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

следует тому же ходу рассуждений, но использует более точное выражение для / х .

Хотя падающий электрон может терять любую долю энергии вплоть до еФ, существуют потери энергии опре­

деленной величины, характеризующие элементы, входящие в объект, и изображение объекта может быть сформирова­ но с помощью электронов, претерпевших характеристиче­ ские потери (см. разд. 4.5). Если, кроме того, учесть влия­ ние межатомных сил, то оказывается, что коллективные колебания могут происходить только в тех объектах, с которыми ассоциированы характеристические потери энергии (плазменные потери).

Многократное рассеяние. Все теоретические работы по упругому и неупругому рассеянию, в том числе и рабо­ ты, рассмотренные выше, сводятся к определению значе­ ний различных сечений рассеяния и, следовательно, конт­ раста изображения. При толщине больше определенного значения необходимо учитывать рассеяние электронов. Это означает, что электрон при первом столкновении может отклониться на угол, исключающий возможность его прохождения через апертурную диафрагму объектива, а в результате второго (или последующих) столкновений такая возможность снова может появиться. Значение т, выше которого теория однократного рассеяния уже не может быть использована, представляет существенный интерес, и поэтому оказалось целесообразным введение понятия критической эффективной толщины. Мы видели, что контраст изображения С пропорционален S tr, где S t — постоянная для однократного рассеяния. Поэтому

критическую эффективную толщину *) определяют как

r = l / S t.

Фактически С остается пропорциональным S t (при исполь­ зовании значения St, характеризующего однократное рас­

сеяние) для значений т, превышающих критическую эффек­ тивную толщину однократного рассеяния. Для объяснения

этого обстоятельства необходимо привлечь общую теорию многократного рассеяния, о которой здесь будут даны лишь самые краткие сведения. Эта теория основана на полу­ ченном Ботге выражении, которое характеризует связь меж­ ду частью (бп) падающего и затем многократно рассеян­

ного пучка (на углы, лежащие в пределах от а и а + 6а) и дифференциальным полным сечением рассеяния

6п = f (a)ada,

где

/ ( “) = j m ) [2nT'¥(%)NA/A ]J0(%a)%d%

о

и

4 ( X ) = j 2 t [^ — Jo(%oi.)]ada.

о

В общем случае интегралы можно определить только численно, но при соответствующем выборе функции интег­ рирование может быть выполнено и аналитически. Если проинтегрировать функцию / (а) с целью определения части пучка, рассеянного за пределы апертурной диафраг­ мы объектива, то получается эффективное сечение много­ кратного рассеяния S p (а), которое для малых значений т будет идентично S t (а). Точка, за которой эти сечения

начинают расходиться, определяет границу применимости теории однократного рассеяния. Как уже отмечалось выше, соответствующее значение т часто оказывается значительно больше критической эффективной толщины.

3.1.4. ОБЪЕКТИВНАЯ ЛИНЗА

Объективная линза представляет собой наиболее важ­ ную часть электронного микроскопа, которая определяет разрешающую способность прибора. Это обусловлено тем, что она является единственной линзой, в которую электро­ ны входят под большим углом наклона к оси, и вследствие этого ее сферическая аберрация по сравнению с осталь­ ными линзами оптической системы прибора оказывается

весьма значительной. По той же причине приосевая хро­ матическая аберрация объективной линзы значительно больше, чем у других линз электронного микроскопа.

Как уже указывалось, положение объекта в линзе определяется главным образом характером исследователь­ ских задач, которые решаются посредством микроскопа. Вообще говоря, важно, чтобы коэффициенты сферической и приосевой хроматической аберрации были насколько возможно малыми, а для этого необходимо, чтобы объект располагался как мояшо ближе к центру линзы (где напря­ женность магнитного поля является максимальной). В по­ следние годы для достижения предельно возможного раз­ решения была разработана объективная линза, в которой объект располагается в центре таким образом, что одна половина поля объектива работает как дополнительная часть конденсорной системы, а другая служит в качестве объектива 1). Однако такая линза очень сложна в эксплуа­ тации, так как при ее использовании все линзы микроско­ па должны быть с высокой точностью отъюстированы относительно оптической оси, а форма пучка, освещаю­ щего объект, должна тщательно контролироваться. Юсти­ ровка частей электронного микроскопа всегда представ­ ляет собой трудную задачу, и конструкторы усиленно работают над созданием способа систематической конвер­ гентной юстировки, которая в случае применения описан­ ного конденсор-объектива оказывается значительно слож­

нее.

Объектив содержит еще три других важных элемента: отклоняющие катушки, расположенные над объектом, и апертурную диафрагму и стигматор, расположенные ниже объекта. Как указывалось выше, назначением апер­ турной диафрагмы является обеспечение контраста. Стиг­ матор позволяет корректировать астигматизм, обусловлен­ ный неизбежными механическими и магнитными несовер­ шенствами полюсных наконечников. На фиг. 3.8 показан стигматор микроскопа фирмы «Филипс». Отклоняющие

увеличения промежуточного изображения, сформирован­ ного объективной линзой, и обеспечения возможности изменения электроннооптического увеличения в широком диапазоне (путем соответствующего изменения тока воз­ буждения этих линз). Так, например, в микроскопе ЕМ 300 фирмы «Филипс» достигаются увеличения от Х2800 до X 500 000, а при незначительной модификации может быть также получен диапазон увеличений от х220 до Х3900 (фиг. 3.9).

Кроме того, эти линзы позволяют менять режим рабо­ ты микроскопа. В микроскопах высшего класса изменение режима облегчается благодаря применению дополнитель­ ной линзы. Выше был описан режим работы микроскопа, при котором объектив формирует изображение объекта, а последующие линзы отображают это промежуточное изображение на конечном экране с большим увеличением. Изменением возбуждения промежуточной и проекционной линз можно достигнуть того, чтобы конечный экран ока­ зался сопряженным не с промежуточным изображением, а с любой другой интересующей нас плоскостью. Как будет показано ниже, большой интерес представляет рас­ пределение электронов в фокальной плоскости объектива в пространстве изображений.

Для понимания особой роли фокальной плоскости объектива необходимо вспомнить некоторые элементарные свойства кристаллов или регулярных структур вообще. Многие материалы, состоящие из атомов одного или нескольких видов, могут в определенных условиях приоб­ рести регулярную структуру. Простым примером этого служит углерод, который может быть либо аморфным, либо кристаллическим (алмаз, графит). Типичное расстоя­ ние между атомами в кристаллах составляет несколько ангстрем, и поэтому рентгеновские лучи, падающие на кристалл, будут формировать дифракционную картину точно так же, как и свет, падающий на тонкую регуляр­ ную решетку. Формирование дифракционной картины будет рассмотрено ниже (см. разд. 3.3 и 3.4). Здесь отме­ тим только, что она состоит из пятен или линий, положе-

300 фирмы «Филипс», который имеет две промежуточные линзы, расположенные между объективной и проек­ ционной линзами (см. фиг. 1.46).

ния которых непосредственно зависят от структуры кристалла. Если объект представляет собой не крупный кристалл, а большое число мелких, хаотически располо­ женных кристаллов, то дифракционная картина будет состоять не из пятен, а из концентрических колец, по кото­ рым также можно получить ценную информацию о пер­ вичной структуре материала. Дифракционные картины могут быть сформированы также электронами, проходя­ щими через кристаллические вещества, что тоже позволяет получить данные для определения их структуры. Указан­ ная картина возникает в фокальной плоскости объектива (или вблизи нее), поэтому электрическая схема микро­ скопа выбирается таким образом, чтобы его можно было переключать на режим дифракции (при этом промежуточ­ ная и проекционная линзы формируют сильно увеличен­ ное изображение дифракционной картины). Некоторые микроскопы, специально разработанные с учетом этой воз­ можности, снабжены прецизионными устройствами для наклона объекта, позволяющими получать дифракцион­ ные картины, соответствующие различным ориентациям кристаллической структуры.

Параметром микроскопа, используемым в анализе электронных дифракционных картин, является длина камеры L, определяемая как произведение фокусного

расстояния объектива и общего увеличения, даваемого промежуточной и проекционной линзами в режиме дифрак­ ции. Если известна L, то по положению пятен в дифрак­

ционной картине можно рассчитать размеры элементов кристаллической решетки.

Указанные линзы сферическую аберрацию практиче­ ски не вносят, так как углы, под которыми электроны про­ ходят через линзы, настолько малы, что даже наибольшая его величина, возведенная в кубическую степень, оказы­ вается ничтожно малой. Однако эти линзы могут вносить дисторсию и, что особенно важно, хроматическую абер­ рацию увеличения. При тщательном выборе конструкции системы обе указанные аберрации могут быть уменьшены до приемлемых значений. Следует отметить, что дисторсия, хотя она и нежелательна, не ухудшает четкости изображения, и поэтому с невозможностью ее полного устранения можно смириться. Что же касается хромати­

ческой аберрации, то она является динамическим эффек­ том, вызывающим ухудшение четкости изображения, что, следовательно, вызывает необходимость ее устранения или хотя бы уменьшения до приемлемого предела.

3.1.6. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ

Конечное изображение на люминесцентном экране микроскопа наблюдают через специальное смотровое окно. Обычно объект сначала изучается при малом увеличении, и интересующее место выводится на центр экрана. Затем увеличение повышается до тех пор, пока не станут види­ мыми детали структуры, и по достижении этого изобра­ жение можно зарегистрировать фотографически. В новей­ ших микроскопах этот последний этап почти полностью автоматизирован (люминесцентный экран удаляется с пути электронного пучка, измеряется яркость электронного изображения, устанавливается соответствующее время экспозиции, затвор открывается и пропускает электроны к фотопластинке или пленке; по истечении необходимого времени экспозиции затвор закрывается, экспонированная пленка (или пластинка) заменяется новой и люминесцент­ ный экран снова устанавливается в исходное положение). Для предотвращения вибрации механический форвакуумный насос во время регистрации изображения выклю­ чается.

Описанный способ наблюдения и регистрации элек­ тронного изображения является общепринятым. Микро­ скоп также может быть оснащен телевизионной системой, которая позволяет наблюдать изображение большому числу исследователей.

Между чувствительностью фотографических эмульсий к свету и к электронам имеются интересные отличия. Вследствие передачи некоторой энергии падающим свето­ вым или электронным пучком одному из кристаллов гало­ генида серебра, содержащихся в фотоэмульсии, образуют­ ся небольшие скопления атомов серебра (так называемые центры проявления). В процессе проявления кристаллы,

вкоторых образовались такие скопления, превращаются

вметаллическое серебро гораздо быстрее других кристал­ лов, и в результате этого возникает своего рода паутина

из серебряных нитей. Оказалось, что для указанного процесса проявления вместо нескольких фотонов требует­ ся всего лишь один электрон, и это различие имеет важ­ ное значение с точки зрения установления зависимости почернения проявленной пленки (или пластинки) от рас­ пределения интенсивности падающего излучения. Почер­ нение описывается прозрачностью t, определяемой как

отношение количеств световой энергии, прошедших через соответственно экспонированные и неэкспонированные участки эмульсии проявленной фотопластинки (или плен­ ки). Более распространенной мерой чувствительности эмульсии является, однако, оптическая плотность D,

определяемая как

D = - \ g t .

(При D = 1 пластинка на глаз кажется светло-серой, а при D = 3 — совершенно темной.) Можпо показать, что при

электронном облучении, для которого характерны процессы одноэлектронных взаимодействий с эмульсией,

D — D0(\ — e~NA),

где D 0 — значение насыщения, N — число электронов, падающих на единицу площади, А — средняя площадь

сечения кристалла галогенида серебра. Разлагая это выражение в ряд и пренебрегая членами, содержащими вторую и более высокие степени, получим

D « D0N A ~ N .

С другой стороны, для света, характеризующегося процес­ сами многофотонных взаимодействий, имеет место выра­ жение

D ~ l g ( N / N 0),

записанное в том же приближении. Здесь N 0 — постоян­ ная, а N обозначает экспозицию. Постоянная пропор­

циональности у в выражении

D = y \g ( N / N 0)

является мерой контрастности эмульсии. Если построить график зависимости D от lg ( N /N о) для эмульсии, экспо­

нированной светом, то получится кривая с протяженным