1. Назвіть характерні особливості електронів, що дозволяють застосувати їх для отримання зображень

Застосування електронів для отримання зображень обумовлене наступними чинниками:

• Електрони мають хвилеві властивості

Дають зображення об'єкту і дифракційну картину

• Поводяться як заряджені частки, якими і є

Сильна взаємодія з матеріалом зразка

Забезпечують можливість отримувати інформацію про химичемском склад зразка за рахунок аналізу енергетичного спектру збуджуваних в нім Оже-электронов і характеристичного рентгенівського випромінювання

2. Намалюйте схему променів, що виходять з різних точок пробного об’єкту через збиральну лінзу. Позначте на малюнку:

   1. предметну площину

   2. задню фокальну площину

   3. площину зображення

3. В який площині формується первинне зображення об’єкту (згідно теорії Аббе)? Які промені, що виходять з об’єкту, його формують? Позначте на малюнку.

Рассмотрим для простоты случай, когда освещение производится параллельным пучком, а объект имеет простую форму дифракционной решетки, период которой d имеет размер (и смысл) мельчайшей различимой детали.

Рис. 1 Изображение дифракционной решетки

Свет перед попаданием на линзу микроскопа претерпевает дифракцию (рис. 1), формируя в результате интерференции в фокальной плоскости FF ряд главных максимумов, угловые расстояния между которыми определяются периодом решетки -объекта наблюдения (по Аббе - первичное изображение или спектр).

4. В якій площині формується вторинне зображення об’єкту? В якій площині формується дифракційна картина об’єкту?

Рис. 1 Изображение дифракционной решетки

Свет перед попаданием на линзу микроскопа претерпевает дифракцию (рис. 1), формируя в результате интерференции в фокальной плоскости FF ряд главных максимумов, угловые расстояния между которыми определяются периодом решетки -объекта наблюдения (по Аббе - первичное изображение или спектр). В описанной ситуации положение дифракционных максимумов А_т задается условием:

d sin_m = m λ

где т - целое число.

Так как все дифракционные максимумы соответствуют когерентным лучам, то за фокальной плоскостью объектива эти лучи опять интерферируют между собой, давая в плоскости Р₂Р₂’, сопряженной относительно объектива 00' с плоскостью Р₁Р₁’, изображение самого объекта (т.н. вторичное изображение).

Только полная совокупность дифракционных максимумов определит вторичное изображение в полном соответствии с объектом.

5. Результатом якого оптичного явища є формування дійсного зображення об’єкту і в якій площині його слід шукати?

Дійсним називається зображення, побудоване реальним пучком світла, що несуть світлову енергію, на відміну від уявного, видимого тільки оком спостерігача. Дійсне зображення може бути зареєстроване на світлочутливому шарі, уявне сприймається візуально.

6. Види взаємодії високоенергетичних електронів з речовиною. Поясніть за допомогою малюнків

При непружному характері розсіювання характерна зміна хвильового вектора електрона не тільки за напрямом, а й за величиною. При цьому частина енергії електрона передається атому мішені (зразка), внаслідок чого він переходить у збуджений або іонізований стан.

Під час взаємодії з твердим тілом електрони втрачають деяку кількість енергії, характерну для даної речовини. Це – характеристичні втрати. Механізм втрат енергіїелектронів при взаємодії з ізольованими атомами зводиться до їх іонізації та збудження. У твердому тілі, коли атоми не ізольовані, при взаємодії з електронами спостерігається два процеси: 1) збудження коливань валентних електронів атомів (плазмові коливання); 2) парноелектронні взаємодії.

Електрон твердого тіла внаслідок непружної взаємодії з падаючим швидким електроном переходить з одного енергетичного стану в інший. Енергія, що виділяється при міжвузельних переходах, визначається за формулою:

.

Розглянемо випадок пружного розсіяння електронів на атомі. Нехай електронний потік рухається на атом вздовж осі OZ із швидкістю . Цей потік можна описати плоскою хвилею . Розсіяна хвиля описується виразом:

, (1.27)

де - хвильовий вектор;- радіус-вектор;f() – атомна амплітуда розсіяння.

Знаючи величину f(), можна визначити число електронів, розсіяних за одиницю часу всередині тілесного кута d, тобто диференційний переріз розсіяння D(). Нижче, для пояснення, наведено рисунок 4.4.

Рисунок 1.4 – До визначеннядиференційного перерізу розсіяння D()

Величина, що визначає зв’язок між просторовим розміщенням атомів та дифракційною картиною, називається структурним фактором. Він являє собою суму амплітуд розсіяння усіх атомів об’єкта з урахуванням їх фаз.

Якщо структурний фактор відомий, то можливо передбачити дифракційну картину та визначити середні міжатомні відстані і координаційні числа <z>. Структурні фактори поділяють на кінематичний, що визначає однократне пружне розсіяння, та динамічний, що визначає багатократне та непружне розсіяння.

Таким чином, пружне та непружне розсіяння електронів мають різне кутове розділення. Тому залежність ефективних перерізів від апертурного кута об’єктивної лінзи електронного мікроскопа виявляється різною. Це означає, що частина пружного та непружного розсіяння, яка поглинається апертурною діафрагмою та визначає контраст зображення, змінюватиметься із зміною ₀.

Роль непружного розсіяння в утворенні амплітудного контрасту для різних атомів різна. При дослідженні об’єктів співрозмірних з міжатомними відстанями, які відрізняються високим ступенем впорядкованості своєї будови, треба враховувати дифракційні явища, пов’язані з хвильовою будовою електрона.

Взаємодія високоенергетичних електронів (~ 30-100 кВ) з досліджуваним матеріалом

Взаємодія з атомом

1. не розсіяні (що пройшли через зразок без взаємодії з атомами)

2. пружно розсіяні під малими кутами

3. пружно розсіяні під великими кутами

4. зворотньо розсіяні

5. непружно розсіяні на зовнішніх електронних оболонках атомів досліджуваної речовини

6. непружно розсіяні на внутрішніх електронних оболонках атомів досліджуваної речовини

Види випромінювань, що виникають при взаємодії високоенергетичного потоку електронів з твердим тілом.

7. Випромінювання, що виникають при проходженні пучка електронів через тонкий (~ 10-100 nm) зразок

7. Головні характеристики електронного випромінення

8. Види джерел електронів.

Електронна гармата - це стабільне джерело електронів, що використовується для формування електронного пучка, основними елементами якої є катод, фокусуючий електрод (циліндр Венельта) і анод.

Джерела електронів

В електронній мікроскопії зазвичай використовуються чотири типи джерел електронів:

- вольфрамові V - подібні катоди;

- вольфрамові точкові (вістрійні) катоди;

- джерела з гексабориду лантану (LaB₆);

- джерело на явищі польової емісії.

До джерел електронів ставлять такі вимоги:

1. Висока електронна яскравість (густина струму на одиницю тілесного кута).

2. Великий час роботи катода при наявному вакуумі.

3. Стабільна емісія при тривалій (до хвилини) експозиції.

4. Розходження електронів, що виходять з катода, за енергіями повинно бути мінімальним.

Вольфрамові V - подібні катоди

Найчастіше в електронних мікроскопах застосовується V- подібний вольфрамовий катод, що працює як термоемітер, тобто випромінює вільні електрони при нагріванні до досить високої температури (більше 2500 К). Під час цього процесу певний відсоток електронів набуває енергії, достатньої для подолання роботи виходу матеріалу катода φ і залишає його.

Густина струму емісії j_o (А/см²), що виходить з катода, визначається за формулою Річардсона - Дешмана

(1)

де

• А - стала, що залежить від матеріалу катода, — (для вольфрама прийнято А=60);см•К

• Т- температура катода, К;

• φ - робота виходу матеріалу катода, еВ (для вольфраму 4,5 еВ);

• k- стала Больцмана, £=8,6·10^-5 еВ/К=1,38•10'²³ Вт•с/К.

Катод виготовляється з вольфрамового дроту діаметром 0,1 - 0,2 мм.

Результати експериментальних досліджень показують, що термін служби катода (в годинах) практично обернено пропорційний густині струму емісії, тобто

(2)

Ця величина лише незначною мірою залежить від діаметра дроту катода. Для обладнання, що інтенсивно працює, термін служби катода в 30 годин є цілком прийнятним. Термін служби залежить також від вакууму, в якому він працює. Проте вже при вакуумі вище, ніж 10^-2 а ця обставина на термін служби катода позначається несуттєво. У сучасних електронних мікроскопах вакуум у районі електронної гармати зазвичай 10^-3 – 10^-4 Па.

Для формування пучка прискорених електронів використовується триелектродна гармата. Принципова схема триелектродної гармати з автоматичним зміщенням наведена на рисунку 1.

Рисунок 1 - Триелектродна електронна гармата із автоматичним зміщенням:

1. катод;

2. циліндр Венельта;

3. анод;

4. електронний пучок;

5. змінний резистор, що регулює величину напруги зміщення ІІ_Ш між катодом і циліндром Венельта;

6. R₁ і R₂ балансні резистори, що підтримують постійний потенціал на кінці катода;

7. еквіпотенціальні лінії

Під дією електричного поля, сформованого у гарматі, електрони фокусуються в кросовер з діаметром d₀ і розбіжністю пучка α_0.

В електричному полі гармати розрізняються три ділянки.

• Перша ділянка - поле в області катода і фокусуючого електрода.

• Друга – ділянка, де йде поле, еквіпотенціалі якого являють собою площини.

• Третя ділянка - в області анодного отвору.

Найбільш істотний вплив на структуру пучка електронів здійснює поле першої ділянки, де швидкості електронів ще малі, а кривина еквіпотенціальних поверхонь і градієнт потенціалу значні.

Менше впливає плоске поле. Поле в області анодного отвору на форму пучка електронів не впливає, тому що до анода електрони надходять уже з великими швидкостями.

При прискорюючій напрузі, наприклад, 5•10⁴ В, що подається на фокусуючий електрод, потенціал на катоді може бути на 0 - 500 В меншим.

Таким чином, прискорююча напруга забезпечує необхідну швидкість електронів, а напруга зміщення U_3M визначає параметри пучка, який генерується електронною гарматою: діаметр найменшого перерізу пучка d₀ (кросовер), густину струму j₀ в кросовері і апертурний кут α₀, що характеризує розбіжність пучка.

Усі ці величини визначають електронну яскравість гармати:

(3)

Як ми бачимо, на електрони, що вилітають з катода, діє електричне поле, що прискорює електрони - між анодом і катодом і гальмуюче поле - між катодом і циліндром Венельта.

Якщо гальмуюче поле буде дуже великим, то електрони не зможуть його подолати і гармата закрита, тобто не випромінює електрони. Якщо ж це поле мале (або дорівнює нулю), то всі електрони прискорюються і проходять через отвір в аноді. Однак у цьому випадку виходить дуже розбіжний пучок.

Оптимальним є такий режим роботи гармати, коли прискорююча напруга відбирає не всі емітовані електрони і навколо катода утворюється просторовий заряд (електронна хмара), з якої і надходять електрони в пучок. Просторовий заряд дозволяє істотно зменшити вплив коливань струму розжарення катода на струм пучка. Крім того, при такому режимі розподіл інтенсивності в пучку практично стає незалежним від поверхневої структури катода і пов'язаної з нею неоднорідністю емісії з різних його ділянок.