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

с тем А. Крю в течение 60-х годов продолжает заниматься разработкой нового типа растрового микроскопа, осно­ ванного на использоваиирт плектронов, проходящих через исследуемый объект, в полной уверенности, что с помощью такого микроскопа может бт>тть достигнуто значительно лучшее разрешение. Возможность исследования толстых объектов расценивается как преимущество растрового электронного микроскопа по сравнению с просвечивающим электронным микроскопом обычттого типа. Можно считать, что это преимущество компенсирует более низкое разреше­ ние растрового микроскопа. Имеются гг другие преимуще­ ства, обусловленные формированием изображения после­ довательно, от точки к точке (гл. 4), из-за которых Крю решил пожертвовать возможностью исследования толстых объектов. В результате усилий Крю и его сотрудников был создан растровый микроскоп, в котором тонкий обра­ зец сканируется очень узким электронным зондом. Элек­ троны, прошедшие через объект и собранные коллектором, служат для формирования изображения, разрешение кото­ рого достигает разрешения первоклассных просвечиваю­ щих электронных микроскопов (нескольких ангстрем). Более того, изображение может быть «видоизменено» соответствующим образом с целью обнаружения интерес­ ных особенностей исследуемого объекта. Например, можно использовать тот факт, что электроны при прохождении через объект теряют часть энергии, и получить изображе­ ние объекта, сформированное только теми электронами, которые потеряли определенное количество энергии.

На фиг. 1.12 и 1.13 приведены фотографии двух разных растровых электронных микроскопов.

1.4.3.РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОАНАЛИЗАТОР

А. Гвинье высказал Р. Кастену идею анализа рентге­ новского излучения, испускаемого объектом, который сканируется тонким электронным зондом, с целью уста­ новления химической природы объекта по длине волны излучения. В Государственном управлении по изучению

иисследованиям в области аэронавтики (вблизи Парижа) Кастеном впервые был построен такой прибор. Первые

результаты работы с прибором были изложены на Между­ народной конференции по электронной микроскопии, состоявшейся в 1949 г. в Дольфте. Подробные данные об устройстве и параметрах прибора содержатся в доктор­ ской диссертации Кастена, опубликованной в 1951 г.

Результаты Кастена стимулировали исследования в об­ ласти рентгеновского микроанализа в Англии (Кем­ бридж), СССР и США. В Кембридже II. Данкамб ввел

вконструкцию мнкроанализатора сканирующую систему:

вприборе Кастена перемещался образец и анализировалась область, расположенная под неподвижным зондом, а ска­ нирующая система, введенная Данкамбом, позволяла ана­

лизировать различные области неподвижного объекта. В более поздних моделях были дополнительно введены средства для формирования изображения исследуемого объекта вторичными электронами. В 1964 г. Ле Поль опи­ сал новый тип магнитной линзы, которая стала известна под названием «мннилинза». Она оказалась особенно удоб­ ной для формирования зонда мнкроанализатора, и прибор с такой линзой был позднее построен Л. Фонтеном в Тех­ ническом университете в Дельфте.

В заключение отметим, что в приборах новейших типов сочетаются свойства просвечивающих электронных микроскопов (ЕМ) и рентгеновских микроанализаторов (МА). Первый прибор этого типа, известный под маркой EMMA, был построен Данкамбом, и затем эта идея была осуществлена во многих лабораториях. На фиг. 1.14 и 1.15 показаны фотографии некоторых микроаиализаторов.

ЛИТЕРАТУРА, РЕКОМЕНДУЕМАЯ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО ЧТЕНИЯ

Подробные сведения по электронной оптике и электрон­

в статье Крю [19]. Микроанализаторы рассмотрены Кастеном [14] и Данкамбом [26]. История развития электрон­ ных микроскопов описана несколькими авторами, в част­ ности Мартоном [64], Мальвеем [68, 69] и Габором [34].

ГЛАВА 2

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛИНЗЫ

2.1. УРАВНЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ

На заряженную частицу, попадающую в пространство, содержащее магнитное и электростатическое поля (или одно из этих полей), действуют определенные отклоняю­ щие силы, а в случае электростатического поля еще и сила, под действием которой изменяется скорость частицы. Ниже эти силы будут подсчитаны с помощью известных уравнений движения. Как мы увидим далее, в электронной микроскопии релятивистскими эффектами пренебрегать нельзя. Однако, поскольку влияние этих эффектов может быть рассчитано путем довольно простых преобразований результатов, получаемых из уравнений движения Ньюто­ на, в дальнейшем изложении будут использованы только эти уравнения.

Пусть электрон с зарядом —е (так что е — положи­

тельная величина, равная 1,6 • 10-19 К) движется со ско­ ростью v в пространстве с электростатическим полем Е и магнитным полем В. Электростатическое поле действует на электрон с силой Fg, параллельной вектору напряжен­ ности Е, но обратной ему по направлению, т. е. Fg = = —еЕ. Магнитное поле действует на электрон с силой

Fb , перпендикулярной как вектору индукции поля В, так и вектору скорости электрона v, т. е. FB = —ev X В (знак X обозначает векторное произведение). Таким обра­ зом, из выражения для Fb следует, что сила действия магнитного поля па электрон перпендикулярна векторам v и В и по величине равна evB sin 0, где v и В — модули век­

торов v и В, а 0 — угол между ними. Следовательно, сум­ марная сила F, действующая па электрон, будет опреде­ ляться выражением

F = FJ5+ F b = _ е (E + v X В).

Если масса электрона равна т и его положение в простран­

стве определяется вектором г, то уравнение движения

электрона в пространстве с электрическим и магнитным полями будет иметь вид

Это уравнение является общим. Теперь рассмотрим случаи действия магнитного и электростатического полей на

48 Глава 2

где штрих обозначает дифференцирование по z.

Теперь воспользуемся теоремой Гаусса для приведе­

Ф и г. 2.2. Иллюстрация применения теоремы Гаусса для случая малого цилиндра с целью установления связи между радиальной и осевой составляющими электрического ноля.

дальнейших расчетов. Рассмотрим малый цилиндр радиу­ сом г и длиной бz с продольной осью, совпадающей с осью z (фиг. 2.2). Суммарный электрический поток через

стенки цилиндра должен быть равен нулю, поскольку внутри цилиндра нет заряда. Поток через торцы цилиндра равен яг2 [Ez (z + 6z) — E z (z)], а поток через его боковую поверхность 2nr6zEr. Разлагая в ряд Тейлора, получаем

и, следовательно,

Ь Е г

dz

( 2.6)

Пользуясь приближением dEJdz — —Ф" (z) и уравне­

нием (2.6), из уравнений (2.3а) и (2.5) получаем

Это выражение можно привести к более простому виду

Полученное уравнение чрезвычайно важно. Это так называемое уравнение параксиальной траектории описы­ вает пути движения электронов в электростатическом поле, которое характеризуется распределением потенциа­ ла Ф (z). Можно показать (эти расчеты здесь приводиться не будут), что если известно распределение потенциала

Ф(z) вдоль оси, то может быть определено распределе­ ние потенциала в любой области внутри линзы. Таким образом, все свойства линзы определяются этой функцией

Ф(z), и поэтому первоочередной задачей любого теорети­ ческого исследования электростатических линз является определение функции распределения потенциала вдоль

оси линзы. Ниже будет показано, как это осуществить, а сначала мы выведем соответствующее уравнение для гораздо более важного случая магнитных полей.

При очень высоком ускоряющем напряжении приме­ нение электростатических полей для фокусировки электро­ нов сильно затрудняется. В таких случаях электростати­ ческие поля используются только в электронных пушках для формирования ускоренных пучков электронов. При работе с очень высоким ускоряющим напряжением необ­ ходимо учитывать также релятивистские поправки к урав­ нению (2.7а). Обозначим константу е/2т0с2 через е