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

150 Глава 3

но, величина этих токов будет отличаться почти идеаль­ ной стабильностью. Но именно такими свойствами долж­ ны обладать обмотки возбуждения электронных линз (т. е. высокие значения токов при незначительных тепло­ вых потерях и максимальной стабильности). Был разрабо­ тан ряд электронных линз, основанных на использовании сверхпроводящих обмоток, свойства которых в настоящее время интенсивно исследуются. Микроскоп с оптической системой, которая полностью состоит из сверхпроводящих линз, введен в строй в Колеж де Франс (Париж) в 1971 г. Основное неудобство работы со сверхпроводящими лин­ зами заключается в необходимости постоянного охлаж­ дения их обмоток до очень низкой температуры. Был предложен ряд материалов, переходящих в сверхпроводя­ щее состояние при более высокой температуре, чем пере­ численные выше элементы. Это сверхпроводники второго

все еще остается очень низкая температура (~ 20 К). Гораздо менее очевидной является опасность достижения критической напряженности магнитного поля, свойствен­ ной данному сверхпроводнику. Однако следует иметь в виду, что при этом наступает скачкообразный переход обмотки в нормальное состояние со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Однако техноло­ гия сверхпроводящих магнитов развивается очень быстро,

иужо найдены способы конструирования обмоток, которые позволяют достичь необходимых высоких плотностей тока

ивместе с тем сохранить состояние сверхпроводимости.

Среди различных конструкций сверхпроводящих линз одни весьма сходны с обычными линзами, другие заметно отличаются от них. Простейшая линза представляет собой неэкранированпую обмотку с распределением поля, ана­ логичным распределению поля соленоида. Полуширина поля в этом случае является значительной, что весьма нежелательно с точки зрения достижения малых коэффи­ циентов аберрации. Однако указанная полуширина может быть уменьшена благодаря применению сверхпроводящих экранов, располагаемых с обеих сторон обмотки (фиг. 3.17).

Ф и г . 3.17. Сверхпроводящая линза, в которой для ограничения В (z) вдоль оси z используются сверхпроводящие экраны (а); рас­ пределение поля В (z) в представленной выше линзе (б) [23].

1 — сверхпроводящие цилиндрические экраны: 2 — сверхпроводящие обмотки; з — центральная трубка; * — внутренняя оболочка; 5 — сосуд с жидким

гелием; в — стигматор и отклоняющая система.

При этом сжатие зоны распределения поля В (z) обуслов­

лено тем, что магнитный поток в сверхпроводящий мате­ риал проникнуть не может.

Если обмотка заключена в железный панцирь, то необ­ ходимое поле можно создать либо обычным способом посредством полюсных наконечников с узким зазором, либо путем непосредственного использования поля обмот­

ности магнитного поля. В качестве таких материалов могут быть использованы редкоземельные металлы гольмий По и диспрозий Dy, обладающие ферромагнитными свойствами при очень низких температурах (при 4,2 К намагниченность

пературе) указанная намагниченность равна 2,1 Т, а для ко­ бальтовой стали 2,45 Т. На фиг. 3.19 и 3.20 приведены устройство и расчетные характеристики сверхпроводящих линз с полюсными наконечниками из редкоземельного металла.

Каковы же преимущества высоковольтных микроско­ пов? Прежде всего они позволяют исследовать на просвет толстые объекты. При этом электронномикроскопиче­ ское изображение объекта представляет собой супер­ позицию изображений его отдельных структур и опреде­ ление их взаимного расположения оказывается затрудни­ тельным. Эту трудность можно, правда, преодолеть путем

= 6,16 Т; а — фокусное расстояние объективной линзы и расстояние между фокусами; б • | - С,с‘

и того же участка, снятых при различных небольших углах наклона объекта. При наблюдении этих микрофотографий посредством стереоскопа достигается возможность уста­ новления объемной структуры исследуемого объекта.

Далее, при исследовании в высоковольтном приборе тонких объектов может быть достигнута более высокая разрешающая способность. Однако, поскольку электроны с высокими энергиями тонким объектом рассеиваются слабо, контраст изображения оказывается низким. С целью его повышения были разработаны новые методы окраши­ вания, а в Тулузском приборе был успешно реализован остроумный метод удаления из пучка электронов, кото­ рые не несут никакой информации об объекте. Метод состоит в том, что центральная часть пучка диафрагми­ руется специальной «диафрагмой контраста», и изображе­ ние формируется в основном электронами, испытавшими отклонение в объекте и, следовательно, несущими инфор­ мацию о нем.

Высоковольтный микроскоп имеет также ряд других, менее заметных преимуществ: влияние некоторых источ­ ников хроматической аберрации при высоком напряжении оказывается значительно меньшим; влияние сферической аберрации на точность определения области, исследуемой методом микродифракции, существенно уменьшается; для данной толщины объекта количество рассеиваемой в нем энергии электронного пучка при более высоком напряже­ нии меньше, что в свою очередь снижает степень повреж­ дения объекта.

3.3. РЕЖ ИМЫ РАБОТЫ

Ранее уже упоминались некоторые из режимов работы электронного микроскопа, предназначенные, в частности: для изучения изображения объекта; для исследования его дифракционной картины; для получения темнопольного изображения. Указанными режимами не исчерпываются возможности электронного микроскопа, и в этом разделе будут описаны наиболее часто применяемые режимы рабо­ ты, за исключением режима прямого формирования изоб­ ражения.

В последующем изложении будет использовано понятие степени когерентности электронного пучка, освещающего объект. Этот технически строго определенный термин

Фронт плоской болны

Интерференционная

картина

Коллимирующая

линза

А*АА

А

а л

Ф и г . 3.21. Интерференционные полосы Юнга.

а — в идеальном случае узкие щели освещаются плоскими волнами, исходя­

щими из монохроматичного точечного источника; б — характер изменения интерференционных полос для двух близких по величине длин волн; в —

характер изменения интерференционных полос в случае, если источник не является исчезающе малым (показаны полосы от трех соседних точек источника); г — в электронном микроскопе источник имеет конечный размер; объект освещается множеством плоских волн, распространяющихся в слегка различных направлениях.

широко используется также для качественной характе­ ристики некоторых свойств освещения, которые являются предметом дальнейшего рассмотрения. Поэтому во избе­ жание излишних повторений целесообразно дать краткое

описание сущности упомянутого понятия. Явления, свя­ занные с когерентностью освещения, проще всего можно понять путем анализа оптической схемы получения интер­ ференции по Юнгу (фиг. 3.21, а), хотя это и может пока­

заться весьма далеким от рассматриваемых целей. В идеаль­ ном случае две предельно узкие щели освещаются совер­ шенно параллельным монохроматичным пучком; если осве­ щение точно параллельно, то оно должно исходить из источника исчезающе малых размеров и затем преобразо­ вываться в параллельный пучок с помощью качественной коллимирующей линзы. В действительности таких точеч­ ных источников строго монохроматичного излучения не существует. Степень когерентности освещения, исходя­ щего из реального источника, можно оценить по степени его сходства с описанным выше идеальным источником. Каково же влияние конечных размеров источника и раз­ броса длин волн излучаемого им света на интерференцион­ ную картину?

Рассмотрим сначала влияние длины волны, находя­ щейся в весьма простой связи с периодичностью полос. Если X представляет собой центральную длину волны, то интерференционная картина, соответствующая X ± Alt, не совпадет с картиной, соответствующей X. Вблизи

центра картины это едва заметно, однако дальние полосы оказываются размытыми и менее четкими (фиг. 3.21, б).

Если источник обладает протяженностью, направленной, например, перпендикулярно щелям, то его можно считать эквивалентным ряду последовательно расположенных друг за другом точечных источников. В данном случае каждый из источников обусловливает возникновение интерферен­ ционной картины, полосы которой несколько сдвинуты относительно полос, соответствующих интерференционной картине соседнего источника (фиг. 3.21, в). В результате

этого общая интерференционная картина протяженного источника будет представлять собой ряд размытых полос, исчезающих совсем при некоторой ширине источника. Пользуясь терминологией волновой оптики, можно счи­ тать, что параллельный пучок, исходящий из монохрома­