ГЛАВА 13. Формирование изображения в электронном микроскопе

13.1. Оптика электронного микроскопа

13.1.1. Обычный просвечивающий электронный микроскоп

В обычном просвечивающем электронном микроскопе, в котором используются электромагнитные линзы, электронная пушка дает пучок электронов с энергией приблизительно от до нескольких мегаэлектронвольт. Наиболее часто используется напряжение в Обычно освещение образца регулируется с помощью двух конденсорных линз. Эффективный размер источника порядка нескольких микрометров. Расходимость пучка на образце можно уменьшить вплоть до рад, однако для освещения большой интенсивности, которое необходимо для больших увеличений, расходимость может достигать рад, особенно если образец вводится в поле объективной линзы так, что переднее поле объектива действует как короткофокусный конденсор.

Начальная стадия увеличения объективной линзой определяет разрешение и контраст изображения, поэтому аберрации и апертура именно этой линзы рассматриваются подробно. Следующие две (или больше) линзы, промежуточная и проекторная, служат для получения желаемого интервала увеличения от нуля до примерно раз.

Хотя из-за векторной природы поля электромагнитная линза существенным образом отличается от стеклянной линзы, используемой в световой оптике, те различия, которые возникают при образовании изображения — вращение и вращательная аберрация изображения, — почти полностью устраняются электронно-оптической схемой. Для параксиальной схемы образования изображения, представляющей для нас наибольший интерес, рассмотрение по существу не отличается от аналогичной теории в световой оптике.

Наиболее важной представляется сферическая аберрация третьего порядка. Линзы с фокусным расстоянием от 2 до имеют постоянную сферической аберрации обычно порядка нескольких миллиметров, что принципиально ограничивает разрешение до немногих ангстрем, хотя вплоть до настоящего времени

разрешение ограничивалось главным образом за счет нестабильности высоковольтной схемы электронной пушки и схемы питания электронных линз или за счет механической нестабильности. При работе астигматизм объективной линзы обычно корректируют путем настройки магнитного поля линзы электромагнитными стигматорами.

Существенное преимущество оптики электронного микроскопа — возможность сочетать дифракцию с получением изображения при использовании метода микродифракции. Это связано с возможностью легко и быстро менять фокусные расстояния электромагнитных линз. Фиг. 13.1, а показывает ход лучей в типичной увеличивающей системе стремя линзами: объективной, промежуточной и проекционной, каждая из которых последовательно

Фиг. 13.1. (см. скан) Ход лучей в электронном микроскопе. а — при получении сильно увеличенного изображения; б - при получении дифракционной картины от избранного участка образца — режим микродифракции.

Фиг. 13.2. Схема, показывающая действие просвечивающего сканирующего электронного микроскопа.

обеспечивает увеличение изображения. Картина дифракции Фраунгофера от объекта образуется в задней фокальной плоскости объектива, как было показано на фиг. 3.2. На фиг. 13.1, б фокусное расстояние промежуточной линзы увеличено так, что в плоскости предмета проекционной линзы вместо плоскости изображения объективной линзы получается изображение ее задней фокальной плоскости; с соответствующим увеличением оно проектируется на флуоресцирующий экран или на фотопластинку.

Если в плоскости изображения объективной линзы поместить малую апертуру, то в режиме увеличения она будет вырезать избранную область изображения (фиг. 13.1, а). Поскольку включение промежуточной линзы не влияет на отбор электронов, проходящих через апертуру, изображение, получающееся в режиме дифракции (фиг. 13.1, б), будет дифракционной картиной от избранного участка образца. Такая возможность микродифракции очень важна, особенно для кристаллических образцов, поскольку она позволяет коррелировать контраст изображения и дифракционные условия. На практике минимальная область, дифракционную картину от которой удается наблюдать, ограничена сферической аберрацией линзы до при энергии электронов возможно, до 500 А при энергии