книги из ГПНТБ / Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия

волн электронов при их выходе из пушки. Некоторый разброс длин воли неизбежен потому, что энергия электро­ нов, выходящих из катода, неодинакова и лежит в опре­ деленном интервале, а ускоряющее напряжение практи­ чески нельзя поддерживать абсолютно постоянным. Что же касается эффекта Бёрша, то он обусловлен взаимодействием между электронами в пучке и заметен только в области кроссовера пушки, где плотность электронного тока максимальна. (В последующих местах сужения пучка в микроскопе плотность тока будет намного меньше, так как значительное количество электронов задерживается различными диафрагмами.) Для некоторых электронов составляющие, перпендикулярные оптической оси, ока­ зываются параллельными этой оси, и наоборот, в результа­ те чего полный разброс энергий электронов увеличивается до 1 или 2 эВ.

3.1.2. КОНДЕНСОРНЫЕ ЛИНЗЫ

Электроны, выходящие из пушки в виде тонкого рас­ ходящегося пучка, направляются на объект через пару магнитных конденсорных линз, обеспечивающих умень­ шение размера кроссовера пучка и его фокусировку в плоскости объекта или в бесконечности. В первом случае малая область объекта освещается слабо сходящимся пучком электронов, во втором случае электроны падают на объект параллельно оси. Конденсорная система снабже­ на апертурной диафрагмой, предназначенной для ограни­ чения диаметра пучка, поскольку освещение объекта широким пучком нецелесообразно. (Если размеры изобра­ жения, наблюдаемого па конечном экране, составляют 100 мм, то при увеличении в 20 000 раз необходимо осве­ щать только область объекта диаметром 5 мкм.)

В принципе для получения пучка указанных размеров было бы вполне достаточно одной конденсорной линзы, в связи с чем первые серийные приборы были снабжены однолинзовым конденсором. Однако, поскольку вторая линза облегчает возможность управления электронным пучком, двухлинзовый конденсор нашел широкое приме­ нение во всех современных электронных микроскопах. При этом основное преимущество такого конденсора за­

ключается в том, что он позволяет сконцентрировать пучок на очень малой области объекта, благодаря чему даже при самых больших увеличениях конечное изображение является достаточно ярким.

В ряде применений контраст изображения может быть повышен введением кольцевой апертурной диафрагмы. Эта диафрагма располагается ниже второй линзы конден­ сора так, что объект освещается полым коническим пучком. При этом угол раствора конуса выбирается таким, чтобы в отсутствие объекта конический пучок электронов задер­ живался апертурной диафрагмой объектива. Когда же исследуемый объект оказывается на пути пучка, часть рассеянных им электронов проходит через апертурную диафрагму объектива и формирует темнопольное изобра­ жение (см. стр. 134). В серийном микроскопе (AEI ЕМ 801 S), в котором обеспечивается указанное так называемое стриоскопическое освещение, ниже кольцевой апертурной диафрагмы располагается третий конденсор (минилинза), облегчающий точное совмещение изображения кольце­ вой апертурной диафрагмы с апертурной диафрагмой объектива.

3.1.3. ОБЪЕКТ

Объект обычно располагается на сетке, представляющей собой небольшой диск из тонкой металлической ткани и помещаемой пад круглым отверстием объектодержателя. Давление внутри микроскопа поддерживается очень низ­ ким ( ~10~5 мм рт. ст.). В связи с этим пространство, в котором располагается объект, откачивается через спе­ циальный шлюз таким образом, что при смене, объекта в микроскоп попадает лишь очень небольшое количество воздуха. Попавший в прибор воздух обычно быстро уда­ ляется вакуумными насосами, с которыми постоянно соединено внутреннее пространство прибора.

Точное положение объекта относительно объективной линзы в значительной степени зависит от природы объекта и теоретического предела разрешающей способности микроскопа. Электронный микроскоп используется во многих областях науки. Исследуемые в нем объекты пред­ ставляют собой биологические ткани, аморфные твердые

122 Глава 3

тела, металлы, сегнетоэлектрические и ферромагнитные материалы. Большая часть усилий биологов, как это будет показано в гл. 5, направлена на препарирование объекта, после чего он оказывается пригодным для непосредствен­ ного исследования в микроскопе. Металловеды, например, заинтересованы в исследовании объектов при различных условиях в определенном интервале температур. Это позволяет, в частности, изучать процессы изменения кри­ сталлической структуры ряда сплавов, происходящие, как известно, в тех случаях, когда температура сплава достигает определенного критического значения. Большой интерес представляет также исследование явлений, обус­ ловленных деформацией металлов. Магнитные домены в ферромагнитных материалах изменяются под воздей­ ствием магнитных полей, и электронномикроскопические исследования этих изменений могут существенно попол­ нить наши сведения о природе магнетизма.

Исследование указанных проблем из области металло­ ведения связано с необходимостью применения специаль­ ных дополнительных устройств (приставок) для нагрева, охлаждения, деформации и др., размещение которых тре­ бует наличия соответствующего пространства в камере объектов, расположенной выше объективной линзы. Для биологических исследований прежде всего важно обеспе­ чить получение высококачественного изображения, что связано с необходимостью расположения объекта внутри поля объективной линзы. В ряде конструкций электрон­ ных микроскопов это достигается благодаря тому, что объектодержатель перемещается между башмаками полюс­ ного наконечника этой линзы. На фиг. 3.7 показано несколько типов держателей объектов микроскопов, приме­ няемых для различных целей.

Имеется, однако, исключение из указанных общих требований к объективным линзам электронных микро­ скопов,, предназначенных для биологических исследова­ ний. Оно обусловлено большой заинтересованностью био­ логов в достижении возможности электронномикроскопи­ ческих исследований живых объектов. Существенные труд­ ности проведения таких исследований, которые пока еще до конца не преодолены, состоят в том, что необходимые операции по препарированию и переход от атмосферного

давления к высокому вакууму, поддерживаемому в при­ боре (~ 1 0 -6 мм рт. ст.), неизбежно ведут к гибели живого объекта. Во избежание этого были предприняты .опреде­ ленные попытки создания небольшой автономной камеры, внутри которой созданы условия для сохранения живых объектов и через которую можно пропустить электронный пучок.

Увеличение электронного микроскопа, зависящее так­ же от тока возбуждения линз, не является строго фикси­ рованным, как в световом микроскопе. Поэтому прибор должен быть откалиброван таким образом, чтобы была известна зависимость увеличения от тока возбуждения его линз. Обычно эта калибровка производится с помощью различных тест-объектов, размеры которых можно опре­ делить с большой точностью. Для этой цели широко при­ меняются сферы из латекса диаметром примерно 2600 А, рассматриваемые при небольших увеличениях. При боль­ ших увеличениях в качестве тест-объектов используются кристаллические структуры с известными постоянными решетки (межплоскостпые расстояния). Так, для проме­ жуточных увеличений удобны кристаллы каталазы с по­

вторяющимся межплоскостным расстоянием 86 А, а для очень больших увеличений пригодны кристаллы фтало-

цианина меди (12 А) и частично графитизированной уголь­ ной сажи (3,4 А).

Методы препарирования объекта рассмотрены в гл. 5, посвященной вопросам применения электронных микро­ скопов, и здесь будет уделено внимание только проблеме загрязнения объекта. Установлено, что, несмотря на очень низкое давление, поддерживаемое в колонне микроскопа, поверхности объектов, облучаемые электронным пучком, покрываются слоем загрязнений. Электронный пучок падает на металлические поверхности всех апертурных диафрагм, расположенных на его пути, а также на иссле­ дуемый объект. Поэтому необходимо, чтобы апертурные диафрагмы были всегда чистыми, что достигается просто путем их периодического удаления и тщательной очистки. Что же касается объекта, то для его защиты от загрязне­ ния необходимо принять специальные меры. В противном случае он может быстро покрыться слоем инородных

126 Глава 3

охлажденных поверхностях защитного устройства, и толь­ ко некоторые из них достигают объекта.

Взаимодействия пучка с объектом. Рассмотрим с ка­ чественной точки зрения последствия столкновений между электронами пучка и атомами объекта. Электроны, про­ ходящие вблизи тяжелых атомов объекта, отклоняются и в дальнейшем задерживаются апертурной диафрагмой объектива. Таким образом, плоскости изображения дости­ гают только электроны, проходящие вдали от атомов (или испытывающие малые отклонения при прохождении вбли­ зи легких атомов). Закономерность указанного описания механизма основана па детальных исследованиях, которые систематически проводились начиная с самого раннего этапа развития электронной микроскопии.

Если быстро движущийся свободный электрон падает на тонкий объект, то он может либо совсем не столкнуться с атомами объекта, либо испытать одно, несколько или даже много столкновений с ними. Это отличие важно как с математической, так и с физической точки зрения. В случае когда имеет место однократное (единичное) рас­ сеяние, анализируют прохождение электрона через поле, окружающее атом; при кратном рассеянии (несколько

столкновений) результирующее движение электрона опре­ деляется совместным влиянием отдельных единичных актов рассеяния; в случае многократного рассеяния свойства

отдельных столкновений усредняются, и явление в целом уже подчиняется статистическим закономерностям. На практике характер рассеяния определяется толщиной объекта t или, точнее, эффективной толщиной рt (где р —

плотность объекта), которая обозначается т = pf. Далее, каждое столкновение может быть либо упругим, либо неупругим. Столкновения между падающим электроном и ядром, сопровождающиеся очень небольшим обменом энергией, которым в первом приближении можно пренеб­ речь, называются упругими столкновениями. Направление

движения электрона при этом меняется, но его энергия фактически остается неизменной. Столкновения между падающим электроном и электронами, окружающими ядро рассеивающего атома, напротив, сопровождаются потерей энергии быстрого электрона и называются неупругими столкновениями.

Атомы объекта, естественно, не являются свободными. В аморфных или некристаллических веществах, например биологических тканях, их связи, как известно, случайны, а в кристаллических материалах они образуют упорядо­ ченные структуры. Формирование электронномикроско­ пического изображения некристаллических веществ, о ко­ торых в основном здесь идет речь, можно анализировать путем рассмотрения актов рассеяния на отдельных атомах, считая их независимыми, и последующего суммирования полученных результатов (это правомерно, если межатом­ ные силы считаются изотропными или пренебрежимо малыми). В случае кристаллов, когда атомы образуют регулярные структуры, результаты отдельных актов рас­ сеяния должны суммироваться таким образом, чтобы учи­ тывалась регулярность положений рассеивающих атомов. Таким образом, в первом случае (некристаллические веще­

определяется общим атомным сечением рассеяния at (а),

что представляет собой вероятность рассеяния электрона на угол, равный или больше а на отрезке dt, деленную на чис­

ло атомов в единичной площадке, расположенной перпен­ дикулярно падающему электронному пучку. Это общее сечение о( можно разделить на упругую (е) и неупругую (i) компоненты; a t (а) = ое (а) + а г (а). Значения сече­

ния для а = О, представляющие собой вероятности того, что происходят какие-либо акты рассеяния, весьма важ­ ны, поэтому мы введем для них специальные обозначения: a t (0) = аТ, ае (0) = аЕ и ог (0) = а/, так что ат = аЕ +

+ ст/. Эти сечения рассчитываются косвенным путем. Прежде всего следует рассмотреть фактор атомного

рассеяния или форм-фактор для электронов /, определяе­ мый как электронная амплитуда рассеяния на атоме в единице телесного угла при падающем пучке, имеющем единичную интенсивность. Число электронов п (а), рас­

сеянных в интервале углов между а и a -f- 6а, опреде­ ляется выражением

п (а) = п01/ 12 2л sin аба,

где п 0 — число электронов на единицу площади в падающем

пучке. (Заметим, что, поскольку форм-фактор / вклю­ чает амплитуду — функцию ф из уравнения (3.3), он не обязательно должен быть действительным.) Фактор атом­ ного рассеяния связан сравнительно простым соотноше­ нием с дифференциальным сечением рассеяния 2 , являю­ щимся производной от а (а) по телесному углу й, или,

что более удобно,

Как и ранее, используем индексы е, i и t для'различения

отдельных дифференциальных сечений. Тогда имеем

Если / может быть определено, то можно рассчитать соответствующее сечение, и это позволит получить резуль­ тирующий контраст изображения С, определяемый как

C= lg /0//,

где / о — интенсивность в плоскости изображения для случая, когда объект удален с пути электронного пучка; I — интенсивность в той же плоскости, обусловленная

рассеянием электронов на атомах объекта. При нормаль­

е, i и t.)

Из приведенного выше рассмотрения следует, что рас­ сеяние, а значит, и контраст изображения могут быть оце­ нены с приемлемой точностью только в том случае, когда точно известен атомный потенциал.

Для точных расчетов необходимо пользоваться рас­ пределением потенциала, заданным в числовой форме.