Устройство и принцип работы растрового (сканирующего) электронного микроскопа

РЭМ включает в себя несколько самостоятельных узлов (рис. 20). Это два основных узла -электронно-зондовая система и система идентификации изображения; а также вакуумная система и механические узлы (шлюзы, держатели образцов и т.д.)., обеспечивающие установку и перемещение образца.

Колонна электронного микроскопа содержит электронную пушку, электронно-оптическую систему, держатель образцов (камеру образцов) и детекторы. Вакуумная система служит для создания необходимого разряжения (~10^-3Па) в рабочем объеме электронной пушки и электронно-оптической системы, что необходимо. во избежание столкновений электронов с молекулами газа во время их пролёта от пушки до объекта Такой вакуум обеспечивается двухступенчатой системой откачки, в современных микроскопах, как правило, турбомолекулярным и форвакуумным насосами

.

Рис. 20. Принципиальная схема растрового электронного микроскопа (РЭМ): 1 - катод; 2 – фокусирующий электрод; 3 - анод; 4 - ограничивающая диафрагма; 5 - первая конденсорная линза; 6 – вторая конденсорная линза; 7 – отклоняющие катушки; 8 - стигматор; 9 - конечная (объективная) линза; 10 - диафрагма, ограничивающая размер пучка; 11 - детектор рентгеновского излучения; 12 - образец; 13 - детектор вторичных электронов; 14 – усилитель фотоумножителя; 15 – ЭЛТ;.16 -генераторы развертки; 17 – блок управления увеличением.

На ней можно выделить следующие основные системы: электроннооптическую 1-10, предназначенную для формирования электронного зонда и его сканирования по поверхности образца 12; а также систему, формирующую изображение 11, 13-17. Принцип действия РЭМ основан, как указывалось выше, на эффектах взаимодействия быстрых электронов с твердым телом.

Электронная пушка, содержащая термокатод в качестве источника электронов, ускоряет их до заданной энергии и сводит в пятно малых размеров (кроссовер), из которого пучок расходится под небольшим углом и проходит несколько электромагнитных линз.

Электронная пушка состоит из катода 1, цилиндра Венельта 2 и анода 3. Обычно в качестве катода используется согнутая под углом V-образная вольфрамовая проволока. При нагреве катода прямым пропусканием тока (~до 2700)С) происходит термоэмиссия электронов. Электроны ускоряются напряжением, приложенным между катодом и анодом, которое можно изменять от 1 до 50 кВ. Цилиндр Венельта имеет отрицательный потенциал, служащий для сжатия пучка электронов.

Пучок электронов от пушки проходит через три электромагнитные линзы 5, 6, 9. Фокусировка потока электронов осуществляется магнитным полем, имеющим осевую симметрию. Фокусное расстояние линзы можно плавно регулировать путем изменения силы тока в обмотке соленоида. В системе имеются две диафрагмы 4, 10, ограничивающие расходимость пучка электронов.

Стигматор 8, расположенный в объективной линзе 9, служит для коррекции астигматизма. Внутри объективной линзы также находятся две пары электромагнитных отклоняющих катушек 7, каждая из которых служит для отклонения зонда соответственно в х и y направлениях в плоскости перпендикулярной оси потока электронов. Катушки соединены с генератором 16, обеспечивающим синхронность передвижения электронного зонда по образцу и электронного луча по экрану электронно-лучевой трубки 15. Линзы проецируют пятно со значительным уменьшением на поверхность объекта, формируя остросфокусированный зонд

Образец 12 крепится на предметном столике, который может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях, допускает наклон образца до 90^o к электронно-оптической оси и вращение вокруг оси от 0 до 360^o. Электронный пучок, сфокусированный на поверхности образца, вызывает появление отраженных, вторичных и поглощенных электронов, которые используются для получения изображения поверхности образца. Эти сигналы улавливаются специальными детекторами. На схеме РЭМ представлен только один из возможного набора тип детектора, используемый для регистрации вторичных электронов 13. В детекторе поток электронов преобразуется в электрический сигнал (ток). После прохождения тока через усилитель 14 сигнал передается системе индикации изображения. Изображение формируется на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), развертка которой синхронизирована с системой отклонения электронного пучка.

Возможность использовать для получения изображения различные вторичные частицы обеспечивает высокую информативность и является основным достоинством метода РЭМ.