Геометрия формирования увеличенного изображения и дифракционной картины.

Механизм формирования и увеличения изображения в просвечивающем электронном микроскопе может быть описан так же, как и в геометрической оптике с оптическими линзами (рис. 2.3). При больших увеличениях (режим “Mag”) первоначальная обработка изображения производится объективной линзой. Далее оно увеличивается при прохождении через каскад линзовой системы, состоящей из объективной мини-линзы, 3х промежуточных линз и проекционной линзы; после чего изображение проектируется на флуоресцентный экран или фотопленку. При предельно малых увеличениях (режим “Low-Mag”) изображение формируется объективной мини-линзой, а увеличение происходит за счёт одной промежуточной и проекционной линз (рис. 2.3 (а)).

Увеличение определяется как отношение размера образца к размеру изображения, зафиксированного на фотопленке. Для дос­тижения приборной точности увеличения, при работе на приборе необходимо учитывать следующие пункты:

1) образец должен быть установлен точно в фокусе объективной линзы (так называемое Z-положение) - когда объективная линза работает в режиме возбуждения точно фиксированным током, определяемым оптическими характеристиками линзы;

2) фокус объективной линзы должен быть отъюстирован таким образом, чтобы он был в положении калиброванного фокуса.

 

Рис. 2.3. Формирующая изображение линзовая система: а) режим низких увеличений (Low Mag); б) режим высоких увеличений (Mag); в) режим электронной дифракции [1].

На рис. 2.3 (в) показан режим, обеспечивающий получение картин электронной дифракции (электронограммы). Подобно картинам рентгеновской дифракции, электронная дифракция полезна для определения кристаллической ориентации, параметров решетки и т.д.

В режиме «Mag» фокус первой промежуточной линзы устанавливается в плоскости изображения объективной линзы. В отличие от этого режима, в режиме дифракции первая промежуточная линза фокусируется в задней фокальной плоскости объективной линзы, поэтому последующая система линз увеличивает уже картину электронной дифракции. На рис. 2.4 подробно показан принцип электронной дифракции и механизм увеличения картины электронной дифракции.

Рис. 2.4. Принципиальная схема формирования картины электронной дифракции (а) и увеличенного ПЭМ-изображения (б) [2].

Падающие электроны претерпевают дифракцию на кристаллической структуре образца. Угол дифракции 2θ определяется условием Брэгга по фомуле:

(2.1)

где d — параметр кристаллической решетки образца; λ — длина волны электрона.

Рассеянные таким образом электроны образуют дифракционную картину в задней фокальной плоскости объективной линзы. Длина камеры L₀ соответствует фокальной длине f₀ объективной линзы. (Длина камеры определяется как расстояние от образца до плоскости фотопленки, когда линза не используется.)

Поскольку в просвечивающем электронном микроскопе используется линза, то эта длина может называться эффективной длиной камеры. Увеличительная линзовая система увеличивает картину дифракции и проецирует ее на флуоресцентный экран с увеличением М(М=b/а). Поэтому окончательная длина камеры L становится равной

(2.2)

Постоянная решетки d, соответствующая расстоянию r на картине дифракции, может быть представлена следующим образом:

(2.3)

Для получения точной длины камеры, которая указана в паспортных характеристиках данного микроскопа, во время работы следует учитывать следующие пункты.

1. Образец должен быть установлен точно в Z-положение.

2. Образец должен освещаться параллельным пучком.

3. Фокус объективной линзы необходимо установить в положение нормальной фокусировки.

4. Фокус первой промежуточной линзы должен быть установлен в задней фокальной плоскости объективной линзы.

 

Увеличение линзовой системы может флуктуировать от эталонного значения в пределах 5—10%. По этой причине окончательная длина камеры, отображаемая индикаторами прибора, также включает ошибку примерно 5—10%. Для получения большей точности длина камеры должна быть откалибрована по дифракционным рефлексам эталонного образца с известным значени­ем параметра решетки путем фиксирования электронограмм от исследуемого образца при тех же самых условиях, что использовались для фотографирования эталона. В таком случае возможно достичь точности до трех знаков после запятой в определении параметров кристаллической решётки исследуемого материала.