Устройство и работа просвечивающего электронного микроскопа

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) имеет много сходных черт со световым микроскопом. В качестве источника излучения используется катод электронной пушки в виде нити U-образной формы (рис.6).

Рис. 6. Схема просвечивающего электронного микроскопа

Материалом катода чаще всего является вольфрам. Электроны, вылетевшие из нагретого до температуры около 2200°С катода, ускоряются высоким напряжением в электрическом поле пушки. От величины напряжения зависит дли­на волны электронов, их проникающая способность, а также воз­можность управления ЭП. Для исследования металлических мате­риалов наиболее широко применяются микроскопы с рабочим напряжением до 200 кВ. Решающее значение приобретает стабильность напряжения, от чего зависит монохроматичность изучения и, как следствие, наличие хроматической аберрации. Допускаемая нестабильность напряжения не более одного вольта.

Для юстировки микроскопа большое значение имеет отклоняющая система, с помощью которой производится совмещение ЭП с оптической осью прибора. Наклон и смещение ЭП к современных приборах осуществляется магнитным полем, создаваемым электромагнитными катушками.

Далее ЭП попадает в поле одной или двух конденсорных линз, формирующих пучок, сходящийся на образце в виде пятна малого сечения (до 100 нм). Конденсорные линзы снабжены устройством наклона и смещения ЭП, применяемом при юстировке.

Образец, на который направляется ЭП, может представлять собой, например, углеродный слепок с поверхности изучаемого объекта (реплику) или специально приготовленную тонкую фольгу, участки которой толщиной около 0,3~0,5 мкм содержат информацию о структуре массивного материала и в тоже время могут быть просвечены ЭП.

Как уже отмечалось, при взаимодействии с кристаллом проявляется волновая природа электрона и происходит дифракция электронных волн на кристаллической решетке. В результате вылетевшие из нижней поверхности образца электроны будут формировать не только один проходящий не отклоненный ЭП, но и дифрагированные ЭП, отклоненные в соответствии с условием В-Б. Если ЭМ используется в режиме дифракции, то все пучки проходят объективную линзу, в задней фокальной плоскости которой возникает дифракционная картина.

Следующий этап состоит в увеличении размеров картины проекционными линзами и в фокусировании на люминесцентный экран или фотопластинку (пленку) (рис.6а).

Если ЭМ используется в режиме изображения (см. рис.6б), то ниже объективной линзы вводится апертурная диафрагма (диаметром 0.5-20 мкм}, или пропускающая только неотклоненный ЭП в случае светлопольного изображения, или один из дифрагированных- для темнопольного изображения. Для получения высококачественных изображений требуется тщательная юстировка микроскопа.

Увеличение ЭМ составляет сотни тысяч, но это может оказаться бесполезным, если в силу каких-либо причин (плохая юстировка, аберрации, механическая и электрическая нестабильности и т. д.) низка разрешающая способность прибора.

Линзы современных ЭМ представляют собой электромагниты, в которые для более эффектного использования магнитного поля вставлены сердечники из магнитомягкого материала с полюсами. Эти сердечники называются полюсными наконечниками (рис.7). Края кpyглых отверстий наконечников изготавливаются с высокой точностью, что способствует повышению однородности магнитного поля в зазоре между полюсами. Фокусное расстояние в линзах изменяется при изменении тока.

Рис. 7. Характерная конструкция электронной линзы

Существенную роль для получения высококачественного изображения играют диафрагмы, изготавливаемые из тугоплавких материалов, например, тантала. Световая или конденсорная диафрагма образует тонкий пучок параллельных электронов, апертурная или объектная служит для выделения отдельных пучков, формирующих изображение, и, наконец, селекторная диафрагма необходима для выделения участков на образце, дифракция от которых интересует исследователя.

В колонне и пушке ЭМ поддерживается высокий вакуум, кроме этого обеспечивается высокая механическая стабильность прибора и его защита от различных полей. ля создания необходимых дифракционных условий существует проблема точного и плавного наклонения и вращения образца, решаемая специальным механическим устройством– гониометром. Горизонтально образец перемещается предметным столиком.