отражательном микроскопе создается, когда электрон отраженный или рассеянный поверхностным слоем объекта, образование изображения обусловлено различием рассеяния электронов в разных точках объекта, в зав-ти от материала и микрорельефа, обычно образцы получаются под малым углом поверхности, практически на электронных микроскопах разрешены порядка 100 амтерстрем, в различных направлениях, вдоль плоскости объекта связано с наклонным положением объекта по отношению к оптической оси, увеличение такого микроскопа характеризует двумя величинами, величина плоскости падения пучка электрона и увеличение в плоскости перпендикулярной плоскости падения, растровые микроскопы с термомиссионной пушкой самая распространенный тип прибора электронной микроскопии. Растр-решетка для структурного преобразования направленного светового пучка, существуют прозрачные растры (сочетание прозрачных и непрозрачных)непрозрачные(…рассеивающие элементы)их комбинации (рис.2.13)-1-изолятор элект.пушки,2-катод,3-фокусирующий электрод,4-анод,5-конденсорные линзы,6-диафграгма,7-двухярусная отклоняющая система,8-объектив,9-опрертурная диагфрамма,10-объект,11-,12-спектрометр кристаллический,13-пропорциональный счетчик,14-предварительный усилитель,15-блок усиления,16-17-аппаратура для регистрации рентгеновского излучения,18-блок усиления,19-блок регулировки увеличения,20-21-блоки горизонтальных и вертикальных разверток,22-23-электронно-лучевые трубки.

2.14 рис.-1-первичный пучок электрона,2-детектор вторичных электронов,3-детекторв рентгеновского излучения,4-детектор отраженных электронов,5-детектор оже электронов,6-детектор светового излучения,7-детектор прошедших электровно, 8-схема для регистрации прошедших через объект электрона,9-схема для регистрации тока, поглощ. в объекте электронов, 10-схема для регистрации наведенного на объекте электрического потенциала.

Любое из излучений токи электронов, прошедшие сквозь объект, если он тонкий и поглощенных в объекте, а так же напряжение наведенное на объекте могут регистрироваться соответствующими детекторами преобраз. этими излучениями токами…которые после усиления подаются на трубки и моделируют её пучок, развертка пучка проводится синхронно с разверткой электронного зонда…на экране наблюдается увеличенное изображение объекта…фотографируют изображения с экрана, осн. достоинство РЭМ - возможно наблюдать за изображением, используя сигнала различных детекторов, с пом. РЭМ можно исследовать…высокая разрешающая способность Рэм при формировании изображения с использованием вторичных электронов, он находится в обратной зав-ти от зоны, из которой эти электроны митируются, размеры зоны зависят от диаметра зонда, свойства объекта, при большой глубине вторичные процессы развиваются во все направления увеличивают диаметр зоны и разрешающая способность падает, детектор вторичных электронов состоит из множителя, и электроно - фотонного преобразователя…сигнал модулирует пучок, величина сигнала зависит от топографии образцы наличие локальных и магнитных микрополей, величины коэффициента вторичной миссии, которая в свою очередь зависит от состава образца данной точки, отраженные электроны улавливаются полупроводниковым детектором, а контраст изображения обусловлено зав-тью коэффициента отображения от угла падения первичного пучка в данной точки объекта и атомарного номера вещества, разрешение изображения получ. В отображенных электронах ниже от получаемого с пом. вторичных электронов, иногда на порядок величины, за прямолинейность и полеты электронов об отдельных участках объекта от которого прямого пути детектора не теряется, в связи с тем возникают тени, для этого, чтобы устранить потеряю информацию-распределение зим.объектов, которые не влияют на его рельеф, в РЭМ прим-ся детекторная система, состоящая их неск. объектов-детекторов, сигналы которых высчитываются один из другого или же суммируется, а результирующий сигнал подается на модуляторы …РЭМ с автомисионной пушкой - обладает высокой разрешающей способностью, до 2-3 нанометров и используется катод в форме острия вершина, которого возникает сильное электрическое поле, вырывающее электроны из катоды, электронная яркость пушки-10,3-10,4 выше яркости пушки с термо - катодом, соответственно увеличивается ток зонда, поэтому РЭМ осуществляет наряду с медленной …развертку, а диаметр зонда уменьшает для повышения зона, способности.

Катод работает в вакууме, при чем в сверхвысоком, что осложняет конструкцию и эксплуатацию РЭМ.

Растровый

Отражательный

Растровый -просвечивающий (рис.2.15,а)1-автомиссионый катод,2-промежуточный анод,3-анод,4-диафрагма осветителя, 5-магнитная линза,6-двуяростная отклоняющая система для развертки электронного зонда, 7-магнитный объектив,80аппртурная диафрагма объектива,

9-объект,10-отклоняющая система,11-кольцевой детектор,12-детектор не рассеянных элетроной,13-магнитный спектрометр,14-отклоняющая система для отбора электрона с различными потерями,15-щель спектрометра,16-детектор спектрометра, вторичные электроны(ВЭ).рентгеновское излучение.

2.15,б-схема вертикального сечения зонда.. ПРРЭМ- высокая разрешающая способность, в этих приборах автомисионные пушки, кот. работают в условиях вакуума, обесп. достаточный ток, диаметр зонда уменьшает 2 магнитные линии. На кольцевом детекторе собираются рассеиваемые электроны создающие изображения. Можно исследовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, так как возрастание числа не упругого толщиной не влияет на разрешение после объекта электронная оптика для формирования изображения отсутствует, с помощью анализатора энергии электроны, прошедшие сквозь объект разделяются на упруго- и неупруго -рассеиваемые пучки, каждый пучок попадет на свой детектор, и на ЛТ отобр. соответствующие изображения

Достигается при медленных развертках. ПРРЭМ, оснащается всеми устройствами для аналит. исследований объекта в частности спектрометры энергетических потерь,….

Имеющие различную энергию. Приборы комплектуются в обязательном порядке ЭВМ для комплексной обработки поступающей информации. Обеспечивает широкие возм-ти: у них есть высокая разрешающая способность для использования в металлографическом исследовании дисперсных структур, частиц второй фазы…

Включающая оценку дисперсности среднего размера…варьирования ограничений в широком диапазоне(микронная проволока)

Эффект композиционного контраста позволяет наблюдать по среднему атомному номеру имя в базе. Методы не требует травления, что позволяет одновременно осуществлять локальный анализ хим.состава образца, в настоящее время практически все РЭМ имеют приставки микроанализатор, компьютерная система рэм с использование данных позволяет по хим. составу…

Эмиссионные электронные микроскопы-изображения объекта электронами, которые имитируют сам объект бомбардировки электронов под действием электромагнитного излучения и при наложения сильного электрического поля, вырывающего электрона из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение. Осн. электронным оптическим элементом - электронное зеркало, при чем одним из электронов есть сам объект относительно катода пушки. электронный пучок направляется в электр. зеркало и отражается полем непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение в отраженных пучках микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отраженных пучков, создавая контраст в изображении визуализирующие эти поля.

Фотоэммисионный.