книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

что ставит серьезные проблемы перед оператором. В таком случае предпочтение отдается электроста­ тическим линзам. Их характеристики были значи­ тельно улучшены за счет повышения точности из­ готовления и качества электрической изоляции. Становятся доступными и сверхпроводящие лин­ зы, позволяющие получить высокую разрешаю­ щую способность.

Основной частью электромагнитной линзы яв­ ляются два рядом расположенных полюса с акси­ альными каналами (рис. 3.3.7). В сердечнике, из­ готовленном из мягкой стали, размещается катуш­ ка, содержащая (I • Л) ампер-витков. В зазоре (S) она создает магнитное поле напряженностью (Н), которое вызывает вращение и, тем самым, сходи­ мость электронного пучка к оси (Z) линзы.

ТZ

Рис. 3.3.7. Схематический разрез магнитной линзы вдоль электронно-оптической оси (Z). В ее железном сердечнике (заштрихован) образована замкнутая магнитная цепь At — А2 — А3 — А4

С помощью линз на поверхности образца уда­ ется сформировать электронный зонд диаметром от 5 нм до 1 мкм. С этой целью используют элек­ тромагнитные линзы, у которых аберрации значи­ тельно меньше, чем у электростатических. В со­ временных микроскопах некоторые линзы осна­ щаются специальными компенсаторами — стигматорами, которые обеспечивают восстановление симметрии в магнитных полях линз.

В зависимости от типа прибора питание током линз и других агрегатов микроскопа может быть общим или раздельным. Как правило, регулировку

режимов линз совмещают с регулировкой уско­ ряющего напряжения. Обеспечивается стабиль­ ность напряжения (изменение напряжения — не более 10-5 В/мин). В процессе анализа ток пучка поддерживают постоянным.

Вакуумные системы

Просвечивающий электронный микроскоп яв­ ляется одним из тех аналитических приборов, ко­ торые предъявляют высокие требования к рабоче­ му пространству. В методе ПЭМ таким рабочим пространством является вакуум (рис. 3.3.8). Чем выше разрежение в рабочем пространстве, тем лучше эксплуатационные показатели прибора: предельное разрешение, увеличение, постоянство рабочего режима и продолжительность эксплуата­ ции. Вакуумная система должна, во-первых, быть достаточно мощной и производительной. Оста­ точное давление в рабочей камере и, особенно, в районе электронной пушки должно быть не выше 10-7—10-8 Па.

Указанный вакуум должен быть достижим за достаточно короткое время, чтобы было удобно менять образцы и проводить необходимые наблю­ дения и измерения. Во-вторых, узлы в самой ва­ куумной системе и других деталях, контактирую­ щих с рабочим пространством, не должны вносить каких-либо загрязнений, способных нарушить фи­ зико-химическое состояние поверхности иссле­ дуемого образца.

Традиционно для электронной оптики вакуум­ ные устройства конструировали по двухступенча­ той схеме. Вначале ротационный (форвакуумный) насос (RP) производительностью 75 л/мин созда­ вал разрешение (1 Па), достаточное для работы одного или двух паромасляных и эжекторных на­ сосов. Их общая производительность достигала 300 л/мин. Они доводили разрежение до 10 3 Па, которое можно было улучшить до 10-4 Па, исполь­ зуя вакуумную ловушку, охлаждаемую жидким азотом. Необходимо констатировать, что произво­ дительность традиционных систем и качество соз­ даваемой рабочей атмосферы не отвечают в пол­ ной мере требованиям, которые предъявляются просвечивающим микроскопам в настоящее вре­ мя. В современных конструкциях приборов нахо­ дят применение вакуумные (диффузионные) насо­ сы нового типа. Сорбционные насосы работают по принципу адсорбции газов смесью, состоящей из

Если фольга тонкая (прозрачная для электро­ нов), интенсивности характеристических пиков химических элементов находятся в отношении, не зависящем от локальной толщины образца. Но от­ ношения интенсивностей не равны отношению

локальных концентраций: —!- ф— ! Данный факт

обусловлен тем, что эффективные сечения ионизации элементов различны и возможны явления отражения и адсорбции. Для химического анализа фольги разработаны несколько методик, позволяющих преодолеть указанные трудности. Согласно одной из них, необходимо производить измерение характеристического излучения одновременно от двух элементов. Это условие выполняется при ис­ пользовании энергодисперсионной системы с по­ лупроводниковым детектором. Далее можно вос­ пользоваться следующими приемами.

•Применить широкий расходящийся пучок. Если средний химический состав образца извес­ тен, а исследуемый объем не является локальным дефектом, роль калибровочного эталона исполняет сам образец. Точность количественного микроана­ лиза будет тем выше, чем больше размеры анали­ зируемой области.

•Воспользоваться массивными калибровочны­ ми эталонами и произвести при одинаковых аппа­ ратурных и геометрических условиях измерения интенсивностей выбранных химических элемен­ тов из массивной пробы и фольги. Путем сравне­ ния результатов рассчитать калибровочную по­ правку. Результирующая погрешность может ока­ заться значительной, особенно при анализе легких элементов, находящихся в матрице, состоящей из элементов с большим средним атомным номером.

•Обратиться к методу тонких калибровочных эталонов. В его основу заложен принцип тождест­

венности физических законов рассеяния в образ­ цах и эталонах малой толщины. Трудность приме­ нения метода заключается в приготовлении тонко­ го гомогенного эталона. Его толщина должна быть известной и постоянной, сопоставимой с толщи­ ной фольги.

В большинстве практических случаев изучение образцов из электронно-прозрачных материалов с выполнением химического анализа реализуется при пространственном разрешении менее 50 нм. Это намного лучше разрешения в рентгеновском микроанализаторе для массивных образцов (1 мкм).

Обязательной принадлежностью современного просвечивающего микроскопа является гониомет­ рическая головка с держателем образца. Исполь­ зуя максимально широкий диапазон углов наклона фольги относительно оси первичного пучка, уда­ ется исследовать большую площадь объекта с все­ сторонним и подробным анализом картин рассея­ ния. Метод ПЭМ предполагает, что точка пересе­ чения поверхности образца с осью первичного электронного пучка всегда принадлежит одной основной плоскости независимо от ориентировки образца и его перемещений в своей плоскости.

В гониометрическом устройстве ПЭМ фольга рас­ полагается таким образом, что любой из просмат­ риваемых участков пересекает оптическую ось в одной и той же точке. Это позволяет вести наблю­ дения структуры при неизменных ориентировке и увеличении. Конструкция гониометра должна быть такой, чтобы имелась возможность перемещать образец перпендикулярно к его плоскости для компенсации локальных различий в толщине фоль­ ги и непараллельное™ между фольгой и деталями держателя («Z-коррекция»). Гониометрические устройства, отвечающие перечисленным выше требованиям, в настоящее время широко исполь­ зуют в микроскопии (рис. 3.3.12). Их возможности могут быть расширены за счет применения:

•вращающейся дополнительной головки, ко­ торая обеспечивает вращение пробы в плоскости

еекрепления;

•двунаклонной (эвцентрической) головки, держатель которой способен наклонять образец вокруг второй оси, в то время как сам держатель укреплен на первой оси, перпендикулярной к соб­ ственно всему гониометру;

•приспособлений, позволяющих фольгу охлаж­ дать, нагревать и в небольших пределах деформи­ ровать.

Осуществление манипуляций со всевозможны­ ми наклонами объекта вызвано необходимостью выполнения тех или иных условий, позволяющих сформировать желаемое изображение и правильно осуществить его интерпретацию, а если потребу­ ется, то и количественную обработку. Гониометр позволяет приводить нужную систему кристалло­ графических плоскостей к отражающему положе­ нию и устанавливать практически любую ориен­ тировку фольги относительно пучка электронов и тем самым определять направление и знак вектора

Аналогичные рассуждения применимы при анализе причин возникновения контраста от гра­ ниц, дефектов упаковки, когерентных выделений в матрице и других несовершенств кристалличе­ ского строения. Четкий дифракционный контраст формируется только в случае, когда плоскости (hkl) удовлетворяют условию дифракции (нахо­ дятся в отражающем положении). Поскольку для электронов величины углов дифракции малы (не­ сколько десятков угловых минут), условие отра­ жения реализуется легко. Особый случай дифрак­ ционного контраста возникает при прямом изобра­ жении периодичности кристаллической решетки исследуемого материала. Такое изображение по­ лучается в результате интерференции прямо про­ шедшего и дифрагированных пучков, пропущен­ ных через апертурную диафрагму. Получение кар­ тин прямого разрешения кристаллической решетки возможно, если прибор обладает достаточно высо­ ким собственным разрешением, а фольга является тонкой, плоскопараллельной и имеет совершен­ ную структуру со «сквозными» каналами, парал­ лельными прямому пучку.

Каждый дифрагированный пучок несет опреде­ ленную информацию о внутреннем строении объ­ екта. При этом на изображении будут видны лишь те элементы структуры, от которых получен дан­ ный дифрагированный пучок (рефлекс). Вследст­ вие дифракционной первопричины контраст на электронно-микроскопическом изображении мо­ жет быть амплитудным и фазовым (интерферен­ ционным).

Амплитудный контраст связан с тем, что раз­ ные кристаллы находятся в разных положениях по отношению к первичному пучку электронов. Если для формирования изображения используют толь­ ко прямой или только один дифрагированный луч, то яркость изображения будет определяться ин­ тенсивностью или значением квадрата амплитуды дифрагированного пучка. Если пренебречь эффек­ тами поглощения электронов, то для интенсивно­ сти прямого пучка (7пр), формирующего изображе­ ние, справедливо:

Лф —То —7Д,

где 70 — интенсивность пучка, падающего на объ7Д интенсивность дифрагированного пучка.

Распределение яркости в электронно-микроскопи­

ческом изображении объекта определится распре­ делением интенсивности электронов, покидающих нижнюю поверхность объекта в направлении прямого пучка. Такой режим получения изобра­ жения называется светлополъным. Пример, при­ веденный на рис. 3.3.13, соответствует именно этому случаю.

Если яркость изображения определится распре­ делением интенсивности электронов, покидающих нижнюю поверхность образца в направлении вы­ бранного дифрагированного пучка, то его интен­ сивность будет:

/а 70 7др.

Этот режим формирования контраста получил наименование темнопольного. При таком режиме наблюдения дислокация изобразится светлой ли­ нией на темном фоне.

В реализации режима «светлого поля» прини­ мают участие все пучки, входящие в апертуру, включая первичный луч (рис. 3.3.14). Режим «тем­ ного поля» получается в результате исключения первичного луча либо путем его задержки с по­ мощью микроэкрана (заслонки), либо смещением апертуры. Проще всего установить режим неюстированного темного поля путем смещения апер­ турной диафрагмы. Однако он может привести к искажению картины вследствие сферической аберрации.

Можно вывести дифрагированный пучок на ось объектива путем наклона осветительной системы на угол 20 вокруг исследуемой точки объекта в меридиональной плоскости, определяемой на­ правлением дифрагированного луча. Здесь 0 — брэгговский угол дифракции для рассматриваемо­ го луча. Возникающие при этом искажения устра­ няются юстировкой (юстированное темнопольное изображение). При втором способе разрешение изображения не уступает картине, полученной в светлом поле. Однако не все микроскопы снабже­ ны системами независимого наклона пучка, что ограничивает использование темнопольных ис­ следований без специальных приставок. Тем не менее, методика анализа с применением темного поля должна рассматриваться как средство уста­ новления связи дифракционной картины с изо­ бражением (рис. 3.3.15).

Фазовый, или интерференционный, контраст создается в результате интерференции пучков, дифрагированных на кристаллической решетке. Если интерферируют пучок, рассеянный кристал­ лом в прямом направлении, и один из дифрагиро­ ванных пучков, то на изображении возникают упорядоченно расположенные полосы, соответст­ вующие одной системе плоскостей с межплоскост­ ным расстоянием d w Явление такого вида наблю­ дается при взаимодействии лучей, претерпевших дифракцию на двух разных кристаллах, имеющих близкие значения межплоскостных расстояний, или на разориентированных кристаллах одного и того же вещества. В случае разориентированных кристаллов расстояние Dm между интерференци­ онными полосами на электронно-микроскопиче­ ском изображении связано с межплоскостным рас­ стоянием dhki и углом разориентировки 8 выраже­ нием

Для случая параллельного расположения кри­ сталлов с близкими значениями межплоскостных расстояний dk и расстояние между интерферен­ ционными полосами Д„ определится из

Фазовый контраст с изображением элементов кристаллической решетки используют как для изу­ чения кристаллической структуры дефектов, так и для определения кристаллической структуры.

Дифракция быстрых электронов от очень ма­ лых участков объекта в просвечивающем микро­ скопе имеет ряд существенных особенностей по сравнению с дифракцией, наблюдаемой в электронографах — приборах, в которых также применя­ ется тонкий электронный луч. Во-первых, в мик­ роскопах изучают очень малые объемы образцов,

ав электронографах — достаточно большие.

Врезультате этого проявление характерных ди­ фракционных эффектов (многократной дифрак­ ции, динамического и аномального рассеяния) бо­ лее вероятно именно в малых объемах. Во-вторых, электронная микродифракция является неотъем­ лемой частью комплексного электронно-микро­ скопического исследования, в котором микроди­

фракционные картины дают важную исходную информацию. Результат дифракции в микрообъе­ мах представляет собой реализацию точечной съемки монокристалла. В этом случае картина представляет собой правильную сетку рефлексов (Ш ), интенсивность которых сопоставима с ин­ тенсивностью прямо прошедшего пучка (000). Дифракция в фольге, приготовленной из гетерофазного материала, может привести к получению нескольких наложенных друг на друга также то­ чечных картин от включения и окружающей мат­ рицы. В этом случае в зависимости от атомного номера (Z) присутствующих элементов можно ожидать проявление дополнительных эффектов рассеяния (сверхструктурных рефлексов), связан­ ных с процессами упорядочения. Кроме этого, многократные рассеяния электронов на разных кристаллографических плоскостях одного семей­ ства в фольге проявляются на микродифрактограммах в виде дополнительных экстра-рефлек­ сов. Такие рефлексы характерны для структур с двойниками и на изображениях могут образовать специфический муаровый узор (рис. 3.3.16).

Муар представляет собой систему регулярных

взаимного поворота решеток в радианах). Полосы муара параллельны отражающим плоскостям в случае параллельного узора и перпендикулярны им в случае вращения. Периоды, которые наблю­ даются в муаровом узоре, составляют единицы и десятки нанометров. Для их обнаружения высокое разрешение микроскопа не требуется (рис. 3.3.17).

И, наконец, на микродифракционных картинах могут наблюдаться линии Кикучи, которые обра­ зуются в результате когерентного рассеяния неупругоотраженных электронов. Линии Кикучи параллельны следам плоскостей, почти совпада­ ющих с направлением первичного пучка электро­ нов. С их помощью можно с высокой точностью определить ориентировку кристалла.

При дифракции с очень ограниченных участков тонких фолы в просвечивающем электронном микроскопе микродифракционные картины могут содержать малое число рефлексов при резких раз­ личиях в их интенсивностях. Данная особенность