Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫЙ МИКРОСКОП

Изобретение относится к области электронно-ионной оптики и предназначено для изучения структуры вещества путем просвечивания мощными потоками электронов или ионов.

В качестве аналога изобретения взята конструкция электронного магнитного спектрометра (патент РФ №2338295, МПК H01J 49/48), состоящая из помещенных в вакуумную камеру источника и регистратора заряженных частиц - электронов, а также системы, контуров с током (катушек). Вакуумная камера имеет вид кольцевой трубы (тора) и выполнена из немагнитного материала. Ампер витки катушек и их геометрическое положение выбраны таким образом, что в области движения электронов внутри вакуумной камеры создается аксиально-симметричное магнитное поле, индукция которого спадает в плоскости симметрии прибора пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону B~ρ^-α, где α=0,62-0,76. Электроны, выходящие из анализируемого образца (источника), движутся вдоль стационарной траектории - окружности радиуса ρ_0, и фокусируются на счетчике, совершив ~0,7 оборота.

Недостатком электронного магнитного спектрометра является малая интенсивность потока электронов, следовательно, малая светосила прибора, а отсутствие системы для ускорения электронов в процессе движения ограничивает их кинетическую энергию (мощность потока).

В качестве аналога ускоряющей системы взята ускоряющая система бетатрона (БСЭ, т.27. Третье издание. - М.: Изд. «Советская энциклопедия», 1977, с.110), предназначенного для ускорения электронов (бета-частиц) движущихся в вакуумной камере в переменном магнитном поле. Магнитное поле бетатрона создается расположенным снаружи вакуумной камеры электромагнитом, который состоит из токопроводящих обмоток и ферромагнитных профильных сердечников. Вакуумная камера бетатрона имеет вид кольцевой трубы (тора) и выполнена из диэлектрического материала. Электромагнит, подключен к генератору переменного тока и создает в области движения электронов внутри вакуумной камеры переменное аксиально-симметричное магнитное поле, индукция которого спадает в плоскости симметрии прибора пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону B~ρ^-α, где α~0,6. Частота изменения поля составляет 10-10³ Гц. Переменное магнитное поле индуцирует в области движения вихревое электрическое поле, которое ускоряет электроны. Дополнительным требованием, обеспечивающим постоянство радиуса стационарной траектории в бетатроне, является так называемое бетатронное условие B₀=0,5·B_cp, то есть магнитное поле B₀ на стационарной траектории - окружности радиуса ρ₀, должно составлять половину среднего магнитного поля B_cp внутри этой окружности. Генерируемые источником электроны движутся ускоренно вдоль стационарной траектории - окружности радиуса ρ₀, совершая порядка 10⁵-10⁶ оборотов, и после достижения необходимой энергии 1-150 МэВ выводятся из области стационарной траектории на приемник (мишень).

Недостатком ускоряющей системы бетатрона является большое количество оборотов, которые совершают заряженные частицы в процессе ускорения, что делает невозможным прецизионную фокусировку на исследуемом образце и установку экрана формирующего изображение.

В качестве прототипа применен сверхвысоковольтный электронный микроскоп, предназначенный для исследования структуры вещества методом просвечивания объектов толщиной 1-6 мкм потоками электронов, ускоренных до энергий 1-5 МэВ (БСЭ, т.30. Третье издание. - М.: Изд. «Советская энциклопедия», 1978, с.261). Сверхвысоковольтный электронный микроскоп состоит из следующих основных элементов: вакуумной камеры в виде прямой трубы, помещенной в ней электронной пушки, электростатического ускорителя прямого действия, расположенного в баке, заполненном электроизоляционным газом под давлением, конденсорных магнитных линз, фокусирующих электронный поток на исследуемом объекте, магнитной линзы-объектива, а также системы магнитных проекционных линз, формирующих изображение на экране. Все линзы представляют собой осесимметричные катушки с током, установленные соосно с вакуумной камерой. Общее число линз, используемых в приборе, достигает шести и более единиц, а высота прибора составляет от 5 до 15 м.

Укажем недостатки прототипа.

Увеличение толщины исследуемого объекта связано с повышением энергии электронов в потоке, которое ограничено пределом электрической прочности конструкционных материалов, и приводит к увеличению габаритов микроскопа.

Система магнитных конденсорных линз не позволяет использовать линейно протяженные высокоинтенсивные источники заряженных частиц и, как следствие, ограничивает светосилу прибора.

Наличие большого количества магнитных линз приводит к значительным сферическим аберрациям, ограничивает разрешение прибора и затрудняет его настройку.

Задачей высокочастотного электронно-ионного микроскопа является увеличение энергии потока заряженных частиц, светосилы и разрешающей способности прибора, толщины просвечиваемого образца при снижении габаритов прибора.

Предлагаемое изобретение предназначено для наблюдения и фиксирования многократно увеличенного до 10⁵ раз изображения объектов с пределом разрешения до 5·10^-11 м, методом их просвечивания интенсивными 1А и более, потоками ускоренных электронов до 150 мэВ или ионов до 10 мэВ.

Высокочастотный электронно-ионный микроскоп состоит из вакуумной камеры в виде участка кольцевой трубы, на торцах которого расположен источник заряженных частиц и флуоресцирующий экран, а внутри вакуумной камеры по траектории движения заряженных частиц расположены исследуемый объект и апертурная диафрагма под аксиальными углами друг к другу. Снаружи вакуумной камеры, параллельно ее плоскости, расположена система контуров, соединенных с генератором высокочастотного переменного тока, которая создает аксиально-симметричное фокусирующее магнитное поле и индуцирует ускоряющееся электрическое поле с разностью потенциалов между источником заряженных частиц, исследуемым объектом, апертурной диафрагмой и флуоресцирующим экраном.

Указанный технический результат достигается использованием аксиально-симметричного высокочастотного 10⁵-10⁷ Гц магнитного поля, индукция которого спадает в плоскости симметрии прибора пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону B~ρ^-α, где α=0,67-0,75, при выполнении бетатронного условия. Высокие фокусирующие свойства указанного поля позволяют значительно увеличить разрешение микроскопа.

Высокочастотное магнитное поле индуцирует электрическое поле, создает разность потенциалов между источником заряженных частиц, исследуемым объектом и флуоресцирующим экраном. Электрическое поле вытягивает из источника поток заряженных частиц, ускоряет его на пути к исследуемому объекту и затем проецирует на флуоресцирующем экране. Кинетическая энергия, полученная заряженными частицами в процессе ускорения, превосходит энергию в существующих электронных микроскопах, что позволяет увеличить толщину исследуемого объекта до 10-100 мкм.

Большая интенсивность потока и, как следствие, большая светосила прибора обеспечивается использованием источника заряженных частиц в виде системы соосно расположенных цилиндров, кромки которых имеют радиус закругления ~10^-6 м.

Устройство высокочастотного электронно-ионного микроскопа поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана схема расположения основных элементов микроскопа в плане, а на фигуре 2 - в разрезе, и состоит из следующих основных элементов: вакуумной камеры 1; расположенным в ней источником заряженных частиц 2; исследуемого объекта 3; флуоресцирующего экрана, на котором формируется изображение 4; апертурной диафрагмы 5, системы, создающей магнитное поле в виде круговых контуров с током 6, 7, соединенных с источником высокочастотного тока (на фигурах не показан).

Устройство работает в импульсном режиме следующим образом. При нарастании во времени аксиально-симметричного магнитного поля, создаваемого системой контуров с током 6, 7 в области вакуумной камеры 1 между источником заряженных частиц 2, исследуемым объектом 3 и экраном 4 возникает индукционное электрическое поле. Вследствие малости радиуса закругления кромок цилиндров источника заряженных частиц вблизи них напряженность электрического поля оказывается достаточной для возникновения туннельной эмиссии электронов (автоэлектронная эмиссия) или ионов (жидкометаллическая автоэмиссия). Эмитируемые заряженные частицы под действием индукционного электрического поля движутся ускоренно в аксиально-симметричном магнитном поле, которое фокусируют их на исследуемом объекте 3 в виде пятна, диаметр которого при регулировке может меняться от 10^-5 до 10^-7 м. После прохождения сквозь исследуемый объект (3) часть заряженных частиц рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой 5. Нерассеянные заряженные частицы проходят через отверстие диафрагмы и формируют изображение на флуоресцирующем экране 4, который светится под воздействием заряженных частиц. Настройка прибора осуществляется изменением взаимного расположения источника, исследуемого объекта, апертурной диафрагмы и флуоресцирующего экрана.