СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ НА ЭКРАНЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 1998 года по МПК H01J37/285 H01J31/50 

Изобретение относится к электронным вакуумным приборам, в частности к эмиссионным микроскопам и видеоусилителям, и раскрывает способ визуализации и увеличения изображений исследуемых объектов.

Известен способ получения изображения объектов, эмитирующих электроны посредством электронного эмиссионного микроскопа [1] В этом способе электроны, испускаемые поверхностью объекта, ускоряют электрическим полем. Увеличение изображения эмитирующей поверхности получают посредством электростатической или магнитной оптики. В имерсионном объективе ускоряющее электрическое поле одновременно действует как объективная линза. Разрешение этого эмиссионного микроскопа определяется напряженностью электрического поля, полушириной энергетического распределения электронов, эмитируемых объектом, а также формой изучаемого микрообъекта.

Недостатком этого известного решения является большое время экспозиции вследствие уменьшения эмитируемого потока электронов из-за его диафрагмирования для получения наилучшего разрушения, малая глубина, доступная для исследования объекта до 100-500 ангстрем, а также ограниченность применения.

Известен также способ визуализации пространственного распределения радиоактивных элементов [2] существо первого варианта которого заключается в том, что излучаемые исследуемым объектом в результате радиоактивного распада электроны ускоряют в электрическом поле и фиксируют на фосфоресцирующем экране в виде скрытого изображения, считываемого после экспозиции системой лазерного сканирования. Разрешение, достигаемое этим способом, определяется отношением средней поперечной скорости электрона к его продольной скорости, приобретенной в электрическом поле. Для достижения высокой разрешающей способности в нем требуется создание электрического поля с напряжением порядка 1 МВ, прикладываемым к промежутку в несколько сантиметров, что технологически трудно достижимо. В этом же способе описан второй вариант, наиболее близкий к предложенному и взятый нами в качестве прототипа, в котором поперечное смещение электронов ограничивают однородным магнитным полем, что приводит к ограниченному вращательному движению электронов по винтовой траектории с ларморовским радиусом, определяемым величиной магнитного поля и энергией электронов. Это известное решение обладает высокой разрешающей способностью и позволяет увеличить чувствительность за счет уменьшения потерь электронов при удалении экрана от исследуемого объекта. В данном случае разрешение обратно пропорционально магнитному полю, т.е. улучшается с увеличением магнитного поля.

Недостатком прототипа является невозможность получения увеличенного изображения исследуемого объекта, поскольку применение электростатической линзы, указанное для первого варианта этого способа, в сильном магнитном поле невозможно. Кроме того, прототип не допускает дальнейшего повышения разрешающей способности и получения структуры объекта по его глубине из-за интегрального характера лазерного считывания информации на экране без разделения отдельных импульсов информации по времени, а, следовательно, и по энергии электронов.

Техническим результатом изображения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно: возможность увеличения изображения исследуемого объекта и повышение разрешающей способности. Кроме того, изобретение предполагает исследование объектов, эмитирующих любые заряженные частицы, а не только электроны, что позволит расширить область применения, а также получать структуру объекта по глубине.

Для достижения указанного технического результата в обозначенном известном способе визуализации на экране изображений исследуемых объектов, эмитирующих заряженные частицы, при котором поперечное смещение частиц ограничивают путем создания магнитного поля вдоль пути продвижения частиц от исследуемого объекта к экрану, предложено магнитное поле формировать равномерно убывающим от места размещения объекта в направлении к экрану с соблюдением условия адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в магнитном поле.

В случае эмиссии исследуемыми объектами в качестве заряженных частиц электронов или позитронов из β-радиоактивных ядер для еще большего повышения разрешения при максимально достигнутом магнитном поле заданного направления предложено захолаживать объект до температуры T, по крайней мере достаточной для обеспечения поляризации указанных ядер и, таким образом, получения анизотропной эмиссии бета-частиц вдоль направления убывания магнитного поля.

Для реализации способа предложено устройство, представляющее собой магнитный эмиссионный микроскоп. Это устройство, также как и прототип, содержит полую многовитковую осесимметричную катушку для создания магнитного поля, вакуумную камеру, элемент для крепления исследуемого объекта и экран. Отличие предложенного устройства заключается в том, что катушка выполнена с убывающим количеством ампервитков в соответствии с расчетной закономерностью, обеспечивающей создание магнитного поля с силовыми линиями в виде расходящихся относительно центральной оси прямых, полость внутри катушки имеет конусообразную форму и в ней установлена вакуумная камера, выполненная в виде усеченного конуса, элемент для крепления исследуемого объекта установлен у основания конуса камеры, имеющего меньшее сечение, а экран установлен у основания конуса камеры с большим сечением. В качестве простейшего экрана может быть использована фотопластинка. Экран может быть выполнен в виде сотовой матрицы, в каждой из ячеек которой установлен многоканальный детектор, регистрирующий частицы и их энергии, а радиус ячейки равен ларморовскому радиусу вращения частиц, соответствующему магнитному полю в области размещения экрана, при этом каждый детектор соединен с блоком регистрации и обработки информации.

На фиг. 1 изображено устройство магнитного эмиссионного микроскопа для реализации способа визуализации и увеличения изображений исследуемых объектов, эмитирующих заряженные частицы; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Магнитный эмиссионный микроскоп содержит разборную вакуумную камеру 1, размещенную внутри осесимметричной магнитной системы 2, экран 3 и элемент 4 для крепления исследуемого объекта 5.

Магнитная система 2 представляет собой многовитковую секционированную осесимметричную катушку, внутри которой имеется полость 6 конусообразной формы. Катушка размещена в жестком каркасе 7 и имеет число ампервитков, убывающее таким образом, чтобы обеспечить прямыми расходящиеся магнитные силовые линии в направлении от исследуемого объекта 5 к экрану 3. Количество витков определяется расчетным путем в соответствии с известными закономерностями. Степень увеличения изображения задается градиентом числа ампервитков, определяющим угол раскрытия конуса потока магнитного поля, и изменением расстояния между объектом и экраном. Вакуумная камера 1 представляет собой разборный герметичный сосуд и выполнена в форме усеченного конуса. У меньшего основания 8 камеры размещен элемент 4 для крепления исследуемого объекта 5, а у большего основания 9 экран 3. Камера 1 расположена осесимметрично относительно катушки магнитной системы 2. Степень вакуумирования камеры 1 задается условием бесстолкновительного прохождения эмитируемых частиц от объекта 5 к экрану 3, необходимостью предохранения экрана от осаждения паров, испускаемых некоторыми типами исследуемых объектов и обеспечением высоковольтной изоляции.

Наиболее простым вариантом экрана является фотопластинка. Возможно применение фосфоресцирующего экрана 3 с системой оптической обработки или считывания, а также в виде ПЗС-матрицы. Изобретением предусмотрено оригинальное выполнение экрана 3 в виде сотовой матрицы с набором многоканальных детекторов 10, например из кристаллов сцинтилляторов, таких как Nal, Csl, CaF, ZnS, кремния или германия. Каждый детектор 10 размещен в своей матричной ячейке 11 и соединен линией связи 12 непосредственно с блоком 13 регистрации и обработки информации. Это позволяет обеспечить независимую регистрацию поступающих на детекторы частиц и их энергии. При таком выполнении экрана 3 радиус ячейки равен ларморовскому радиусу вращения частиц, соответствующему величине магнитного поля в области размещения экрана.

Магнитный эмиссионный микроскоп может быть снабжен ускоряющей электростатической системой 14, предназначенной для увеличения продольной скорости частиц, имеющих недостаточные для надежной регистрации начальные скорости. Система 14 выполнена в виде сетки, соединенной с источником напряжения. Электростатическая система не является обязательной при больших потоках эмитируемых частиц из объекта с достаточной энергией для регистрации и при отсутствии требования к повышенной разрешающей способности в решаемой задаче.

Способ визуализации на экране изображений исследуемых объектов, эмитирующих заряженные частицы, реализуется следующим образом.

Предварительно в камере создают благоприятные вакуумные условия ≈10^-2 10^-3 Па. Затем подают ток в катушку магнитной системы 2 для создания магнитного поля вдоль пути продвижения частиц от исследуемого объекта к экрану с заданным убыванием, например 10 0,001 Тл, при соблюдении адиабатической инвариантности движения заряженных частиц, задаваемой условием: смещение частицы вдоль магнитного поля за один оборот должно быть меньше ларморовского радиуса движения частицы в магнитном поле, т.е. выполняется условие [3]
,
где v_┴1- поперечная магнитному полю скорость частиц в области размещения исследуемого объекта;
v_┴2- поперечная магнитному полю скорость частиц в области экрана;
B₁ величина магнитного поля в области размещения исследуемого объекта;
B₂ величина магнитного поля в области размещения экрана.

Следствием этого условия является соотношение между ларморовскими радиусами частиц в области экрана и в области исследуемого объекта

где r₁ ларморовский радиус вращения частиц в области размещения исследуемого объекта;
r₂ ларморовский радиус вращения частиц в области размещения экрана.

Вторым условием, связывающим значения магнитного поля и геометрические размеры в области экрана и в области исследуемого объекта, является условие сохранения потока магнитного поля
B₁•S₁=B₂•S₂,
где S₁ площадь поперечного сечения, пронизываемого силовыми линиями магнитного поля в области размещения объекта;
S₂ площадь поперечного сечения, пронизываемого силовыми линиями магнитного поля в области размещения экрана.

Это условие дает соотношение между линейными размерами в областях размещения экрана и исследуемого объекта, т.е. между

Сравнение формул (*) и (**) однозначно указывает на то, что если ларморовские окружности вращения частиц в области сильного магнитного поля не пересекаются, то они не пересекаются и в области, где магнитное поле мало и где соответствующие ларморовские радиусы больше в раз. Это означает, что высокое разрешение, достигнутое в области сильного магнитного поля, где расположен объект, сохраняется и в области, где расположен экран. При этом все элементы объекта оказываются увеличенными на экране в раз в соответствии с формулой (**). Для достижения максимального разрешения при эмиссии частиц из объекта с широким спектром энергий система регистрации должна отбирать частицы только с малой энергией, удовлетворяющей малому ларморовскому радиусу вращения, соответствующему требуемому разрешению. При этом разрешение ограничивается чувствительностью регистрирующей системы. В результате для тепловых электронов (300 K) можно достичь разрешения ≈10^-8м и увеличения изображения ≈ 100 для B₁=10 Тл и B₂=10^-3 Тл.

Создание магнитного поля, равномерно спадающего вдоль оси системы, позволяет существенно увеличивать изображение (до 10³ раз) при сохранении высокой разрешающей способности, определяемой величиной магнитного поля в исследуемом объекте) и не приводит к появлению хроматической аберрации. Достигнутое увеличение изображения позволяет провести дальнейшее улучшение разрешения за счет селекции поступающих на детектор частиц по энергии посредством каналирования частиц и известных методов электроники независимой регистрации частиц в различных энергетических интервалах, например многоканальных детекторов частиц по энергии. При этом появляется возможность разделения изображения по глубине (томография) посредством привлечения методов математического моделирования.

В случае, когда исследуемый объект эмитирует заряжение частицы из β-радиоактивных ядер, осуществляют его захолаживание до температур, обеспечивающих значительную степень поляризации ядер и выбирают вектор направления магнитного поля таковым, чтобы излучаемые анизотропно b-частицы вдоль или встречно вектору магнитного поля в зависимости от направления спина и магнитного момента ядер двигались в сторону убывания величины магнитного поля. Условия, необходимые для обеспечения поляризация ядер, определяются формулой [4]
П=Pm/P ≈ P•B₁/T,
где П степень поляризации ядер;
Pm проекция усредненного по всем ядрам магнитного момента ядра на направление магнитного поля B₁;
P магнитный момент ядра;
T температура захолаживания объекта.

В данном случае разрешение может достигать величины, сравнимой с размером атома или выше, и определяется не величиной ларморовского радиуса бета-частиц, а степенью поляризации ядер.

Достигнутые в предложенном способе и устройстве результаты по визуализации и увеличению изображений с большой разрешающей способностью широкого спектра объектов, эмитирующих заряженные частицы, позволяют реализовать новые возможности, в частности при исследовании материалов, содержащих радиоактивные вещества, сложных структур на поверхностях твердых тел, в ядерной физике и медицине.

Источники информации
1. Лейзеганг З. Электронная микроскопия. М. 1960.

2. Патент Франции N 2699004, кл. H 01 J 31/50 08.12.92.

3. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. М. Физматгиз, 1961.

4. Джеффрис К. Динамическая ориентация ядер. М. Мир, 1965.

Назначение: электронная техника. Сущность изобретения: способ визуализации на экране изображений исследуемых объектов, эмитирующих заряженные частицы, при котором ограничивают поперечное смещение частиц путем создания магнитного поля вдоль пути продвижения частиц от исследуемого объекта к экрану. Магнитное поле формируют равномерно убывающим от места размещения объекта в направлении к экрану с соблюдением выполнения условия адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в магнитном поле. Магнитный эмиссионный микроскоп содержит полую многовитковую катушку для создания магнитного поля, элемент для крепления исследуемого объекта и экран, катушка выполнена с убывающим количеством витков в соответствии с расчетной закономерностью, обеспечивающей создание траекторий магнитных силовых линий в виде расходящихся относительно оси прямых, полость внутри катушки имеет конусообразную форму и в ней установлена вакуумная камера в виде усеченного конуса, элемент для крепления исследуемого объекта расположен у основания камеры, имеющего меньшее сечение, а экран установлен у основания камеры с большим сечением. Изобретение позволяет осуществлять увеличение изображений исследуемых объектов одновременно с улучшением разрешающей способности, а также получать структуру объекта по глубине. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ визуализации на экране изображений исследуемых объектов, эмиттирующих заряженные частицы, при котором ограничивают поперечное смещение частиц путем создания магнитного поля вдоль пути продвижения частиц от исследуемого объекта к экрану, отличающийся тем, что магнитное поле формируют равномерно убывающим от места размещения объекта в направлении к экрану при условии выполнения адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в магнитном поле. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае эмиссии исследуемым объектом заряженных частиц (электронов или позитронов) из β-радиоактивных ядер захолаживают объект до температуры, по крайней мере достаточной для обеспечения поляризации ядер. 3. Устройство для визуализации на экране изображений исследуемых объектов, эмиттирующих заряженные частицы, содержащее полую многовитковую осесимметричную катушку для создания магнитного поля, вакуумную камеру, экран и элемент для крепления исследуемого объекта, отличающееся тем, что катушка выполнена с убывающим количеством ампервитков в соответствии с расчетной закономерностью, обеспечивающей создание траекторий магнитных силовых линий в виде расходящихся относительно центральной оси прямых, полость внутри катушки имеет конусообразную форму, вакуумная камера выполнена в виде усеченного конуса и установлена в полости катушки, элемент для крепления исследуемого объекта расположен у основания камеры, имеющего меньшее сечение, а экран установлен у основания камеры с большим сечением. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что экран выполнен в виде фотопластинки. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что экран выполнен в виде сотовой матрицы, в каждой из ячеек которой установлен многоканальный детектор для регистрации частиц и их энергий, а радиус ячейки равен ларморовскому радиусу вращения частиц, соответствующему магнитному полю с области размещения экрана, при этом каждый детектор соединен с блоком регистрации и обработки информации.