19852

Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Схема ПЭМ

Лекция

Физика

Лекция 17 Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа ПЭМ. Схема ПЭМ. Все современные просвечивающие электронные микроскопы ПЭМ могут работать в двух режимах – в режиме изображения и в режиме дифракции. Ход лучей в этих режимах указан на рис. 17: а – режим ...

Русский

2013-07-18

1007 KB

67 чел.

Лекция 17

Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Схема ПЭМ.

Все современные просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) могут работать в двух режимах – в режиме изображения и в режиме дифракции. Ход лучей в этих режимах указан на рис. 17: а – режим изображения; б – режим микродифракции.

Электронный пучок формируется в ускорительной колонне 1, состоящей из электронной пушки, секционной ускорительной трубки (обычно 6 секций) и системы отклонения. Энергия электронов на выходе ускорительной колонны, определяется величиной ускоряющего напряжения на электронной пушке и в различных типах ПЭМ может меняться в пределах 20-200 кэВ. Чем больше энергия электронов, тем меньше длина волны, тем больше проникающая способность электронов.

После ускорительной колонны установлена система конденсорных линз 2, назначение которой получить электронный пучок с минимальным угловым расхождением. Ускорительная колонна совместно с системой конденсорных линз позволяет получать электронные пучки разного диаметра. Минимальный диаметр электронного пучка в ПЭМ может составлять несколько нанометров, что позволяет получать дифракцию от локальной области такого же диаметра в режиме микролучевой дифракции. При работе в режиме изображений при помощи системы конденсорных линз получают параллельный пучок электронов. Система отклонения предназначена для электронного наклона пучка в режиме изображения и дифракции.

Ускорительная колонна и система конденсорных линз образуют осветитель.

За системой конденсорных линз расположена объективная линза. Держатель с образцом 3 устанавливается  в зазор полюсного наконечника объективной линзы, так чтобы образец находился в предполье объективной линзы. Гониометрическая головка позволяет осуществлять поворот образца относительно электронного пучка на угол ± 12º. Так как в просвечивающей электронной микроскопии изображение формируется электронами, прошедшими через образец, то его толщина должна быть много меньше длины пробега электронов в материале образца.

Пройдя через образец, электроны попадают в объективную линзу 4. Данная короткофокусная (несколько мм) линза, имеющая небольшое увеличение (~ 50), является ключевой в дальнейшем формировании изображения, поэтому она снабжена корректором астигматизма стигматором. Диафрагма объективной линзы расположена на задней фокальной плоскости объективной линзы. В последних моделях микроскопов изображения выводятся на монитор компьютера при помощи цифровых ПЗС камер.

В ПЭМ используются электромагнитные линзы, которые состоят из обмотки, магнитопровода и полюсного наконечника. Полюсный наконечник является концентратором магнитного поля. Полюсный наконечник имеет форму круговой симметрии. В центре имеется отверстие с некоторым радиусом и зазор между полюсами. В результате такой конструкции полюсного наконечника, магнитный поток сжимается в зазоре. Электроны, проходя через объективную линзу, под действием магнитного поля отклоняются в направлении оптической оси и фокусируются в определенной точке оптической оси (в фокусе линзы).

Стандартная вакуумная система ПЭМ приведена на рис. 17.2. Вакуум создается форвакуумным насосом роторного типа (РН) и двумя диффузионными насосами (ДН). Давление контролируется четырьмя тепловыми датчиками низкого вакуума (Р1-Р4) и одним ионизационным датчиком высокого вакуума Пеннинга (РЕ). В вакуумной системе применены электромагнитные и пневматические клапана (обозначены V). Вакуумная система должна обеспечить давление в колонне микроскопа не хуже 10-6 Тор.

Микроскоп может комплектоваться дополнительными устройствами для нагрева, охлаждения, растяжения образца.

Формирование электронно-микро-скопического изображения коротко можно описать следующим образом. Электронный пучок, сформированный осветительной системой, падает на объект и рассеивается. Далее, рассеянная волна объективной линзой преобразуется в изображение. Образованное объективной линзой изображение увеличивается промежуточными линзами и проецируется проекционной линзой либо на экран для наблюдения, либо на фотопластины или выводится на дисплей монитора.

Волновую функцию изображения в операторном виде можно записать в виде

и=F-1TFq0,

где 0-падающая волна.

Проходя через образец, 0 взаимодействует с потенциалом объекта. Электронная волна на нижней поверхности образца имеет вид q0, где q- функция прохождения. Рассеяние, дифракция волны q0 описывается действием оператора Фурье F. Следовательно, на задней фокальной плоскости объективной линзы электронная волна имеет вид Fq0, которая модифицируется передаточной функцией Т объективной линзы. Преобразование рассеянной волны в волновую функцию изображения описывается оператором обратного преобразования Фурье F-1. Тогда распределение интенсивности электронов на экране будет равняться I = ии*.

Механизм формирования контраста в электронной линзе такой же, как формирование контраста в геометрической оптике с оптическими линзами. На рис. 17.3 показан ход лучей при образовании дифракционного контраста. Диафрагма объективной линзы установлена так, что она пропускает только центральный пучок, а отраженные электроны не достигают конечного изображения. Изображение будет сформировано из центрального пучка и электронов, неупруго рассеянных под малыми углами. Изображение является однолучевым и оно, в этом случае, называется светлопольным. Полученный контраст обусловлен распределением интенсивности электронов, отраженных по закону Вульфа-Брэгга и поэтому получил название дифракционный контраст. При пропускании через диафрагму двух и более пучков (в том числе и центральный пучок), получаем многолучевое светлопольное изображение. На таких изображениях преобладает фазовый контраст.

Изображения можно получить, пропуская через диафрагму объективной линзы только дифрагированные пучки. Тогда полученные изображения называются темнопольными и они так же бывают однолучевыми и многолучевыми.

Электронный микроскоп является сложным электрофизическим устройством. Детали оптической системы изготовляются из специальных материалов с высокой точностью. Колонна микроскопа должна обладать высокой виброустойчивостью, питание линз и ускоряющее напряжение должны иметь высокую стабильность.

Основными характеристиками просвечивающего электронного микроскопа являются разрешение и максимальное ускоряющее напряжение. Различают два типа разрешения – разрешение по точкам и по линиям. Обычно ПЭМ имеет разрешение по точкам ~ 2,5 Å и разрешение по линиям ~ 1,5 Å.

На просвечивающие электронные микроскопы могут устанавливаться различные приставки-анализаторы. В этом случае электронный микроскоп называют аналитическим, и он обладает такими же возможностями, что и другие аналитические устройства.

Установка на ПЭМ рентгеновского энергодисперсионного анализатора позволяет определить элементный состав, а в сочетании со сканирующей приставкой – элементное картирование по площади с привязкой к структуре образца. Другим устройством для определения элементного состава, устанавливаемым на микроскопах, является анализатор потери энергии электронов.

Рис. 17.3 9

Рис. 17.2

Рис. 17.1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43062. Модернизация привода главного движения универсального токарно-винторезного станка модели 1М63 2.8 MB
  Станок универсальный токарно-винторезный модели 1М63 предназначен для выполнения самых разнообразных токарных работ, в том числе точения конусов и нарезания резьб метрической, дюймовой, модульной и питчевой.
43063. Расчет аппарата гашения извести в производстве известкового молока на ОАО «АВИСМА» 319 KB
  Гашение извести протекает по реакции: CO H2O = COH2 1593 ккал. Вместе с тем следует избегать и переохлаждения гасящейся извести так как оно может значительно замедлить процесс гашения извести. С ростом температуры выделившийся гидрат окиси кальция выпадает в осадок и обволакивает поверхность кусков негашеной извести.
43064. Детали машин, расчет основных показателей 1.52 MB
  Выбор электродвигателя и кинематический расчет привода. Расчет клиноременной передачи. Расчет двухступенчатого цилиндрического редуктора. Предварительный расчет валов. Конструктивные размеры корпуса редуктора Определение реакций в подшипниках...
43065. Социальные изменения. Понятие социального прогресса и модернизации 17 KB
  Понятием «социальные изменения» обозначаются различные перемены, происходящие в течение некоторого времени внутри социальных систем и во взаимоотношениях между ними, в обществе в целом как социальной системе.
43066. Рассчет и конструкция станочного приспособления для фрезерования двух канавок 301.5 KB
  Изучение закономерности влияния приспособления на точность и производительность выполняемых операций позволяет проектировать приспособления интенсифицирующее производство и повышающее его точность. Проводимая работа по унификации и стандартизации элементов приспособления создала основу для автоматизированного проектирования приспособлений с использованием ЭВМ и автоматов для графического изображения что приводит к ускорению технологической подготовке производства.1 Назначение устройство и принцип работы проектируемого приспособления.2...
43067. Проектирование АТП по перевозке строительных грузов (кирпичи, песок, и т.д.) по Сибири 487 KB
  Реализация потенциальных свойств автомобиля, заложенных при его создании, снижение затрат на содержание, ТО и ремонт, уменьшение соответствующих простоев, обеспечивающие повышение производительности, при одновременном снижении их себестоимости – основные задачи технической эксплуатации подвижного состава автомобильного транспорта.
43068. Расчет применения станков с ЧПУ 386.5 KB
  Характерной особенностью серийного производства является изготовление деталей партиями. Под размером партии деталей понимают число деталей, обрабатываемых с одной наладки оборудования.
43069. Расчет технико-экономических показателей строительного предприятия 313 KB
  Строительные процессы выполняемые вручную с использованием ручного инструмента и простейших приспособлений называют ручными; выполняемые с помощью электрических ручных машин электропилы электрорубанка и пр. Эффективность инвестиций может также устанавливаться при выражении результата в стоимостной а затрат в натуральной форме и наоборот когда затраты рассчитываются в рублях а результат – в натуральных измерителях.
43070. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых 427.5 KB
  В настоящих методических указаниях поставлена задача освоить методы и приемы применяемые проектными и научными организациями, при решении таких вопросов, как установление размеров очистных камер и целиков, определение рациональных параметров отбойки, выпуска и доставки руды, организации основных технологических процессов и др.