книги из ГПНТБ / Локальные методы анализа материалов

рименталы-юе определение оптического разрешения та­ кой линзы при расстоянии от образца до первого элект­

Одним из важнейших элементов оптической системы масс-спектральных микроскопов является магнитная призма, при помощи которой осуществляется фильтра­ ция ионных изображений и выбирается вид анализиру­ емых ионов. В отличие от магнитных анализаторов обыч­ ных масс-спектрометров требования к призмам массспектральных микроскопов значительно выше, посколь­ ку в последнем случаз требуется обеспечить не только высокое масс-спектралыюе разрешение, но и отсутствие оптических аберраций при пропускании изображения, переносимого ионами выбранного вида.

Теория и методы расчетов таких призм, как элемен­ тов оптических систем, хорошо разработаны, и практи­ чески созданы призмы и более сложные системы, содер­ жащие призмы, которые позволяют получить масс-спек- тральное разрешение 300—350 при оптическом разреше­ нии 1 мкм.

Рассмотрим основные закономерности движения ио­ нов в призмах, обеспечивающих получение изображений, пригодных для использования в масс-спектралыюй мик­ роскопии. Все практически используемые устройства име­ ют плоскость симметрии (механическую, электрическую и магнитную) и являются частным случаем ортогональ­ ных систем, общая теория которых была развита Коттом [5] . В любой точке плоскости симметрии таких си­ стем вектор электрического поля содержится в этой плос­ кости, а вектор магнитной индукции нормален к ней.

В интересующем нас случае соответствующие поля образуются в зазоре постоянного размера магнита или электромагнита при условии, что размеры зазора малы по сравнению с размерами магнита. Полюсные башмаки имеют грани, перпендикулярные плоскости симметрии и ограничивающие сектор, в котором локализовано поле. При этих условиях средняя траектория ионов в плоско-

сти симметрии зазора описывается отрезками прямой CS в пространстве, свободном от поля перед призмой, дугой окружности SS/ радиусом R, охватывающей угол ср в призме, и отрезком прямой 5' С в пространстве, сво­ бодном от поля после выхода из призмы (рис. 98).

Обозначим углы входа и выхода е' и є", считая их по­ ложительными при отсчете между траекторией в нап­ равлении движения частиц и нормалью к грани. Для уточне­ ния формулировки условий фо­ кусировки назовем плоскость симметрии призмы первым глав­ ным сечением, а поверхность, перпендикулярную к этой плос­ кости и содержащую среднюю траекторию частиц, — вторым главным сечением.

Расчетно и экспериментально показано, что при определенных углах е' и є" можно получить од­ новременную фокусировку в двух главных сечениях за счет фоку­ сирующего действия краевого по­ ля, т. е. так называемую стигма­

Эти расчеты справедливы для идеального случая маг­ нита с бесконечно малым зазором и для пучка, состояще­ го из идентичных частиц с одинаковой энергией. Однако в практических случаях дело обстоит иначе, поскольку магнитная призма предназначена именно для сепарации ионов по массам или по энергиям. Такая сепарация осу­ ществляется при помощи селекторной диафрагмы, поме­ щенной в С и имеющей ширину, равную реальной шири­ не кроссовера С.

Поскольку селекторная диафрагма имеет конечную ширину, то через нее всегда проходят ионы с некоторым разбросом скоростей, что приводит к возникновению хро­ матической аберрации первого порядка в конечном изоб­ ражении. Этот дефект существует только в первом сече-

выходе из призмы траектории кажутся исходящими из одной точки независимо от того, является ли сам пучок расходящимся, или имеет место неоднородность скорос­ тей частиц. Это означает, что система сохраняет свои свойства дисперсии и в то же время позволяет получить ахроматическое изображение (в пределах ограниченной полосы энергетического разброса) путем фокусировки изображения в первом главном сечении на уровне ахро­ матической точки.

Подробный анализ различных видов аберраций, при­ сущих стигматичным магнитным призмам [3, 8], показы­ вает, чтск определяющими являются хроматические абер­ рации. Дисторсия, астигматизм поля и апертурные абер­ рации играют второстепенную роль. В целом аберрации

разрешение всего масс-спектрального микроскопа. Методы расчета магнитных призм основаны на учете

характера поля рассеяния на краях зазора магнита и сво­

масс-спектральных микроскопов является сочетание маг­

щает его снова в призму, где он поворачивается еще на 90° и выходит коаксиалыю с падающим пучком.

Оптический анализ работы всей системы включает от­ дельное рассмотрение траекторий, соответствующих двум магнитным отклонениям и отражению в зеркале. При первом отклонении моноэнергетический пучок частиц по­ ворачивается на 90° в призме с однородной индукцией, причем угол падения равен є ' | є ' = — е ' | и угол выхода ра­ вен нулю. Условия сопряжения Котта указывают, что пу­ чок, исходящий из кроссовера, расположенного на рас­ стоянии от входной грани призмы, вообще говоря, схо­

от выходной грани призмы (R — радиус кривизны сред­ ней траектории).

Стигматическая фокусировка соответствует совпаде­ нию обеих фокальных линий в один кроссовер, т. е. = = ^ = £ ' . Это уравнение определяет положение и число стигматичиых точек объекта и сопряженных изображе­

ная, а другая — мнимая.

Часть призмы, которую проходит пучок частиц после отражения в зеркале, характеризуется углом входа, рав­ ным нулю, и углом выхода г" (г" — — е ' = е ) .

Сравнивая решения уравнения £,'2 = t,' , которое дает число и координаты сопряженных стигматичиых то­ чек второй части призмы с решениями такого же уравне­ ния для первой части, можно прийти к выводу о том, что стигматичные точки объекта и изображения второй части симметричны соответствующим точкам изображения и объекта первой части по отношению к оси зеркала. В частности, точки изображения первой призмы совпадают с точками объекта для второй.

Для определения оптических свойств полной системы, включающей треугольную призму и зеркало, необходимо зафиксировать характеристики зеркала, т. е. положения его вершины и центра. Существено, что система облада­ ет свойствами дисперсии, поэтому знание дисперсионных

нутое в случае мнимого изображения. Рис. 101 соответст­ вует выпуклому зеркалу, вершина которого совпадает с положением промежуточного изображения, а центр — с выходным кроссовером первой ветви призмы.

Анализ траекторий частиц различных энергий в такой системе показывает, что ахроматическая плоскость нахо­ дится в выходном кроссовере диспергирующей системы. Поэтому при прохождении через такую систему никакой фильтрации по энергиям получить нельзя. Однако можно успешно сепарировать ионы разных масс, причем селек­ торную диафрагму следует устанавливать на уровне промежуточного кроссовера (центр отражающего зерка­ ла). Фильтрацию ионов по энергиям можно осуществить путем вариации напряжения на катоде зеркала.

Масс-спектральное разрешение такой системы может быть доведено до 300—350 (М/АМ).

Предельное оптическое разрешение масс-спектральных

микроскопов

Предельное оптическое разрешение масс-спектраль­ ных микроскопов с сепарацией полных изображений оп­ ределяется свойствами применяемых ионно-оптических элементов, а также характером самого элементарного процесса вторичной ионной эмиссии, лежащего в основе метода получения изображений исследуемой поверхно­ сти.

Как было показано выше, оптические качества сепа­ рирующего магнита, проекционной линзы и преобразова­ теля изображения таковы, что представляется возмож­ ным получить предельное разрешение ~ 1 мкм при не слишком малом диаметре апертурной диафрагмы. Нап­ ример, экспериментально получено разрешение 1,1 мкм в центре изображения и 1,6 мкм по краям поля диаметром 0,2 мм при диаметре апертурной диафрагмы 0,4 мм. Пос­ кольку влияние аберраций всех элементов определяется с приведением к поверхности образца, т. е. с учетом опти­ ческого увеличения, то чем больше увеличение первичной эмиссионной линзы, тем меньше влияет на разрешение всей системы качество последующих элементов.

Вместе с тем разрешение самой эмиссионной линзы может быть значительно увеличено путем уменьшения диаметра апертурной диафрагмы. В отличие от электрон­ ного зонда здесь нет процесса, аналогичного проникнове­ нию электронов внутрь образца, и нет процесса, анало-

рованного этим объективом. Зная, что количество ионов, образующее каждый элемент изображения, должен быть равным 104//?2 и обозначив через Пі (б) количество ионов, формирующих изображение области объекта с разме­ ром б, получим:

чает, отношение Пі/ito, полученное в результате экспери­ мента, в котором диафрагму иммерсионного объектива подбирали с таким расчетом, чтобы разрешение равня­

Из этого уравнения следует, что предельное разрешение, т. е. диаметр того объема вещества, которое может быть проанализировано с точностью р (%), изменяется обрат­ но пропорционально р и обратно пропорционально

4

У (пі:по)жсп- Это отношение называется эффективностьювторичной ионизации. Оно в значительной степени зави­ сит от природы исследуемого элемента, его концентра­ ции и окружения, в котором он находится в сплаве. Нап­ ример, отношение для алюминия в сплаве Си — А1 сос­ тавляет 10_ 3 , а для меди -—-5-10-7 . [3].-

При точности количественного анализа 10% ( р = 10) предельное разрешение для алюминия оказывается рав-

о

иым 350 А, а для меди 0,35 мкм при вытягивающем по­ ле 10 кв/см. Это разрешение может быть еще улучшено путем повышения вытягивающего поля. Таким образом, теоретическое разрешение ионного масс-спектрального микроскопа является очень высоким — по-видимому, максимальным из всех существующих методов локаль­ ного анализа в настоящее время, однако эксперименталь­ но получаемые разрешения не превышают 1 мкм.

Преобразователи изображения

Финальным этапом в работе масс-спектральных мик­ роскопов является получение увеличенного ионного изо­ бражения в виде, пригодном для наблюдения и фотогра­ фирования. Для рассматривания ионных изображений проще всего применить флуоресцирующий экран. Одна­ ко, к сожалению, флуоресцирующие экраны имеют чрез­ вычайно низкую чувствительность для ионов и особенно для тяжелых ионов, имеющих относительно малые ско-

Н УЗ А

Рис. 102. Траектории ионов и электронов в преобразователе изображения

рости. Кроме того, металлические ионы быстро «отрав­ ляют» флуоресцирующее вещество, покрывая его непро­ зрачным слоем. Наконец, люминофоры являются в основ­ ном изоляторами, они заряжаются положительно, тормозят ионы и излучают под их воздействием вторич­ ные электроны, что ведет к миграции изображения и раз­ рядам. Чтобы обойти эти трудности, применяют преобра­ зователи изображения, предложенные Меленштедтом [64] и усовершенствованные в последующих рабо­ тах [3, 4].

Принцип действия таких преобразователей состоит в следующем. Действительное ионное изображение проек­ тируется на хорошо отполированный катод, электронной эмиссионной линзы. Соударение ионов с этим катодом вызывает эмиссию вторичных электронов, которые уско­ ряются и фокусируются этой эмиссионной линзой в виде электронного изображения, которое и наблюдают на флуоресцирующем экране. Как показано на рис, 102, пу-