1.1 Принцип дії ПЕМ

Історично першим був виготовлений просвітлюючий електронний мікроскоп (ПЕМ), у якому електрони, після проходження через обєкт, попадають на електронну лінзу, що формує збільшене зображення обєкта. Оптична схема ПЕМ цілком еквівалентна відповідній схемі оптичного мікроскопа, у якому світловий промінь заміняється електронним променем, а оптичні лінзи чи системи лінз заміняються електронними лінзами чи системами електронних лінз. Перевагою ПЕМ є велика роздільна здатність. Основний недолік звязаний з тим, що обєкт дослідження повинний бути дуже тонким (звичайно тонше, ніж 0.1 мкм). Крім того, у ПЕМ використовують електрони великої енергії. У залежності від досліджуваного матеріалу електрони прискорюють до кінетичної енергії в діапазоні від декількох КэВ до декількох МэВ. Це приводить до нагрівання зразка аж до його руйнування [2].

У мікроскопі є електронна гармата, ряд конденсорних лінз, обєктивна лінза і проекційна система, що відповідає окуляру, але проектує дійсне зображення на люмінесцентний екран чи фотографічну пластинку (рис. 1.1). Джерелом електронів звичайно служить катод, що нагрівається, з вольфраму чи гексаборида лантану. Катод електрично ізольований від іншої частини приладу, і електрони прискорюються сильним електричним полем. Для створення такого поля катод підтримують під потенціалом порядку -100 000 В щодо інших електродів, що фокусують електрони у вузький пучок. Оскільки електрони сильно розсіюються речовиною, у колоні мікроскопа, де рухаються електрони, повинний бути вакуум[3].

Рисунок 1.1 - Хід променів в трьохлінзовому електронному мікроскопі [4]:

1 - електронна гармата; 2 - анод; 3 - конденсорний блок; 4 -освітлювальна діафрагма; 5 - зразок; 6 - обєктивна лінза; - апертурна діафрагма, задня фокальна площина обєктивної лінзи; 8 - площина першого проміжного зображення, площина обєкта для проміжної лінзи (проміжна діафрагма); 9 - проміжна лінза; 10 - фокальна площина проміжної лінзи; 11 - площина другого проміжного зображення, проекційна діафрагма; 12 - проекційна лінза; 13 - фокальна площина проективу; 14 - кінцеве зображення

Електронне зображення формується електричними і магнітними полями. Магнітне поле, створюване витками котушки, по якій проходить струм, діє як збиральна лінза, фокусну відстань якої можна змінювати, змінюючи струм. Оскільки оптична сила такої лінзи, тобто здатність фокусувати електрони, залежить від напруженості магнітного поля поблизу осі, для її збільшення бажано сконцентрувати магнітне поле в мінімально можливому обсязі. Практично це досягається тим, що котушку майже цілком закривають магнітною «бронею» зі спеціального нікель-кобальтового сплаву, залишаючи лише вузький зазор у її внутрішній частині. Створюване в такий спосіб магнітне поле може бути в 10-100 тис. раз більш сильним, чим магнітне поле Землі на земній поверхні [5].

Ряд конденсорних лінз фокусує електронний пучок на зразок. Звичайно перша з них створює не збільшене зображення джерела електронів, а остання контролює розмір освітлюваної ділянки на зразку. Діафрагмою останньої конденсорної лінзи визначається ширина пучка в площині обєкта. Зразок міститься в магнітному полі обєктивної лінзи з великою оптичною силою - найважливішої лінзи ПЕМ, що визначається граничний можливий дозвіл приладу. Обєктивна лінза дає збільшене зображення обєкта (звичайно зі збільшенням порядку 100); додаткове збільшення, внесене проміжними і проекційними лінзами, лежить у межах величин від трохи меншої 10 до трохи більшої 1000. Таким чином, збільшення, яке можна одержати в сучасних ПЕМ, складає від 1000 до ~1 000 000. Досліджуваний обєкт звичайно поміщають на дуже дрібну сітку, вкладену в спеціального тримача. Тримач можна механічним чи електричним способом плавно переміщати вниз, праворуч і ліворуч.