ИММЕРСИОННЫЙ МАГНИТНЫЙ ОБЪЕКТИВ ЭМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА Российский патент 2016 года по МПК H01J3/20 

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.

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.

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.

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.

Недостатками такого объектива являются:

- недостаточное электронно-оптическое увеличение и качество изображения при исследовании изделий с малыми размерами эмитирующей поверхности;

- возможность возникновения электрического пробоя между заземленным объектом исследования и нижней частью верхнего полюсного наконечника при исследовании объектов, имеющих острийные выступы.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа поясняется чертежом.

На фиг. 1 представлен иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа, где:

фланец 1;

корпус 2;

верхний полюсный наконечник 3;

нижний полюсный наконечник 4;

объектодержатель 5;

объект 6;

верхняя часть верхнего полюсного наконечника 7;

нижняя часть верхнего полюсного наконечника 8;

S₁ - ширина щели;

изолятор 9;

изолятор 10;

верхняя часть нижней части верхнего полюсного наконечника 11;

нижняя часть нижней части верхнего полюсного наконечника 12;

металлическое кольцо 13;

экранирующий электрод 14;

изолятор 15;

S₂ - ширина щели;

l₁ - расстояние между торцами частей нижней части верхнего наконечника;

d - расстояние между полюсными наконечниками; катушка фокусирующая 16;

сильфонный привод 17.

Пример

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.

Объектив работает следующим образом.

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.

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.

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.

Магнитный объектив позволяет исследовать объекты с острийными частями, поскольку не возникает пробоя из-за экранирующего электрода.

Ионная бомбардировка в микроскопе с помощью предлагаемого объектива уменьшилась в 30 раз, что позволило получить более качественное изображение.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №241560, М. Кл. H01J 37/10

2. Патент RU №2002329 МПК Н01J 3/20 - прототип.

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. Технический результат - 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. 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. 1 ил.

Иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.