28 Конструкція пем

Будова електронного мікроскопу є достатньо складною, що обумовлено необхідністю розв’язання ряду технічних задач. По-перше для отримання пучка вільних електронів, прискорених напругою 100 - 125 кВ, потрібно мати стабільний генератор високої напруги. По-друге, у зв’язку з тим, що роль лінз виконують неоднорідні магнітні поля із поворотною симетрією, необхідно виготовляти електромагнітні лінзи та стабільні джерела живлення для них. По-третє, для забезпечення достатньої довжини вільного пробігу електронів (більше, ніж довжина колони) та надійної роботи гармати, колона повинна знаходитись в умовах високого вакууму, що забезпечується використанням вакуумної системи.

На рисунку 3.5 наведено зовнішній вигляд електронного мікроскопу ПЕМ-125К, який випускається ВАТ “Селмі”. Технічні характеристики цього приладу приведені у таблиці 3.1.

Розглянемо блок-схему ПЕМ, яка наведена на рисунку 3.6. На масивній станині – (1), яка потрібна для зменшення впливу зовнішніх вібрацій, монтуються колона – (2) та вакуумна система – (3). Джерело високої напруги – (4) розміщується в баці, що заповнений маслом. Використання масла як діелектрика дає можливість збільшити коефіцієнт діелектричної проникності та зменшити кількість пробоїв. Лінзи живляться від високо-стабільних джерел постійного струму – (5). Блоки живлення можуть розміщатись як в окремій стійці, так і на станині.

Для керування роботою приладу використовують пульти, які розміщені праворуч та ліворуч від колони, або комп’ютер (6).

Високий вакуум у колоні створюють за допомогою вакуумної системи. Остання приєднується таким чином до колони, щоб у першу чергу можна було здійснювати відкачку ділянок з найбільш активним виділенням газів (область гармати, зразка та фотокамери).

Рисунок 3.6 – Типова блок-схема електронного мікроскопу Як правило, система має два високовакуумних насоса. Причому, можливе використання двох дифузійних насосів, або дифузійного та магнітно-розрядного насосів (ПЕМ-125К), коли один з них здійснює відкачку колони в цілому, а інший відкачує електронно-променеву гармату. Для створення попереднього вакууму у мікроскопах, у деяких випадках (ПЕМ-125К) застосовують два форвакуумних насоси. Один потрібен для обслуговування дифузійних насосів, інший – для прокачки фотокамери. В момент зйомки на мікроскопі відключається форнасос, а дифнасос обслуговується форбалоном який має великий об’єм.

Колона ПЕМ складається з освітлювальної системи, системи формування зображення та камери спостереження. Коротко розглянемо улаштування вузлів колони.

Освітлювальна система складається з електронно-променевої гармати та конденсорного блоку.

Для отримання пучка прискорених електронів використовується трьохелектродна гармата (рис. 3.7), що складається з катоду, аноду та проміжного електроду (управляючий електрод або циліндр Венельта). У більшості приладів як емітер використовують V-подібний катод з вольфрамового дроту діаметром 0,2 мм, а механізм емісії є термоелектричним (на катод подається напруга накалу 6-7 В). Для прискорювання вільних електронів на катод також подається від’ємна висока напруга до 100-125 кВ. Анод при цьому знаходиться під нульовим потенціалом. До циліндра Венельта прикладається від’ємна, відносно катода напруга, що складає декілька відсотків від прискорюючої. По суті вона є запираючою або гальмівною для електронів. Ця напруга визначає параметри пучка, такі як діаметр найменшого перерізу (d), густину струму в цьому перерізі, розходження пучка (β), його яскравість. Вважається, що оптимальним є режим роботи гармати коли навколо катода зберігається область просторового заряду. Це дозволяє істотно зменшити вплив коливань струму накала на струм пучка і його яскравість. Величина напруги на циліндрі Венельта залежить від струму накала (температури катода). Чим вище остання, тим більше емітується електронів і тим менша повинна бути величина напруги на циліндрі Венельта. Для її регулювання використовують автозміщення за рахунок того, що між катодом і циліндром Венельта включають змінний резистор. Спад напруги на ньому за рахунок проходження струму визначає потрібну величину потенціалу.

Електронна гармата генерує електронний пучок з діаметром 50-100 мкм. Далі електрони фокусуються за допомогою двох конденсорних лінз, які забезпечують рівномірну освітленість у точці дослідження, та діаметр пучка 1-5 мкм. Використання двох конденсорних лінз дає можливість за допомогою першої лінзи отримати пучок малого діаметру (короткофокусна лінза), а завдяки довгофокусній другій лінзі направити пучок на об'єкт. Перша конденсорна лінза працює у режимі постійного збудження, а зміна умов освітлення здійснюється за рахунок регулювання струму збудження другої лінзи.

Рисунок 3.7 – Схема електронно-променевої гармати: 1 - катод; 2 - циліндр Венельта; 3 - анод; 4 - пучок електронів; 5 - змінний резистор Відмітимо, що у ПЕМ можуть використовувати гармати інших типів, що дають можливість отримати більш яскравий пучок електронів і значно менших розмірів. У першому типі в якості емітера електронів використовуються вістря з матеріалу, що має низьку роботою виходу такого як гексаборид лантану LaB6. У другому типі гармат в якості катодів використовують емітери, які працюють на основі ефекту Шотткі (емісія відбувається з вольфрамового катоду внаслідок дії електричного поля).

У таких приладах конденсорний блок являє собою одне ціле з гарматою, тобто в освітлювальній системі відсутні електромагнітні конденсорні лінзи.

В об’ємі гармат, які використовують гексаборидлантанові катоди, а також катоди з польовою емісією, необхідно створити надвисокий безмасляний вакуум.

Яка б не була конструкція освітлювальної системи, потрібна точна юстировка електронного пучка відносно до осі колони. Це досягається шляхом нахилу освітлювальної системи та її переміщенням відносно оптичної осі (більш докладно див. [3]).

Система формування зображення має за мету створити зображення об’єкта із великим збільшенням. Вона складається, з трьох блоків: об’єктивного, проміжного та проективного. Коротко розглянемо особливості будови кожного блоку.

Основним вузлом об’єктивного блоку і першою лінзою є об’єктив − сильна, короткофокусна лінза. Взагалі електромагнітна лінза конструктивно представляє собою обмотку, яка поміщається у феромагнітний корпус з немагнітним зазором (рис 3.8). Матеріал феромагнітного корпусу (магнітопровід) має велику магнітну проникність та індукцію насичення, малу коерцетивну силу. Таким вимогам задовольняє сплав нікелю та заліза – пермалой. Сильна лінза, така як об'єктив, має полюсний наконечник (рис. 3.9) із матеріалу з високою магнітною проникністю, завдяки чому є можливість концентрувати магнітне поле у дуже малій ділянці біля оптичної осі.

Рисунок 3.8 – Електромагнітна лінза без полюсного наконечника (а) та з полюсним наконечником (б)

Для отримання найкращої роздільної здатності мікроскопу його об’єктивна лінза повинна працювати при певному, достатньо малому значенню апертурного кута. У мікроскопах використовуються рухливі, здатні юстуватися, та змінні діафрагми із молібдену. Діафрагми вводяться у щілину полюсного наконечника. Для ПЕМ-125К діафрагми мають діаметри 30, 60, 90 мкм. Нижче обмоток лінзи знаходиться тубус, у якому розміщені механізм юстировки та селекторна діафрагма.

Важливою деталлю об’єктивного блоку є система введення зразка. Вона конструктивно виготовляється нерозривно з корпусом об’єктивної лінзи. Для введення зразка використовується маніпулятор (рис. 3.10) та спеціальна шлюзова камера. У мікроскопі є можливість переміщення зразка під електронним пучком та може бути реалізовано його нахил за допомогою гоніометра. Переміщення зразка під пучком здійснюється за допомогою двох мікрометричних гвинтів розміщених по боках колони. При цьому за зміною положення зразка можна слідкувати за місцем знаходження плями на екрані ЕПТ з координатною сіткою. Як правило ПЕМ має систему охолоджування зразків за допомогою рідкого азоту.

У залежності від конструкції мікроскопу існує два способи введення зразка у предметну площину об’єктива: боковий та верхній. Для цих двох способів маніпулятори або об’єктотримачі мають різну конструкцію (рис. 3.10). У першому випадку зразок вводиться через щілину у бронзовій втулці полюсного наконечника, а у другому – через верхній башмак, що забезпечується використанням патрончика з міді.

Кінцеве збільшення зображення здійснюється проективною лінзою. У приладах більш раннього виробництва (наприклад ЕММА – 4) у цій лінзі використовується полюсний наконечник, який можна вилучати при роботі не демонтуючи колони.

При наявності об’єктива та проективу мікроскоп буде забезпечувати збільшенн 2000-5000 крат. Для забезпечення збільшення до 10⁵-10⁶ крат використовують слабку лінзу, що розміщується між об'єктивом та проективом, яка отримала назву проміжної. У сучасних ПЕМ (наприклад ПЕМ-125К), використовується три проміжних лінзи.

Камера спостереження знаходиться нижче проективної лінзи. Вона потрібна для візуального спостереження кінцевого зображення на екрані. Камера має ілюмінатори із скла, яке леговане свинцем. У камері розміщено один або два екрани: один – юстировочний з пониженою світлочутливістю (синій), та другий робочий (зелений). Екрани керуються ручками збоку колони.

Система реєстрації. Нижче камери спостереження розміщується фотокамера для реєстрації зображення на фотопластинці або фотоплівці. За своєю конструкцією фотокамери бувають: одно- або двохмагазинні. У мікроскопі ПЕМ-100К використовується реєстрації зображення на фотоплівку, яка, на відміну від фотопластинки, розміщається не у вакуумі.

Крім традиційної системи реєстрації останнім часом використовується запис зображення в цифровому вигляді у пам’ять комп’ютера за допомогою відеокамери. Таку систему можна розмістити двома способами. У першому випадку (рис. 3.11а) через спеціальний фланець вводиться між проективом та камерою спостереження оптична система, головною деталлю якої є призма з наклеємим кристалом (алюміній-ітрієвий гранат), що випромінює світло при попаданні електронів. При такій реєстрації забезпечується велике поле зору та відносно низька роздільна здатність (2-4 нм).

Рис. 3.11 – До пояснення електронної реєстрації зображення: 1 - проективні лінзи; 2 - призма; 3 - кристал; 4 - фотооптична система; 5 - відеокамера; 6 - екран; 7 - камера спостереження; 8 - фотокамера; 9 - скляне вікно покрите люмінофором У другому випадку(рис. 3.11б) інформація про зображення фіксується нижче камери спостереження, де перетворення електронного сигналу в оптичний здійснюється за допомогою люмінофору. При такій реєстрації забезпечується мале (до 4-6 см) поле зору та добра роздільна здатність.