1.2 Конструкція ПЕМ

Розглянемо вузли ПЕМ, який наведено на рисунку 1.2. На масивній станині, яка потрібна для зменшення впливу зовнішніх вібрацій, монтується колона. Для створення пучка електронів використовується електронна гармата. Управління зразками здійснюється за допомогою тримача зразків. За допомогою обєктивного блоку формується зображення, яке фіксується системою реєстрації. Налаштування зображення проводять у камері спостереження. Для керування роботою приладу використовують пульти, які розміщені праворуч та ліворуч від колони, або компютер.

Рисунок 1.2 - Основні вузли електронного мікроскопу [6]

Колона ПЕМ складається з освітлювальної системи, системи формування зображення та камери спостереження. Коротко розглянемо будову та принцип дії кожного з наведених блоків.

Освітлювальна система електронного мікроскопу складається з джерела вільних прискорених електронів і конденсора з двох або однієї лінз [5].

Основною деталлю мікроскопа є електронна гармата, яка дає прискорений пучок електронів великої енергії. Зовнішній вигляд (а) та конструкція (б) термоелектричної електронної гармати зображені на рисунку 1.3. У більшості приладів як катод використовують V-подібний катод з вольфрамового дроту діаметром 0,2 мм [4].

На керуючий електрод подається негативна стосовно катода напруга, що становить звичайно кілька відсотків від напруги, що діє між катодом і анодом. Прискорювальна напруга забезпечує необхідну швидкість електронів, а напруга на керуючому електроді (при заданій відстані між катодом і керуючим електродом) визначає параметри пучка, генерованого електронною гарматою: діаметр найменшого перетину пучка; щільність струму у цьому перетині; апертурний кут, що характеризує розходженість пучка електронів, що виходять із цього перетину; електронну яскравість [5].

Рисунок 1.3 - Зовнішній вигляд (а) та конструкція (б) електронної гармати [7]

На електрони, які виходять у результаті термоемісії із катода, діє електричне поле, прискорююче між анодом і катодом і гальмівне - між катодом і управляючим електродом(циліндром Венельта). Якщо гальмівне поле буде занадто великим, то електрони не зможуть його подолати і гармата буде запертою, тобто не випромінювати електрони. Якщо поле мале, то всі електрони прискорюються і проходять в отвір в аноді. Але в цьому випадку отримаємо сильно розходжений пучок. Оптимальним являється такий режим роботи гармати, коли прискорююча напруга відбирає не всі емітовані електрони і навколо катода утворюється посторовий заряд, електронна хмара, із якої і надходять електрони в пучок. Цей заряд дозволяє суттєво зменшити вплив коливань струму розжарювання на струм пучка і його яскравість [5, 7].

Оптимальний потенціал керуючого електрода залежить від густини струму емісії катода, тобто від його температури. Чим вище температура катода, тим більше емітується електронів, тим менше повинна бути величина замикаючого поля керуючого електрода. Для регулювання потенціалу керуючого електрода між катодом і електродом включається змінний резистор, спадання напруги на якому за рахунок проходження струму пучка й визначає необхідну величину й знак потенціалу [5].

Електронна гармата генерує електронний пучок з діаметром 50-100 мкм. Далі електрони фокусуються за допомогою двох конденсорних лінз і дають необхідну освітленість у точці дослідження, та діаметр пучка 1-5 мкм [4].

Перша конденсорна лінза утворює зменшене приблизно в 100 разів зображення найменшого перерізу пучка, а друга конденсорна лінза переносить зменшене зображення мінімального перерізу пучка в предметну площину обєктивної лінзи.

Система формування зображення має за мету створити зображення обєкта із великим збільшенням. Вона складається, з трьох блоків: обєктивного, проміжного та проективного.

Обєктивний блок являє собою сильну лінзу з малим фокусом: 2-3 мм для магнітних лінз і 6-7 мм для електростатичних. Обєкт, освітлюваний електронним пучком, генерований освітлювальною системою, міститься поблизу передньої фокальної площини обєктивної лінзи, а збільшене в кілька сотень раз зображення виникає у предметній площині проміжної лінзи.

Обєктивна лінза (рис. 1.4а) являє собою обмотку, укладену у феромагнітний панцир з немагнітним зазором. Над обмоткою є простір, що представляє собою камеру обєктів. У ній розташовані столик обєктів, системи установки й зміни тримача обєкта тощо. Нижче обмотки перебуває тубус обєктивної лінзи з поміщеними в ньому механізмами юстування й селекторних діафрагм. Лінза має полюсний наконечник з матеріалу з високою магнітною провідністю для обмеження ефективного зазору, де концентрується магнітне поле, до дуже малої приосьової області [5].

Рисунок 1.4 - Електромагнітна лінза без полюсного наконечника (а) та полюсний наконечник (б) [7, 8]

Для покращення контрасту зображення в обєктивну лінзу вводять апертурну діафрагму, яка обмежує кут розходження пучка електронів, які приймають участь у формуванні зображення. Величина апертурного кута, який обмежується діафрагмою буде залежати від діаметру діафрагми та її розміщення в лінзі. Діафрагму розташовують там, де траєкторія пучка електронів має найбільше віддалення від оптичної осі [9].

Пристрій для утримання зразка, який вставляється в ПЕМ, називається утримувачем зразка. У тримачі зразок діаметром 3 мм закріплюється за допомогою фіксатора зразка. Для мікроструктурного аналізу кристалічних зразків використовується тримач зразків з двійним наклоном, який має механізм, який дозволяє наклонити зразок відносно двох взаємно перпендикулярних осей. У залежності від конструкції мікроскопу існує два способи введення зразка у предметну площину обєктива: боковий (рис. 1.6) та верхній. Для цих двох способів маніпулятори або обєктотримачі мають різну конструкцію. У першому випадку зразок вводиться через щілину у бронзовій втулці полюсного наконечника, а у другому - через верхній башмак, що забезпечується використанням патрончика з міді [7].

Рисунок 1.5 - Зовнішній вигляд маніпулятора бокового вводу [7]

Обєктивна лінза створює дійсне збільшене зображення обєкта, яке потім збільшується за допомогою проміжної і проективної лінз.

Камера спостереження призначена для візуального спостереження кінцевого зображення на екрані. Камера має ілюмінатори для спостереження зображення, вони виготовляються із скла, яке леговане свинцем для захисту від рентгенівського випромінювання. У камері розміщено один або два екрани: один - юстировочний з пониженою світлочутливістю (синій), для юстування колони та другий робочий (зелений), на якому розглядаються малі елементи зображення [5].

Нижче камери спостереження розміщується фотокамера для реєстрації зображення. Існує декілька видів реєстрації зображення: на фотоплівці або за допомогою телевізійної камери. При використанні фотоплівки вона експонується електронами прямо в камері фотореєстрації ПЕМ. Чутливість фотоплівки до електронів аналогічна чутливості плівки до світла. При використані телевізійної камери електронно-мікроскопічне зображення перетворюється в світлове зображення за допомогою напівпрозорого флуоресцентного екрану, потім воно передається в реєструючий пристрій під дією оптоволоконної пластини чи збиральної лінзи. Крім традиційної системи реєстрації останнім часом використовується запис зображення в цифровому вигляді за допомогою ПЗЗ - камери(прилад із зарядовим звязком). Падаючі електрони перетворюються у світлові імпульси за допомогою сцинтиллятора на основі ІАГ ( ітрій-алюмінієвого гранату) і посилаються у ПЗЗ-матрицю через оптоволоконну пластину.

Рисунок 1.6 - Схема пристрою ПЗЗ - камери [7]

У ПЗЗ - матриці детектоване світло перетвориться в електричний заряд, що зберігається в кожному каналі напівпровідникового електрода на поверхні ПЗЗ - приладу. У процесі сканування ПЗЗ-матриці накопичений у кожному пікселі електричний заряд послідовно передається в сусідній піксель і в підсумку виводиться через вихідний контакт у вигляді електричного сигналу [7].