Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа. Растровый электронный микроскоп. Принцип работы растрового электронного микроскопа. Общее описание растрового электронного микроскопа

ЛЕКЦИЯ 5

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА.

Электронный микроскоп в общем аналогичен оптическому, или световому, микроскопу, но с той разницей, что для освеще­ния образца вместо света с длиной волны около 5000 А применя­ются электроны с эффективной длиной волны около 0,05 А. Это означает, что электронный микроскоп потенциально может об­ладать в 10⁶ раз лучшей разрешающей способностью, чем оптиче­ский. Однако в действительности из-за ограничений, обусловлен­ных конструкцией электронных линз и методиками приготовле­ния образцов, может быть достигнуто разрешение лишь около 2 А, т. е. разрешающая способность улучшается приблизительно в 1000 раз. В повседневной же работе на хорошем микроскопе при наличии хороших образцов может быть получено разрешение около 10 А.

Именно существенное улучшение разрешающей способности по сравнению с оптическим микроскопом сделало электронный микроскоп весьма эффективным инструментом для изучения ми­кроструктуры металлов, так как он позволяет наблюдать и изме­рять особенности структуры почти на атомарном уровне. Чтобы реализовать такое высокое разрешение, необходимо преодолеть ряд трудностей, с которыми тем не менее в состоянии справиться любой металловед, имеющий в своем распоряжении хороший со­временный прибор.

Для полного использования разрешающей способности необ­ходимо обеспечить большое увеличение. Однако даже при увеличениях 1000—2000 высокое разрешение электронного микроско­па дает возможность получать гораздо более четкие изображения, чем с помощью оптического микроскопа.

Лучшие электронные микроскопы не только обладают огром­ным диапазоном увеличении (от 200 до 500000) высокой разре­шающей способностью, но и позволяют изучать образец с по­мощью методов электронной дифракции и темного поля, что дает существенную дополнительную информацию. Электронная ми­кроскопия является совершенно незаменимым методом в тех случаях, когда требуется проводить детальные исследования микроструктуры металлов.

При облучении образца электронным пучком электрон может:

1) пройти через вещество, не взаимодействуя с ним;

2) претерпеть упругое рассеяние — изменить направление движения без изменения энергии;

3) продифрагировать — отклониться в избранном направле­нии, определяемом структурой кристаллического образца;

4) претерпеть неупругое рассеяние — изменить как направ­ление движения, так и энергию;

5) быть поглощенным.

В результате процессов 4 и (или) 5 может возникнуть вторич­ная электронная или электромагнитная эмиссия (в рентгенов­ской или оптической области спектра) или произойти выделение тепла.

Видимый контраст при наблюдении образца может быть обус­ловлен любым из перечисленных процессов, за исключением про­цесса 1. В случае некристаллических образцов контраст обычно обусловлен процессами 2, 4 и 5. Механизм 4 является нежела­тельным, так как изменение энергии электрона приводит к изме­нению его длины волны, в результате чего фокусные расстояния линз для него также изменяются, т. е. возникает хроматическая аберрация. Правда, потери энергии электронов могут быть изме­рены и проанализированы в некоторых специальных приборах, известных как микроскопы-анализаторы скоростей.

При наблюдении тонких металлических фольг и выделивших­ся частиц видимый контраст обусловлен главным образом меха­низмом 3. Помимо контраста (случай светлопольных изображе­ний), информацию о кристаллической структуре можно также по­лучить и из анализа направлений преимущественного рассеяния электронов. Могут быть зарегистрированы картины электронной дифракции и фигуры Кикучи; отдельно могут быть сформированы изображения по методу «темного поля», даваемые продифрагировавшими электронами. Они позволяют получить дополнитель­ную информацию к той, которую дают наблюдения картины по методу «светлого поля», создаваемой основной частью прошед­ших электронов пучка.

Конструкции современных электронных микроскопов поз­воляют использовать все эти методы, так что в итоге можно получить существенно большую информацию, чем из обычных светлопольных снимков.

Вторичные электроны и рентгеновские лучи анализируются главным образом в других приборах — растровых электронных микроскопах и рентгеновских микроанализаторах, описываемых в настоящей книге. Некоторые электронные микроскопы могут быть снабжены специальными приставками для анализа вторич­ных электронов и рентгеновского излучения, что позволяет по­лучать информацию о химическом составе образцов.

2. УСТРОЙСТВО МИКРОСКОПА

На рис.1 показаны оптические схемы светового (оптиче­ского) и электронного микроскопов, рассчитанные на две ступени увеличения. В электронных микроскопах обычно применяются электромагнитные линзы — магнитные катушки с железными полюсными наконечниками, хотя в некоторых приборах приме­няют и электростатические линзы. Последние имеют некоторые преимущества с точки зрения однородности поля, но в них намного легче возникает дисторсия поля вследствие загрязнений, и поэтому они пока не могут успешно конкурировать с электро­магнитными линзами для применения в серийных электронных. микроскопах.

Для обеспечения достаточно большой величины свободного пробега электронов вся система должна находиться в вакууме не хуже 10^{-4 мм рт. ст.}