[1]Изобретение относится к электронным линзам, а точнее к иммерсионным магнитным объективам, и может быть использовано при формировании эмиссионного изображения исследуемого объекта на люминесцентном экране эмиссионного электронного микроскопа с большим электронно-оптическим увеличением при изучении топологии поверхности, например, термокатодов.
[2]Известен иммерсионный магнитный объектив для эмиссионного электронного микроскопа [1]. Объектив содержит герметичный корпус с верхним и нижним полюсными наконечниками, выполненными из магнитопроводящего материала, объектодержатель и катушку возбуждения.
[3]Основным недостатком такого объектива является наличие разрыва в магнитопроводе для размещения в нем изолятора, крепящего верхний полюсный наконечник, что приводит к большой потере напряженности магнитного поля в зазоре размещения объекта и не позволяет сфокусировать эмиссионное изображение достаточно четко. Следовательно, не обеспечивает электронно-оптического увеличения при наблюдении эмиссионных объектов с малыми размерами эмиссионных зон.
[4]Известен иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа - прототип - [2]. Объектив содержит герметичный корпус с верхним и нижним полюсными наконечниками из магнитопроводящего материала, объектодержатель с объектом. Верхний полюсный наконечник является анодом и выполнен из двух частей с разрывом между ними в виде щели в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Две части верхнего полюсного наконечника соединены между собой кольцом из немагнитного материала. Нижний полюсный наконечник выполнен с возможностью осевого перемещения. Повышение электронно-оптического увеличения достигается за счет возникновения на оптической оси дополнительной магнитной линзы, образующейся в щели.
[5]Недостатками такого объектива являются:
[6]- недостаточное электронно-оптическое увеличение и качество изображения при исследовании изделий с малыми размерами эмитирующей поверхности;
[7]- возможность возникновения электрического пробоя между заземленным объектом исследования и нижней частью верхнего полюсного наконечника при исследовании объектов, имеющих острийные выступы.
[8]Техническим результатом изобретения является повышение электронно-оптического увеличения без изменения оптической базы микроскопа, повышение качества эмиссионного изображения очень малых размеров и обеспечение возможности работы микроскопа в трех режимах, а именно: электростатическом, с магнитной фокусировкой и комбинированном.
[9]Технический результат достигается тем, что иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа содержит корпус с верхним и нижним полюсными наконечниками из магнитопроводящего материала с продольным каналом по оптической оси системы, в зазоре между которыми размещен объектодержатель с объектом. Верхний полюсный наконечник, являющийся анодом, изолированный от корпуса, выполнен из двух частей с разрывом между ними в виде щели шириной S1 в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Нижний полюсный наконечник выполнен с возможностью осевого перемещения. Нижняя часть верхнего наконечника закреплена на корпусе через изолятор, причем она выполнена из двух частей с разрывом между ними в виде щели шириной S2 в плоскости, перпендикулярной оптической оси, при этом части соединены между собой металлическим кольцом из немагнитного материала. Верхний наконечник помещен в экранирующий электрод, выполненный из немагнитного материала, в виде усеченного конуса, соосного оптической оси, закрепленный на корпусе через изолятор. Причем торцевые поверхности нижней части анода и конуса ограничены единой плоскостью, а расстояние между торцами частей нижней части верхнего наконечника равно (1…1,5)d, где d - ширина зазора между полюсными наконечниками при условии: S2=S1=(0,1…0.5)d.
[10]Нижняя часть верхнего наконечника закреплена на корпусе через изолятор, что позволяет подавать на каждую часть анода разные по величине электрические потенциалы. В случае когда высокий потенциал подан на верхнюю часть анода (верхнюю часть верхнего наконечника), а более низкий потенциал на нижнюю часть анода (нижнюю часть верхнего наконечника), в щели объектива образуется рассеивающая электростатическая линза, увеличивающая эмиссионное изображение на экране микроскопа. А если потенциалы поданы наоборот, то образуется собирающаяся электростатическая линза, уменьшающая эмиссионное изображение на экране микроскопа.
[11]Нижняя часть верхнего наконечника выполнена из двух частей с разрывом между ними в виде щели шириной S2 в плоскости, перпендикулярной оптической оси, что позволяет создать в зазоре дополнительную магнитную линзу, как в щели S1. Дополнительная магнитная линза производит перефокусировку эмиссионного изображения. Изображение увеличивается сначала в щели S2, затем в щели S1 и отображается на экране микроскопа. Таким образом не меняя оптической базы микроскопа получаем оптическое увеличение.
[12]Чтобы повысить качество эмиссионного изображения за счет уменьшения ионной бомбардировки объекта исследования на верхнюю часть анода подают электрический потенциал ниже, чем потенциал на нижней части анода.
[13]Верхний наконечник помещен в экранирующий электрод, выполненный из немагнитного материала в виде усеченного конуса, соосного оптической оси, и закрепленный на корпусе через изолятор. Изоляция экранирующего электрода от корпуса обеспечивает возможность подачи на него невысокого электрического потенциала, что расширяет возможность фокусировки эмиссионного изображения объекта. При этом объектив может работать в разных режимах. В чисто электростатическом режиме, когда магнитное поле отсутствует, подфокусировка изображения достигается за счет изменения электрического потенциала на фокусирующем электроде. В режиме с магнитной фокусировкой электрический потенциал на фокусирующий электрод не подается, он выполняет функцию экрана, работает только фокусирующая магнитная катушка.
[14]Торцевые поверхности нижней части верхнего наконечника и конуса ограничены единой плоскостью, что обеспечивает оптимальную работу анода, то есть объект может быть приближен к аноду на расстояние, при котором не возникает электрический пробой.
[15]Иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа поясняется чертежом.
[16]На фиг. 1 представлен иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа, где:
[19]верхний полюсный наконечник 3;
[20]нижний полюсный наконечник 4;
[23]верхняя часть верхнего полюсного наконечника 7;
[24]нижняя часть верхнего полюсного наконечника 8;
[28]верхняя часть нижней части верхнего полюсного наконечника 11;
[29]нижняя часть нижней части верхнего полюсного наконечника 12;
[30]металлическое кольцо 13;
[31]экранирующий электрод 14;
[34]l1 - расстояние между торцами частей нижней части верхнего наконечника;
[35]d - расстояние между полюсными наконечниками; катушка фокусирующая 16;
[36]сильфонный привод 17.
[38]Иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа для исследования термокатодов содержит закрепленный на фланце 1 из нержавеющей стали X18Н10Т корпус 2, выполненный из стали 10895 (АРМКО), который является магнитопроводом. Соосные между собою верхний 3 и нижний 4 полюсные наконечники выполнены из стали 10895 (АРМКО) с продольным каналом по оптической оси системы. Зазор d равен около 20 мм. Между полюсными наконечниками 3 и 4 на объекте-держателе 5 закреплены термокатоды 6. Нижний полюсный наконечник 4 может перемещаться по оси с помощью сильфонного привода 17. Верхний полюсный наконечник 3 разделен на две части 7 и 8, щелью шириной S1, равной 2 мм. Верхняя часть 7 верхнего полюсного наконечника 3 крепится к корпусу 2 изолятором 9, выполненным из керамики 22ХС, а нижняя часть 8 верхнего полюсного наконечника 3 крепится к корпусу 2 изолятором 10, выполненным из 22ХС. Нижняя часть 8 верхнего полюсного наконечника 3 разделена щелью S2, шириной 2 мм, на две части: верхняя часть нижней части верхнего полюсного наконечника 11 и нижняя часть нижней части верхнего полюсного наконечника 12, между ними закреплено металлическое кольцо 13 из немагнитного материала. Ширина зазора между полюсными наконечниками 7 и 8 составляет 20 мм. Верхний наконечник 3 помещен в экранирующий электрод 14, выполненный из нержавеющей стали Х18Н10Т в виде усеченного конуса, соосного оптической оси, который закреплен на корпусе 2 через изолятор 15, выполненный из 22ХС. Расстояние между торцами частей 11 и 12 нижней части верхнего наконечника 7 равно 20 мм. Торцевые поверхности нижней части анода 8 и конуса электрода 14 ограничены единой плоскостью. Фокусирующая катушка 16 предназначена для создания магнитного поля в щели и между полюсами.
[39]Объектив работает следующим образом.
[40]Фланец 1 прикрепляют к камере эмиссионного электронного микроскопа. Темокатод 6 закрепляют на объектодержателе 5 и помещают в корпус 2. Камеру микроскопа откачивают до высокого вакуума (приблизительно 1·10-5 Па). Темокатоды 6 нагревают до получения термоэмиссии. Высокий потенциал (примерно 20 кВ) подают на верхнюю часть анода (верхняя часть 7 верхнего наконечника 3) и низкий потенциал (примерно 15 кВ) подают на нижнюю часть анода (нижняя часть 8 верхнего наконечника 3). Включают фокусирующую катушку 16 и получают на экране микроскопа нефокусированное эмиссионное изображение. Изменяя зазор d, перемещая нижний наконечник 4 сильфонным приводом 17, повышают четкость изображения. Зазор d может быть от 5 мм до 25 мм, в зависимости от габаритов исследуемого объекта.
[41]Далее, чтобы повысить качество эмиссионного изображения за счет уменьшения ионной бомбардировки объекта исследования, на верхней части 7 верхнего наконечника 3 оставляют электрический потенциал 20 кВ, а на нижнюю часть 8 верхнего наконечника 3 подают 30 кВ. Из-за наличия разности потенциалов основная масса ионов микроскопа движется в сторону экрана и лишь небольшая часть ионов направляется к объекту.
[42]Использование предлагаемого устройства в экспериментальном образце позволило получить магнитный объектив с повышенным электронно-оптическим увеличением в 2 раза при сохранении оптической базы микроскопа. При оптической базе микроскопа L=350 мм электронно-оптическое увеличение с магнитной фокусировкой объективом - прототипом составляло до 300-крат, а с нашим образцом составило 1200-крат. При работе в чисто электростатическом режиме увеличение составило 500 крат.
[43]Магнитный объектив позволяет исследовать объекты с острийными частями, поскольку не возникает пробоя из-за экранирующего электрода.
[44]Ионная бомбардировка в микроскопе с помощью предлагаемого объектива уменьшилась в 30 раз, что позволило получить более качественное изображение.
[46]1. Авторское свидетельство СССР №241560, М. Кл. H01J 37/10
[47]2. Патент RU №2002329 МПК Н01J 3/20 - прототип.
