От лат evaporo испаряю и греч grapho пи­шу), метод получения изображений объектов в их собственном (обычно ик) тепловом излучении. Предложен нем

Вид материалаДокументы

Содержание


Электронный ветер
Электронный захват
Электронный измеритель­ный прибор
Цифровой электроизмерительный прибор).
Электронный микроскоп
ПЭМ с высокой разрешающей спо­собностью
Упрощённые ПЭМ
ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением
Сверхвысоковольтные Э. м.
Спектральная аппаратура рентгеновская]
Э. м. для аналитических исследо­ваний.
Подобный материал:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   15
ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЕТЕР, передача импульса упорядоченного движения (дрейфа) эл-нов проводимости в кри­сталле дефектам крист. решётки (при­месным атомам, дислокациям и др.). Э. в. объясняет нек-рые закономерно­сти электропереноса (переноса массы) в металлах и полупроводниках.

• Ф и к с В. Б., Ионная проводимость в металлах и полупроводниках, М., 1969.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАХВАТ, процесс, при к-ром ядро спонтанно захватывает эл-н с одной из внутр. оболочек атома (К, L и т. д.) и одновременно испу­скает электронное нейтрино. При этом заряд ядра (ат. номер) Z уменьшается на 1, а массовое число А остаётся неизменным:

AZX+e-AZ-1Y+~e. Э. з. также, как и др. виды бета-рас­пада, обусловлен слабыми взаи­модействиями. Поэтому вероятности в ед. времени Э. з. (соответственно периоды полураспада) по порядку ве­личины такие же, как и при +- и --распадах.

Образовавшуюся вакансию в элект­ронной оболочке атома заполняют эл-ны др. оболочек, в результате чего испускается один или неск. квантов характеристич. рентг. из­лучения (или соответствующий оже-электрон). Э. з. возможен, если масса (или полная энергия) ядра X превы­шает массу атома У на величину, большую энергии связи в атоме X захватываемого эл-на. Если превыше­ние больше 2mc2=1,02 МэВ (то — масса покоя эл-на), то с Э. з. начи­нает конкурировать позитронный +-распад. Э. з. свойственен нейтронодефицитным ядрам, более лёгким, Чем стабильные (с тем же Z) или -стабильные. Э. з. был предсказан япон. физиками X. Юкавой и С. Сакатой в 1936 и обнаружен в 1938 амер. физиком Л. Альваресом.

• См. лит. при ст. Радиоактивность.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ­НЫЙ ПРИБОР, прибор, измерит. це­пи к-рого содержат электронные (полу­проводниковые или ламповые) эле­менты; используется для измерений практически всех электрич. величин, а также неэлектрич. величин, предварительно преобразованных в элект­рические. Обладает высокой чувст­вительностью, широким частотным ди­апазоном, даёт возможность автома­тизировать измерит. процесс.

Различают аналоговые и ц и ф р о в ы е Э. и. п. (см. Цифровой электроизмерительный прибор). Боль­шинство аналоговых Э. и. п. пред­ставляет собой сочетание электрон­ной измерит. цепи, осуществляющей усиление и преобразование измеря­емой величины, с измерит. механиз­мом (обычно магнитоэлектрич. систе­мы) либо с электронно-лучевой труб­кой. Осн. данные о Э. и. п. см. в стать­ях Амперметр, Вольтметр, Выпря­мительный электроизмерительный прибор, Мост измерительный, Ом­метр, Фазометр, Осциллограф элект­ронно-лучевой и др.

Для совр. Э. и. п. характерны: рас­ширение диапазонов измерений, ин­тенсивное развитие цифровых Э. и. п., уменьшение габаритов и веса в ре­зультате применения микромодулей и интегральных схем, сращивание с вычислит. техникой, использование схемных методов повышения точности (автоматич. коррекция погрешностей, использование статистич. методов вы­деления полезного сигнала на фоне помех и др.), автоматизация измерит. процесса (самонастраивающиеся

3. и. п.). Технич. требования к Э. и. п. стандартизованы в ГОСТе 22261—76.

• Мирский Г. Я., Радиоэлектронные измерения, 3 изд., М., 1975; Полулях К. С., Электронные измерительные при­боры, М., 1966; Осипов К. Д., Па­сынков В. В., Справочник по радио­измерительным приборам, ч. 1 — Приборы для измерения тока, напряжения, мощности и параметров элементов схем, М., 1959;

ч. 2 — Приборы для измерения частоты и измерительные генераторы, М., 1960; ч. 3 — Приборы для измерения формы колебаний, М., 1959; ч. 4 — Специальные измеритель­ные приборы и источники питания, М., 1959.

В. П. Кузнецов.

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, при­бор для наблюдения и фотографи­рования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в к-ром вместо световых лучей ис­пользуются пучки эл-нов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэВ и более) в условиях глубокого ва­куума. Физ. основы электронно-оптич. приборов были заложены почти за сто лет до появления Э. м. ирл. матем. У. Р. Гамильтоном, установив­шим существование аналогии между прохождением световых лучей в оп­тически неоднородных средах и тра­екториями ч-ц в силовых полях. Целесообразность создания Э. м. стала очевидной после выдвижения в 1924 гипотезы о волнах де Бройля, а тех­нич. предпосылки были созданы нем. физиком X. Бушем, к-рый исследовал фокусирующие св—ва осесимметричных полей и разработал магн. элект­ронную линзу (1926). В 1928 нем. учёные М. Кнолль и Э. Руска при­ступили к созданию первого магн. просвечивающего Э. м. (ПЭМ) и спу­стя три года получили изображение

886


объекта, сформированное пучками эл-нов. В дальнейшем (М. фон Арденне, Германия, 1938; В. К. Зворы­кин, США, 1942) были построены первые растровые Э. м. (РЭМ), рабо­тающие по принципу сканирования (развёртывания), т. е. последователь­ного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту. К сер. 1960-х гг. РЭМ достигли высокого технич. совершен­ства, и с этого времени началось их широкое применение в науч. иссле­дованиях. ПЭМ обладают самой вы­сокой разрешающей способностью (PC), превосходя по этому параметру све­товые микроскопы в неск. тысяч раз. Т. н. предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие, макси­мально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 2—З Å. При благоприятных условиях можно сфотографировать отд. тяжёлые атомы. При фотографировании периодич. структур, напр. кристаллографиче­ских, удаётся реализовать разрешение менее 1 А. Столь высокие разрешения достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны эл-нов (см. Ди­фракция микрочастиц). Оптимальным диафрагмированием (см. Диафрагма в электронной и ионной оптике) уда­ётся снижать сферич. аберрацию объ­ектива, ухудшающую PC Э. м. Эфф. методов коррекции аберраций в Э. м. (см. Электронная и ионная оптика) не найдено. Поэтому в ПЭМ магн. электронные линзы (ЭЛ), обладающие меньшими аберрациями, полностью вытеснили электростатические. Выпу­скаемые ПЭМ можно разделить на три группы: Э. м. высокого разрешения, упрощённые ПЭМ и Э. м. с повышен­ным ускоряющим напряжением.

ПЭМ с высокой разрешающей спо­собностью (2—3 Å) — как правило, универсальные приборы многоцеле­вого назначения. С помощью допол­нит. устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных плоскостях на большие углы к оптич.



Рис. 1. Электронный микроскоп просвечи­вающего типа (ПЭМ): 1 электронная пушка; 2 — конденсорные линзы; a — линза объектива; 4 — проекц. линзы; 5 — световой микро­скоп, дополнительно увеличивающий изоб­ражение, наблюдае­мое на экране; 6 — тубус со смотровыми окнами; 7 — высоко­вольтный кабель; 8 — вакуумная система; 9 — пульт управле­ния; 10 — стенд; 11 — высоковольт­ное питающее уст­ройство; 12 — источ­ник питания линз.


оси, нагревать, охлаждать, деформи­ровать его, осуществлять рентгенов­ский структурный анализ, электронографич. исследования (см. Элект­ронография) и др. Ускоряющее эл-ны напряжение достигает 100 кВ, регу­лируется ступенеобразно и отличается высокой стабильностью: за 1—3 мин оно изменяется не более чем на 1 — 2 миллионные доли от исходного значения. Величина ус­коряющего напряжения определяет толщину объ­екта, к-рую можно «про­светить» электронным пучком. В 100-киловольтных Э. м. изучают объекты толщи­ной от 10 до неск. тыс. Å.



Рис. 2. Оптич. схема ПЭМ: 1 — катод; 2 — фокусирую­щий цилиндр; 3 — анод; 4 — первый (короткофокус­ный) конденсор, создающий уменьшенное изображение источника эл-нов; 5 — вто­рой (длиннофокусный) кон­денсор, к-рый переносит уменьшенное изображение источника эл-нов на объект; 6 — объект; 7 — апертурная диафрагма; 8 — объек­тив; 9, 10, 11 — система проекц. линз; 12 — катодолюминесцентный экран.


Изображение типичного ПЭМ с вы­сокой PC приведено на рис. 1. В его оптич. системе (колонне) с помощью спец. вакуумной системы создаётся глубокий вакуум [давление до 10-6 мм рт. ст. (10-4 Па)]. Схема оптич. системы ПЭМ изображена на рис. 2. Пучок эл-нов, источником к-рых слу­жит накалённый катод 1, формирует­ся в электронной пушке и затем дважды фокусируется первым 4 и вторым 5 конденсорами, создаю­щими на объекте электронное «пятно» малых размеров (при регулировке диаметр пятна может меняться от 1 до 20 мкм). После прохождения сквозь объект 6 часть эл-нов рассеивается и задерживается апертурной диафраг­мой 7. Нерассеянные эл-ны проходят через отверстие диафрагмы и фоку­сируются объективом 8 в предметной плоскости промежуточной линзы. Здесь формируется первое увеличен­ное изображение. Последующие лин­зы создают второе, третье и т. д. изображения. Последняя проекци­онная линза 11 формирует изобра­жение на флуоресцирующем экране 12, который светится под воздей­ствием электронов. Увеличение Э. м. равно произведению увеличений всех линз. Степень и характер рассеяния электронов неодинаковы в различных точках объекта, т. к. толщина, плотность и хим. состав объекта меняются от точки к точке. Соответственно изменяется число эл-нов, прошедших через апертурную диафрагму, а следовательно, и плот­ность тока на изображении. Возни­кает амплитудный контраст, к-рый

преобразуется в световой контраст на экране. В случае тонких объектов превалирует фазовый контраст, вызы­ваемый изменением фаз волн де Бройля, рассеянных в объекте и интерфе­рирующих в плоскости изображения. Под экраном Э. м. расположен мага­зин с фотопластинками; при фотогра­фировании экран убирается и эл-ны воздействуют на фотоэмульсионный слой. Изображение фокусируется плав­ным изменением тока, возбуждающего магн. поле объектива. Токи др. линз регулируют для изменения увеличе­ния Э. м.

Упрощённые ПЭМ предназначены для науч. исследований, в к-рых не требуется высокая PC, а также при предварит. просмотрах объектов, в рутинных исследованиях, с учебной целью и т. п. Они более просты по кон­струкции (один конденсор и 2—3 линзы для увеличения изображения объекта), их отличают меньшее (60.— 80 кВ) ускоряющее напряжение и бо­лее низкая его стабильность. PC этих приборов — от 6 до 15 А.

ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением (до 200 кВ) предназна­чены для исследования более толстых объектов. Эти приборы отличаются конструкцией электронной пушки: в ней для обеспечения электрич. проч­ности и стабильности применяют вы­соковольтные ускорители с неск. сту­пенями ускорения. Магнитодвижу­щая сила линз больше, чем в 100-киловольтных ПЭМ, и сами линзы имеют увелич. габариты и вес.

Сверхвысоковольтные Э. м.

(СВЭМ) —крупногабаритные приборы высотой от 5 до 15 м, с ускоряющим на­пряжением 0,5—0,65; 1—1,5 и 3 MB. Для них строят спец. помещения. СВЭМ предназначены для исследования объ­ектов толщиной до 1—10 мкм (104—105 Å). Эл-ны ускоряются в электро­статич. ускорителе прямого действия (см. Высоковольтный ускоритель), рас­положенном в баке, заполненном электроизоляц. газом под давлением. Ве­дутся работы по созданию СВЭМ с линейным ускорителем, в к-ром эл-ны ускоряются до энергий выше 3 МэВ. В случае толстых объектов PC СВЭМ в 10—20 раз превосходит PC 100-киловольтных ПЭМ.

Растровые электронные микроско­пы (РЭМ) с накаливаемым катодом предназначены для исследования мас­сивных объектов с разрешением, су­щественно более низким, чем у ПЭМ,— от 50 до 200 Å. Ускоряющее напряже­ние в РЭМ можно регулировать в пре­делах от 1 до 30—50 кВ. Устройство РЭМ показано на рис. 3. При помощи двух или трёх ЭЛ на поверхность образца фокусируется узкий элект­ронный зонд. Магн. отклоняющие катушки развёртывают зонд по задан­ной площади на объекте. При вз-ствии эл-нов зонда с объектом возникает

887




Рис. 3. Растровый электронный микроскоп (РЭМ): 1 — изо­лятор электронной пушки; 2 — накаливаемый V-образный катод; 3 — фокусирующий электрод; 4 — анод; 5 — конденсорные линзы; 6—диафрагма; 7—двухъярусная от­клоняющая система; 8— объектив; 9 — диафрагма; 10 — объ­ект; 11 — детектор вторичных эл-нов; 12 — крист. спектро­метр; 13 — пропорциональный счётчик; 14 — предваритель­ный усилитель; 15 —блок усиления; 16, 17 — аппаратура для регистрации рентг. излучения; 18 — блок усиления; 1» — блок регулировки увеличения; 20, 21 — блоки горизон­тальной и вертикальной развёрток; 22, 23 — электронно-лу­чевые трубки.


несколько видов излуче­ний (рис. 4) — вторичные и отражённые эл-ны; эл-ны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); рентге­новское излучение (тормоз­ное и характеристическое); световое излучение и т. д. Любое из этих излучений может регистрироваться со­ответствующим детектором, преобразующим излучение в электрич. сигналы, к-рые после усиления подаются на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и модули­руют её пучок. Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с раз­вёрткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увелич. изображение объекта (увеличение равно отношению высоты кадра на экране ЭЛТ к ширине сканируемой поверхности объекта). Фотографи­руют изображение непосредственно



Рис. 4. Схема регист­рации информации об объекте, получаемой в РЭМ: 1 — первичный пучок эл-нов; 2 — де­тектор вторичных эл-нов; 3 — детектор рентг. излучения; 4 — детектор отражённых эл-нов; 5 — детектор светового излучения; 6 — детектор прошед­ших эл-нов; 7 — при­бор для измерения на­ведённого на объекте электрич. потенциала; 8 — прибор для реги­страции тока прошед­ших через объект эл-нов; 9 — прибор для регистрации тока по­глощённых в объекте эл-нов.


с экрана ЭЛТ. Осн. достоинством РЭМ явл. высокая информативность прибора, обусловленная возмож­ностью наблюдать изображение, используя сигналы разл. детекторов. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение хим. со­става по объекту, р — n-переходы, производить рентг. структурный ана­лиз и мн. др. РЭМ применяется и в технологич. процессах (контроль де­фектов микросхем и пр.).

Высокая для РЭМ PC реализуется при формировании изображения с

использованием вторичных эл-нов. Она находится в обратной зависимости от диаметра зоны, из к-рой эти эл-ны эмитируются. Размер зоны зависит от диаметра зонда, св-в объекта, ско­рости эл-нов первичного пучка и т. п. При большой глубине проникновения первичных эл-нов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях,

увеличивают диаметр зоны и PC па­дает. Детектор вторичных эл-нов со­стоит из фотоэлектронного умножи­теля (ФЭУ) и электронно-фотонного преобразователя, осн. элементом к-ро­го явл. сцинтиллятор. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально чис­лу вторичных эл-нов, выбитых в дан­ной точке объекта. После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал мо­дулирует пучок ЭЛТ. Величина сиг­нала зависит от топографии образца, наличия локальных электрич. и магн. микрополей, величины коэфф. вто­ричной электронной эмиссии, к-рый, в свою очередь, зависит от хим. со­става образца в данной точке.

Отражённые эл-ны улавливаются полупроводниковым (кремниевым) де­тектором. Контраст изображения обус­ловлен зависимостью коэфф. отраже­ния от угла падения первичного пучка и ат. номера элемента. Разрешение в изображении, получаемом «в отражён­ных эл-нах», ниже, чем в получаемом с помощью вторичных эл-нов (иногда на порядок величины). Из-за прямоли­нейности полёта эл-нов к коллектору информация об отд. участках, от к-рых нет прямого пути к коллектору, теряется (возникают тени).

Рентг. характеристич. излучение вы­деляется или рентг. крист. спектро­метром (см. Спектральная аппаратура рентгеновская], или энергодис­персным датчиком — ПП де­тектором (обычно из чистого кремния, легированного Li). В первом случае рентг. кванты после отражения кри­сталлом спектрометра регистрируют­ся газовым пропорциональным счёт­чиком, а во втором — сигнал, снима­емый с ПП пластины, усиливается малошумящей системой усиления. Сиг­нал модулирует пучок ЭЛТ, и на экране возникает картина распреде­ления того или иного хим. элемента по поверхности объекта. На РЭМ производят локальный рентг. коли­честв. анализ: регистрируют число импульсов рентг. квантов от участка, на к-ром остановлен зонд, и сравни­вают это число с эталонным (см. Спект­ральный анализ рентгеновский). Энер­годисперсный датчик регистрирует все элементы от Na до U при высокой чув­ствительности. Крист. спектрометр с набором кристаллов с разл. меж­плоскостными расстояниями (см. Брэг­га Вульфа условие) может иденти­фицировать элементы от Be до U. Существ. недостаток РЭМ — большая длительность процесса «снятия» ин­формации при исследовании объектов. Сравнительно высокую PC можно по­лучить, используя электронный зонд достаточно малого диаметра. Но при этом уменьшается сила тока зонда, вследствие чего резко возрастает влия­ние дробового эффекта, снижающего отношение полезного сигнала к шуму. Чтобы отношение сигнал/шум не па­дало ниже заданного уровня, необхо­димо замедлить скорость сканирова­ния для накопления в каждой точке объекта достаточно большого числа первичных эл-нов (и соответств. кол-ва вторичных). В результате высокая PC реализуется лишь при малых скоро­стях развёртки. Иногда один кадр формируется в течение 10—15 мин. РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой для РЭМ PC (до 30 А). В автоэмиссионной пушке (как и в электронном проекторе) использу­ется катод в форме острия, у вершины к-рого возникает сильное электрич. поле, вырывающее эл-ны из катода (см. Автоэлектронная эмиссия). Элект­ронная яркость пушки с автоэмис­сионным катодом в 103—104 раз выше, чем яркость пушки с накалённым

888


катодом. Соответственно увеличива­ется ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют быстрые развёртки, а диаметр зонда уменьшают для повы­шения PC. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (10-7—10-9 Па), что усложняет конструкцию таких РЭМ.

Просвечивающие растровые Э. м. (ПРЭМ) обладают столь же высокой PC, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, обеспечивающие достаточно большой ток в зонде малого диаметра (2—3 Å). Диаметр зонда уменьшают две магн. линзы (рис. 5). Ниже объекта распо­ложены детекторы — центральный и кольцевой. На первый попадают нерас­сеянные эл-ны, и после преобразова­ния и усиления соответств. сигналов на экране ЭЛТ появляется т. н. светлопольное изображение. На кольце­вом детекторе собираются рассеянные эл-ны, создающие т. н. темнопольное изображение. В ПРЭМ можно ис­следовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, т. к. возрастание числа не­упруго рассеянных эл-нов с толщиной




Рис. 5. Принци­пиальная схема просвечивающего растрового элект­ронного микро­скопа (ПРЭМ): 1— автозмиссионный катод; 2 — промежуточный анод; 3 — анод; 4 — отклоняющая Система для юс­тировки пучка; 5 - диафрагма «осветителя»; 6, 8 — отклоняющие системы для раз­вёртки электрон­ного зонда; 7 — магн. длиннофо­кусная линза; 9 — апертурная диафрагма; 10 — магн. объектив; 11 — объект; 12, 14 — отклоняю­щие системы; 13 — кольцевой коллектор рас­сеянных эл-нов; 15 — коллектор нерассеян­ных эл-нов; 1в — магн. спектрометр; 17 — отклоняющая система для отбора эл-нов с разл. потерями энергии; 18 — щель спект­рометра; 19 — коллектор; ВЭ — вторичные эл-ны; h — рентг. излучение.


не влияет на разрешение (после объ­екта оптика в ПРЭМ отсутствует). С помощью анализатора энергии эл-ны, прошедшие сквозь объект, разделя­ются на упруго и неупруго рассеян­ные пучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на ЭЛТ наблюда­ется соответств. изображение, содер­жащее дополнит. информацию о рас­сеивающих свойствах объекта. Вы­сокое разрешение в ПРЭМ дости­гается при медленных развёртках, т. к. в зонде диаметром всего 2—3 Å ток получается слишком малым.

Э. м. для аналитических исследо­ваний. Сочетание в одном приборе принципов формирования изображения с неподвижным пучком (как в ПЭМ) и сканирования тонкого зонда по объекту позволило реализовать в таком Э. м. преимущества ПЭМ, РЭМ и ПРЭМ и обеспечить проведение ши­рокого круга аналитич. исследований. В наст. время во многих ПЭМ преду­смотрена возможность наблюдения объ­ектов в растровом режиме (с помощью конденсорных линз и объектива, со­здающих уменьшенное изображение источника эл-нов, к-рое сканируется по объекту отклоняющими системами). Кроме изображения с неподвижным пучком на экране Э. м., получают раст­ровые изображения на экранах ЭЛТ с использованием прошедших и вто­ричных эл-нов, характеристич. рентг. спектры и т. д. Оптич. система такого ПЭМ, расположенная после объекта, даёт возможность работать в режи­мах, неосуществимых в других при­борах.

Эмиссионные Э. м. создают изоб­ражение объекта эл-нами, к-рые эми­тирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком эл-нов, освещении и при наложении сильного электрич. поля, вырываю­щего эл-ны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назна­чение.

Зеркальные Э. м. служат гл. обр. для визуализации электростатич. «по­тенциального рельефа» и магн. микрополей на поверхности объекта. Осн. электронно-оптич. элементом прибора явл. электронное зеркало, причём од­ним из электродов служит сам объ­ект, к-рый находится под небольшим отрицат. потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в зеркало и отражается полем в непосредств. близости от поверхности объекта. Зеркало фор­мирует на экране изображение «в отражённых пучках». Микрополя воз­ле поверхности объекта перераспреде­ляют эл-ны отражённых пучков, со­здавая контраст на изображении, ви­зуализирующий эти микрополя.