ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Получение изображения при больших увеличениях с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Vega 3 LMH (TESCAN, Чехия)

Цель работы:

- Знакомство с сущностью метода РЭМ

- Знакомство с устройством сканирующего (растрового) электронного микроскопа Vega 3 LMH (TESCAN)

- Получение изображения образца олова на углероде при больших увеличениях с использованием СЭМ Vega 3

Необходимое оборудование:

- сканирующий электронный микроскоп Vega 3 LMH (TESCAN)

- олово на углероде (образец, подходящий для получения изображений при больших увеличениях).

Устройство сканирующего (растрового) электронного микроскопа Vega 3 LMH (TESCAN)

VEGA 3 (TESCAN) –сканирующий растровый электронный микроскоп, полностью управляемый от персонального компьютера, оснащенный электронной пушкой с вольфрамовым термоэмиссионным катодом. Как и любой РЭМ, он включает в себя: источник электронов, систему их фокусировки в тонкий пучок, оборудование для развертки пучка в растр, набор соответствующих устройств для регистрации электронов излучаемых образцом, монитор для вывода изображения на экран.

Основными частями микроскопа являются:

ü Колонна (электронно-оптическая система)

ü Камера микроскопа

ü Вакуумная система

ü Детекторы

ü Блок электроники

ü Компьютер

Электронная колонна

Сканирующий электронный микроскоп отображает объекты путем сканирования их узким пучком электронов. Колонна микроскопа формирует пучок электронов и перемещает его по исследуемому образцу, расположенному в камере микроскопа. Качество получаемых изображений в первую очередь зависит от параметров пучка электронов (электронного зонда): размер зонда, апертурный угол и интенсивность пучка.

Размер зонда определяет как разрешение микроскопа, так и максимальное увеличение, которое можно получить без потери качества изображения. Обычно считается, что профиль интенсивности сечения пучка имеет форму распределения Гаусса. Размер зонда можно определить как ширину распределения интенсивности на половине высоты максимума (FWHM). Размер зонда определяется размером виртуального источника электронов, оптическими искажениями (аберрацией) конечной линзы и дифракцией на конечной апертуре. С уменьшением рабочего расстояния размер зонда уменьшается, что увеличивает качество изображения.

Падающий пучок электронов имеет форму конуса. Угол конуса определяется апертурным углом. Чем больше апертурный угол, тем меньше глубина фокуса, и тем больше заметны искажения, связанные с дефектами электромагнитных линз. Апертурный угол уменьшается с увеличением рабочего расстояния.

Интенсивность зонда (Beam Intensity, BI) определяет число электронов, которые попадают в образец в единицу времени. Интенсивность зонда влияет на шумы на изображениях, так как при различных BI каждому пикселю изображение соответствует разное число детектируемых электронов. Для получения качественных изображений при низкой интенсивности пучка требуется больше времени.

Перечисленные параметры зависят друг от друга. Пользователь может выбирать режимы работы электронно-оптической системы, отдавая предпочтение тому или иному параметру.

Рис 3. Колонна Vega 3 и элементы электронно-оптической системы

Колонна микроскопа состоит из следующих частей:

· Электронная пушка является источником ускоренных электронов. Она состоит из катода, цилиндра Венельта и анода. Катод и цилиндр Венельта находятся под отрицательным потенциалом, анод и остальная часть колонны имеют нулевой потенциал относительно земли. В качестве катода используется вольфрамовая нить, разогретая до температуры, при которой возникает эмиссия свободных электронов. Напряжение между катодом и анодом называется ускоряющим напряжением и определяет энергию электронов в пучке. Электронную пушку с точки зрения электронной оптики можно представить как виртуальный источник электронов диаметром 25-50 мкм, энергией электронов от 200 В до 30 кВ и яркостью 106 A/см²ср.

· Центрирование пушки осуществляется системой отклоняющих катушек под пушкой. Они предназначены для отклонения пучка, для того, чтобы он проходил точно по оптической оси. При правильной настройке центрирования пушки яркость изображения максимальна.

· Рассеивающая апертурная диафрагма расположена под катушками центрирования пушки. Она также предназначена для защиты колонны от вольфрама, испаряющегося из нити катода.

· Конечная апертурная диафрагма отсекает лишние электроны, чтобы сформировать правильную форму пучка. Она расположена в держателе диафрагм на 60 мм ниже конденсорной линзы C2. Диаметр отверстия диафрагмы 50 мкм, подобран для обеспечения оптимального апертурного угла пучка и наилучшего разрешения микроскопа.

· IML линза (IML, Intermediate lens) – дополнительная электромагнитная линза, использующиеся для изменения апертуры пучка, входящего в объективную линзу или для режимов сканирования, в которых объективная линза не используется. Включение IML линзы может приводить к отклонению пучка от оптической оси. Для компенсации такого смещения пучка предназначены катушки Центрирования IML.

· Стигматоры– система электромагнитных катушек, предназначенная для коррекции различных видов астигматизма. Стигматоры имеют октупольную конструкцию, т.е. позволяющую компенсировать искажения 3-го порядка.

· Система развертки состоит из двух уровней катушек развертки, на которые подается сигнал развертки. Частота этого сигнала определяет скорость перемещения пучка, а амплитуда – поле зрения (или увеличение микроскопа).

· Объективная линза (OBJ, Objective lens) – конечная электромагнитная линза, формирующая электронный зонд. В обычном режиме работы изменение возбуждения этой линзы приводит к изменению фокусного расстояния, т.е. расстояния между полюсным наконечником и точкой фокусировки пучка на образце.

Электронно-оптическая система СЭМ VEGA 3 может работать в нескольких режимах:

· режим РАЗРЕШЕНИЕ (RESOLUTION);

· режим ГЛУБИНА (DEPTH);

· режим ПОЛЕ (FIELD);

· режим ШИРОКОЕ ПОЛЕ (WIDE FIELD);

· режим КАНАЛИРОВАНИЕ (CHANNELING).

Режим РАЗРЕШЕНИЕ (RESOLUTION)

Это основной и наиболее часто используемый режим работы, предназначенный для получения наилучшего разрешения микроскопа. В режиме РАЗРЕШЕНИЕ промежуточная (IML) линза отключена, а объективная линза (OBJ) обеспечивает фокусировку пучка на образце.

Характеристики:

- высокое разрешение

- небольшая глубина фокуса

Колонна VEGA 3 в режиме РАЗРЕШЕНИЕ работает как классический микроскоп, без использования промежуточной линзы. Размер конечной диафрагмы подобран для оптимального разрешения при низких токах зонда (BI) и ускоряющем напряжении 30 кВ. Точка вращения при развертке пучка или сдвиге картинки расположена в плоскости объективной линзы для того, чтобы минимизировать нелинейные искажения изображения и обеспечить достаточно большое поле зрения. Центрирование объективной линзы осуществляется изменением наклона пучка, что не приводит к сдвигу картинки.

Камера и столик образцов

Камера микроскопа – герметичный, вакуумируемый объем под колонной, куда устанавливаются образцы для исследования. Образцы размещаются на столике образцов, который позволяет перемещать их в процессе наблюдения.

Режимы вакуумной системы

Микроскоп VEGA 3 позволяет изучать образцы при давлениях в камере от 0.005 Па до 2000 Па. В высоком вакууме обычно изучаются только токопроводящие образцы. Для работы с непроводящими образцами следует использовать режим переменного или низкого вакуума.

В режиме высокого вакуума возможно исследование как токопроводящих, так и непроводящих образцов. Однако непроводящие образцы требуют предварительного нанесения токопроводящего металлического покрытия (Au, Au-Pd, Pt, Cr). В режиме высокого вакуума доступны все режимы работы электронно-оптической системы.

В режиме переменного вакуума - до 150 Па, возможно изучать нетокопроводящие образцы во всех режимах работы электронной колонны. В этом режиме откачка осуществляется при разделительной диафрагме установленной в верхнем положении.

В режиме низкого вакуума до 500 Па (до 2000 Па, если микроскоп оснащен двумя форвакуумными насосами). Нетокопроводящие образцы можно изучать только в режимах «РАЗРЕШЕНИЕ» и «ГЛУБИНА», поскольку разделительная диафрагма находится в нижнем положении.

Детекторы

Система детекторов предназначена для регистрации различных сигналов образующихся в результате взаимодействия электронного пучка с поверхностью образца. Микроскоп TESCAN Vega 3 поставляется с детектором вторичных электронов SE и детектором отражённых электронов BSE.

Детектор SE

(Детектор предназначен для работы только в режиме высокого вакуума)

Детектор вторичных электронов (SE – Secondary Electron) позволяет получать изображения с топографическим контрастом.

SE детектор построен по принципу Эверхарта-Торнли. Сетка детектора находится под положительным потенциалом и притягивает низкоэнергетические вторичные электроны. Электроны ускоряются еще большим напряжением сцинтиллятора и попадая в него вызывают свечение. Это свечение регистрируется фотоэлектронным умножителем, расположенным снаружи камеры микроскопа и используется для формирования сигнала с детектора вторичных электронов.

Детектор BSE

(Детектор работает как в режиме высокого, так и в режиме низкого вакуума)

Отраженные электроны (BSE - Back-Scattered Electron) показывают контраст по составу образца. BSE детектор сцинтилляторного типа представляет из себя кольцеобразный YAG монокристалл с токопроводящим покрытием, расположенный на оптической оси микроскопа под объективом. Отраженные электроны с высокой энергией без дополнительного ускорения возбуждают атомы сцинтиллятора и вызывают генерацию фотонов оптического диапазона. Эти фотоны собираются оптической системой, и оптический сигнал по световоду передаѐтся на фотоэлектронный умножитель. Далее электрический сигнал обрабатывается так же, как и в детекторе SE.

BSE детектор опционально собран с выдвижным механизмом (R-BSE – Retractable BSE), что позволяет его убирать в случае, если он не используется. Это даёт возможность работать с другими детекторами при меньших рабочих расстояниях.

Рис 5. Пример различий изображений SE и BSE.

Лабораторная работа

Получение с использованием СЭМ Vega 3 изображений при больших увеличениях (образец - олово на углероде)

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с сущностью метода РЭМ

2. Включить прибор

3. Провести инициализацию прибора

4. Установить образец в камеру микроскопа

5. Включить электронный зонд и задать параметры сканирования (режим сканирования, ускоряющее напряжение, рабочее расстояние)

6. Получить изображение (снимок) исследуемого образца (при оптимальных настройках изображения: фокус, яркость и контраст, астигматизм, скорость развёртки и т.д.).

7. Сохранить полученные снимки