ПЕМ-125К

Високий вакуум у колоні створюють за допомогою вакуумної системи. Остання приєднується до колони таким чином, щоб у першу чергу можна було здійснювати відкачування ділянок з найбільш активним виділенням газів (область гармати, зразка та фотокамери). Як правило, система має два високовакуумні насоси. Причому можливе використання двох дифузійних насосів або дифузійного та магнітно-розрядного насосів (ПЕМ-125К), коли один із них здійснює відкачування колони, а інший – електронно-променевої гармати. Для створення попереднього вакууму у мікроскопах інколи застосовують два форвакуумні насоси. Один потрібен для обслуговування дифузійних

Рисунок 3.6 – Типова блок-схема електронного мікроскопу

насосів, інший – для прокачування шлюзової камери та фотокамери. У момент зйомки на мікроскопі відключається форнасос, а дифнасос обслуговується форбалоном, який має великий об’єм. Поряд із цим підкреслимо, що на зміну реєструванню фотометодом усе частіше приходить електронна реєстрація зображення.

Колона ПЕМ складається з освітлювальної системи, системи формування зображення та камери спостереження. Коротко розглянемо влаштування вузлів колони.

Освітлювальна система складається з електронно-променевої гармати та конденсорного блоку.

Для отримання пучка прискорених електронів використовується трьохелектродна гармата (рис. 3.7), що складається з катода, анода та проміжного електрода (керуючий електрод або циліндр Венельта). У більшості приладів як емітер використовують V-подібний катод з вольфрамового дроту діаметром 0,2 мм, а механізм емісії є термоелектричним (на катод подається напруга

Рисунок 3.7 – Схема електронно-променевої гармати: 1 - катод; 2 - циліндр Венельта; 3 - анод; 4 - пучок електронів; 5 - змінний резистор

розжарювання 6-7 В). Для прискорювання вільних електронів на катод також подається від’ємна висока напруга до 100-125 кВ. Анод при цьому знаходиться під нульовим потенціалом. До циліндра Венельта прикладається від’ємна стосовно катода напруга, що становить декілька відсотків від прискорюючої. По суті, вона є запираючою, або гальмівною, для електронів. Ця напруга визначає параметри пучка, такі як діаметр найменшого перерізу (d), густину струму в цьому перерізі, розходження пучка (β), його яскравість. Вважається, що оптимальним є режим роботи гармати, коли навколо катода зберігається область просторового заряду. Це дозволяє істотно зменшити вплив коливань струму розжарювання на струм пучка і його яскравість. Величина напруги на циліндрі Венельта залежить від струму розжарювання (температури катода). Чим вище остання, тим більше емітується електронів і тим менша повинна бути величина напруги на циліндрі Венельта. Для її регулювання використовують автозміщення за рахунок того, що між катодом і циліндром Венельта вмикають змінний резистор. Спад напруги на ньому за рахунок проходження струму визначає потрібну величину потенціалу.

Електронна гармата генерує електронний пучок діаметром 50-100 мкм. Далі електрони фокусуються за допомогою двох конденсорних лінз, які забезпечують рівномірну освітленість у точці дослідження і діаметр пучка 1-5 мкм. Використання двох конденсорних лінз дає можливість за допомогою першої лінзи отримати пучок малого діаметра (короткофокусна лінза), а завдяки довгофокусній другій лінзі направити пучок на об'єкт. Перша конденсорна лінза працює у режимі постійного збудження, а зміна умов освітлення здійснюється за рахунок регулювання струму збудження другої лінзи.

Відмітимо, що у ПЕМ можуть використовувати гармати інших типів, що дають можливість отримати більш яскравий пучок електронів і значно менших розмірів. У першому типі як емітер електронів використовується вістря з матеріалу, що має низьку роботу виходу, такого як гексаборид лантану LaB₆. У другому типі гармат як катоди використовують емітери, які працюють на основі ефекту Шотткі (емісія відбувається з вольфрамового катода внаслідок дії електричного поля). У таких приладах конденсорний блок являє собою одне ціле з гарматою, тобто в освітлювальній системі відсутні електромагнітні конденсорні лінзи. В об’ємі гармат, які використовують гексаборидлантанові катоди, а також катоди з польовою емісією, необхідно створити надвисокий безмасляний вакуум.

Яка б не була конструкція освітлювальної системи, потрібна точна юстировка електронного пучка стосовно до осі колони. Це досягається шляхом нахилу освітлювальної системи та її переміщенням стосовно оптичної осі.

Система формування зображеннядозволяє сформувати зображення об’єкта із великим збільшенням.Вона складається з трьох блоків – об’єктивного, проміжного та проективного. Коротко розглянемо особливості будови кожного блока.

Основним вузлом об’єктивного блоку і першою лінзою є об’єктив − сильна, короткофокусна лінза. Взагалі електромагнітна лінза конструктивно являє собою обмотку, яка поміщається у феромагнітний корпус із немагнітним зазором (рис 3.8). Матеріал феромагнітного корпусу (магнітопровід) має велику магнітну проникність та індукцію насичення, малу коерцитивну силу. Таким

Рисунок 3.8 – Електромагнітна лінза без полюсного наконечника (а) та з полюсним наконечником (б)

а	б

Рисунок 3.9 – Зовнішній вигляд (а) та ескіз (б) полюсного наконечника: 1 - верхній башмак; 2 - нижній башмак; 3 - бронзова втулка

вимогам відповідає сплав нікелю та заліза – пермалой. Сильна лінза, така як об'єктив, має полюсний наконечник (рис. 3.9) із матеріалу з високою магнітною проникністю, завдяки чому є можливість концентрувати магнітне поле у дуже малій ділянці біля оптичної осі.

Для отримання найкращої роздільної здатності мікроскопа його об’єктивна лінза повинна працювати при певному, досить малому значенні апертурного кута. У мікроскопах використовуються рухливі, здатні до юстировки, та змінні діафрагми із молібдену. Діафрагми вводяться у щілину полюсного наконечника. Для ПЕМ-125К діафрагми мають діаметри 30, 60, 90 мкм. Нижче обмоток лінзи знаходиться тубус, у якому розміщені механізм юстировки та селекторна діафрагма.

Важливою деталлю об’єктивного блока є система введення зразка. Вона конструктивно виготовляється нерозривно з корпусом об’єктивної лінзи. Для введення зразка використовуються маніпулятор (рис. 3.10) та спеціальна шлюзова камера. У мікроскопі можливе переміщення зразка під електронним пучком, а також може реалізовуватися його нахил за допомогою гоніометра. Переміщення зразка здійснюється за допомогою двох мікрометричних гвинтів, розміщених по боках колони. При цьому за зміною положення зразка можна стежити за допомогою плями на екрані ЕПТ з координатною сіткою. Як правило, ПЕМ має систему охолоджування зразків за допомогою рідкого азоту.

Залежно від конструкції мікроскопа існує два способи введення зразка у предметну площину об’єктива: боковий та верхній. Для цих двох способів маніпулятори, або об’єктотримачі, мають різну конструкцію (рис. 3.10). У першому випадку зразок вводиться через щілину в бронзовій втулці полюсного наконечника, а у другому – через верхній башмак, що забезпечується використанням

Рисунок 3.10 – Зовнішній вигляд маніпуляторів верхнього (а) та бокового (б) вводів

патрончика з міді.

Кінцеве збільшення зображення здійснюється проективною лінзою. У приладах більш раннього виробництва (наприклад, ЕММА–4) у цій лінзі використовується полюсний наконечник, який можна вилучати при роботі, не демонтуючи колони.

При наявності об’єктива та проектива мікроскоп буде забезпечувати збільшення 2000-5000 крат. Для забезпечення збільшення до 10⁵-10⁶ крат використовують слабку лінзу, що розміщується між об'єктивом та проективом, яка отримала назву проміжної. У сучасних ПЕМ (наприклад, ПЕМ-125К) використовуються три проміжні лінзи.

Камера спостереження знаходиться нижче проективної лінзи. Вона потрібна для візуального спостереження кінцевого зображення на екрані. Вона має ілюмінатори зі скла, яке леговане свинцем. У камері розміщено один або два екрани: один – юстирувальний з пониженою світлочутливістю (синій), другий – робочий (зелений), які керуються ручками збоку колони.

Система реєстрації. Нижче камери спостереження розміщується фотокамера для реєстрації зображення на фотопластинці або фотоплівці. За своєю конструкцією фотокамери бувають одно- або двомагазинні. У мікроскопі ПЕМ-100К використовується реєстрація зображення на фотоплівку, яка, на відміну від фотопластинки, розміщується не у вакуумі.

Крім традиційної системи реєстрації, останнім часом використовується запис зображення в цифровому вигляді у пам’ять комп’ютера за допомогою відеокамери. Таку систему можна розмістити двома способами. У першому випадку (рис. 3.11а) через спеціальний фланець вводиться між проективом та камерою спостереження оптичнасистема, головною деталлю якої є призма з наклеєнимкристалом (алюміній-ітрієвий гранат), що випромінює світло при потраплянні електронів. При такій реєстрації

Рисунок 3.11 – До пояснення електронної реєстрації зображення: 1 - проективні лінзи; 2 - призма; 3 - кристал; 4 - фотооптична система; 5 - відеокамера; 6 - екран; 7 - камера спостереження; 8 - фотокамера; 9 - скляне вікно, покрите люмінофором

забезпечуються велике поле зору та відносно низька роздільна здатність (2-4 нм). У другому випадку (рис. 3.11б) інформація про зображення фіксується нижче камери спостереження, де перетворення електронного сигналу в оптичний здійснюється за допомогою люмінофору. При такій реєстрації забезпечуються мале (до 4-6 см) поле зору та добра роздільна здатність.