Устройство для позиционирования образца, исследуемого с помощью сканирующего микроскопа с целью получения трехмерного изображения Российский патент 2023 года по МПК G02B21/26 G12B5/00 H01J37/20 G01N1/28 G05G5/06 

Изобретение относится к области научного приборостроения, в частности к исследованию трехмерной структуры объектов, позволяющему получить изображения поверхности в сканирующем электронном/ионном микроскопе под различными углами для построения трехмерной структуры образца.

Известны конструкции держателей, приводящие во вращение образец электрическими микромоторами [см. Recent advances in FIB-TEM specimen preparation techniques Jian Li, T. Malis, S. Dionne//Materials Characterization 57 (2006), pp. 64-70, патент США № 7141914, МПК B25J7/00, G02B21/32, H01L41/09, H01L41/08, дата публикации 13.01.2005].

Недостатками данных технических решений являются:

- наличие дополнительных элементов в виде вакуумных электрических фланцев, которые усложняют конструкцию сканирующего микроскопа;

- перемещение предметного столика ограничено длиной электрических проводов, подключенных к микромоторам;

- необходимость использования специализированных блоков управления микромоторами;

- ограниченная область применения, поскольку конструктивные особенности устройства зависят от производителя электронного сканирующего микроскопа.

В качестве ближайшего аналога принято устройство для позиционирования образца, исследуемого с помощью сканирующего микроскопа [см. патент РФ № 102799, МПК G01N 1/28, H01J 37/20, дата публикации 10.03.2011], содержащее устанавливаемое на предметном столике сканирующего микроскопа основание, на котором размещен держатель, в котором съемно закреплен один конец стержня, а на другом конце жестко и соосно закреплен наконечник из вольфрамовой проволоки для установки образца, причем стержень закреплен над основанием, параллельно ему, с возможностью вращения относительно своей продольной оси.

В качестве недостатков ближайшего аналога можно указать следующие факторы:

- отсутствие возможности изменения положения образца в устройстве без открытия шлюза камеры сканирующего микроскопа и как следствие ухудшения вакуума обуславливает необходимость неоднократного перемещения устройства к указанному шлюзу и требование к расположению образца на стержне со стороны этого шлюза;

- низкая точность и повторяемость результатов исследований вследствие ручного вращения стержня и определения угла его поворота без измерительных приборов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение точности вращения стержня, расширение области применения за счет возможности проведения исследований, например, для объектов размером от 1 до 10 мм, без нарушения положения образца и вакуума в камере сканирующего микроскопа.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, условно можно разделить на две составляющие:

1) повышение объективности и повторяемости результатов исследований, ускорение процессов замены образцов и получения серии их изображений, которые обусловлены следующими факторами:

- возможность получения трехмерного изображения образца;

- возможность изменения положения образца в устройстве, установленном в камере сканирующего микроскопа, без открытия шлюза;

- автоматическое и точное вращение стержня;

- высокая повторяемость, а также легкость и удобство измерения угла поворота за счет известного углового шага зубчатого колеса;

2) расширение функциональных возможностей, причинами которого являются:

- отсутствие ограничений, касающихся расположения устройства и установленного в нем образца относительно шлюза камеры сканирующего микроскопа;

- модульная конструкция позволяет использовать устройство в сочетании с широким диапазоном моделей сканирующих микроскопов.

Поставленная задача решается тем, что устройство для позиционирования образца, исследуемого с помощью сканирующего микроскопа с целью получения трехмерного изображения, содержащее устанавливаемое на предметном столике сканирующего микроскопа основание, на котором размещен держатель, в котором съемно закреплен один конец стержня, а на другом конце жестко и соосно закреплен наконечник из вольфрамовой проволоки для установки образца, причем стержень закреплен над основанием, параллельно ему, с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, отличается тем, что на основании перпендикулярно его поверхности жестко закреплены параллельные поперечные стенки, в зазоре между которыми размещен храповой механизм, состоящий из зубчатого колеса с центральным сквозным отверстием и сопряженной с ним собачки, кроме того, устройство дополнительно содержит элемент с переменным центром тяжести в виде диска с полыми каналами, выполненными с возможностью перемещения по ним груза, причем диск размещен параллельно поперечным стенкам и снабжен центральным отверстием для съемного крепления на конце стержня, причем диск и зубчатое колесо последовательно, соосно, съемно и с возможностью совместного вращения установлены на стержне, пропущенном через соответствующие сквозные отверстия поперечных стенок и центральное сквозное отверстие зубчатого колеса, кроме того основание и поперечные стенки выполнены симметричными относительно центральной продольной плоскости устройства, в которой лежат центральная продольная ось стержня и центр масс устройства в случае горизонтальной ориентации основания.

Кроме того, поперечные стенки снабжены узлами съемного крепления собачки храпового механизма, расположенные симметрично относительно центральной продольной плоскости устройства.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «на основании перпендикулярно его поверхности жестко закреплены параллельные поперечные стенки» и «диск размещен параллельно поперечным стенкам» обеспечивают фиксацию положения и ориентации съемных элементов (диск с полыми каналами, зубчатое колесо и стержень) в устройстве.

Признак «в зазоре [между поперечными стенками] размещен храповой механизм, состоящий из зубчатого колеса с центральным сквозным отверстием и сопряженной с ним собачки» и признак зависимого пункта формулы позволяют задавать, измерять и фиксировать значения углов поворота стержня вокруг своей продольной оси.

Признак «устройство дополнительно содержит элемент с переменным центром тяжести в виде диска с полыми каналами, выполненными с возможностью перемещения по ним груза» обеспечивает вращение стержня вокруг своей продольной оси при смещении центра тяжести диска и как следствие центра масс устройства.

Признаки «диск, снабженный центральным отверстием для съемного крепления на конце стержня, и зубчатое колесо последовательно, соосно, съемно и с возможностью совместного вращения установлены на стержне, пропущенном через соответствующие сквозные отверстия поперечных стенок и центральное сквозное отверстие зубчатого колеса» описывают соединение съемных элементов друг с другом.

Признаки «основание и поперечные стенки выполнены симметричными относительно центральной продольной плоскости устройства, в которой лежат центральная продольная ось стержня и центр масс устройства в случае горизонтальной ориентации основания» обеспечивают высокую точность вращения стержня при неизменной точке отсчета.

На фиг.1 показан вид устройства сбоку.

На фиг.2 показан вид на устройство со стороны стержня.

На фиг.3 приведен пример устройства.

На чертежах показаны основание 1, стержень 2, его наконечник 3 из вольфрамовой проволоки и центральная продольная ось 4 стержня 2, параллельные поперечные стенки 5 и зазор 6 между ними, зубчатое колесо 7, собачка 8, диск 9, узлы 10 съемного крепления собачки 8.

На основании 1 перпендикулярно его поверхности жестко закреплены параллельные поперечные стенки 5, причем основание 1 и поперечные стенки 5 выполнены симметричными относительно центральной продольной плоскости устройства (на чертежах не показана), в которой лежит центр масс устройства в случае горизонтальной ориентации основания 1.

В зазоре 6 между поперечными стенками 5 размещен храповой механизм, состоящий из зубчатого колеса 7 с центральным сквозным отверстием (на чертежах не показано) и сопряженной с ним собачки 8, которая съемно закреплена в одном из узлов 10, расположенных симметрично относительно центральной продольной плоскости устройства.

Устройство дополнительно содержит диск 9, который снабжен полыми каналами, выполненными с возможностью перемещения по ним груза (на чертежах не показаны), размещен параллельно поперечным стенкам 5 и снабжен центральным отверстием (на чертежах не показано) для съемного крепления на конце стержня 2.

Диск 9 и зубчатое колесо 7 последовательно, соосно, съемно и с возможностью совместного вращения установлены на стержне 2, пропущенном через соответствующие сквозные отверстия (на чертежах не показаны) поперечных стенок 5 и центральное сквозное отверстие зубчатого колеса 7.

При этом один конец стержня 2 съемно закреплен в центральным отверстии диска 9, на другом конце жестко и соосно закреплен наконечник 3 из вольфрамовой проволоки для установки образца (на чертежах не показан), а центральная продольная ось 4 стержня 2 лежит в центральной продольной плоскости устройства, над основанием 1, параллельно ему.

Процесс подготовки устройства к работе состоит из нескольких этапов.

Определяют требуемое направление вращения стержня 2, после чего в соответствующем узле 10 съемно закрепляют собачку 8, а в зазоре 6 между поперечными стенками 5 с обеспечением сопряжения располагают соответствующее зубчатое колесо 7.

Чтобы изменить направление вращения стержня 2, необходимо симметрично относительно центральной продольной плоскости устройства изменить положение и ориентацию собачки 8 и сопряженного с ней зубчатого колеса 7.

Далее один конец стержня 2 съемно и с возможностью совместного вращения закрепляют в центральным отверстии диска 9, а наконечник 3 из вольфрамовой проволоки последовательно пропускают через сквозное отверстие ближайшей к диску 9 поперечной стенки 5, центральное сквозное отверстие зубчатого колеса 7, которое устанавливают на стержне 2 с возможностью совместного вращения, и сквозное отверстие дальней от диска 9 поперечной стенки 5, располагая стержень 2 над основанием 1, параллельно ему.

После сборки устройства образец объекта исследования закрепляют на наконечнике 3 из вольфрамовой проволоки.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Устройство с образцом помещают в шлюз сканирующего микроскопа.

В шлюзе создается вакуум, а устройство перемещают в камеру сканирующего микроскопа, причем основание 1 размещают горизонтально на предметном столике указанного микроскопа.

Далее производят наклон предметного столика сканирующего микроскопа относительно центральной продольной оси 4 стержня 2 в сторону узла 10 без собачки 8.

При наклоне предметного столика происходит движение груза в полых каналах диска 9. В результате за счет смещения центра тяжести диска 9 происходит его совместный поворот со стержнем 2 и зубчатым колесом 7, а угол поворота, кратный угловому шагу зубчатого колеса 7, и как следствие ориентация стержня 2 относительно основания 1 фиксируется с помощью собачки 8.

Далее предметный столик сканирующего микроскопа возвращают в исходное положение, ориентируя основание 1 горизонтально. При этом за счет храпового механизма стержень 2 и образец вращаются вместе с основанием 1, обеспечивая таким образом перевод поступательно-возвратного движения во вращательное.

Проводят исследование объекта сканирующим микроскопом, получая соответствующее изображение.

В случае, если стержень 2 не удалось повернуть на требуемый угол за один раз, повторяют процедуры наклона предметного столика сканирующего микроскопа с его последующим возвращением в исходное положение.

На фиг.3 изображено устройство, собранное авторами, со следующими характеристиками:

- размеры основания 42х50х60 мм;

- диаметр зубчатого колеса 20 мм;

- угловой шаг зубчатого колеса 5°;

- груз в диске выполнен в виде свинцовых шариков, общий объем которых составляет 10-15% от объема диска;

- механизм собачки расположен выше на 5 мм и на 20 мм в сторону от центральной продольной оси стержня;

- для поворота стержня на угол не менее 5° необходимо наклонить предметный столик сканирующего микроскопа на угол 30-45°.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к исследованию трехмерной структуры объектов, позволяющему получить изображения поверхности в сканирующем электронном/ионном микроскопе под различными углами для построения трехмерной структуры образца. Устройство для позиционирования содержит основание с держателем, в котором закреплен один конец стержня, а на другом конце закреплен наконечник из вольфрамовой проволоки для установки образца. На основании закреплены параллельные поперечные стенки, в зазоре между которыми размещен храповой механизм, состоящий из зубчатого колеса с отверстием и сопряженной с ним собачки. Устройство дополнительно содержит элемент с переменным центром тяжести в виде диска с полыми каналами, выполненными с возможностью перемещения по ним груза. Диск размещен параллельно поперечным стенкам и снабжен центральным отверстием для крепления на конце стержня, причем диск и зубчатое колесо последовательно, соосно, съемно и с возможностью совместного вращения установлены на стержне, пропущенном через соответствующие отверстия поперечных стенок и центральное сквозное отверстие зубчатого колеса. Технический результат - повышение объективности и повторяемости результатов исследований, ускорение процессов замены образцов и получения серии их изображений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для позиционирования образца, исследуемого с помощью сканирующего микроскопа с целью получения трехмерного изображения, содержащее устанавливаемое на предметном столике сканирующего микроскопа основание, на котором размещен держатель, в котором съемно закреплен один конец стержня, а на другом конце жестко и соосно закреплен наконечник из вольфрамовой проволоки для установки образца, причем стержень закреплен над основанием, параллельно ему, с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, отличающееся тем, что на основании перпендикулярно его поверхности жестко закреплены параллельные поперечные стенки, в зазоре между которыми размещен храповой механизм, состоящий из зубчатого колеса с центральным сквозным отверстием и сопряженной с ним собачки, кроме того, устройство дополнительно содержит элемент с переменным центром тяжести в виде диска с полыми каналами, выполненными с возможностью перемещения по ним груза, причем диск размещен параллельно поперечным стенкам и снабжен центральным отверстием для съемного крепления на конце стержня, причем диск и зубчатое колесо последовательно, соосно, съемно и с возможностью совместного вращения установлены на стержне, пропущенном через соответствующие сквозные отверстия поперечных стенок и центральное сквозное отверстие зубчатого колеса, кроме того основание и поперечные стенки выполнены симметричными относительно центральной продольной плоскости устройства, в которой лежат центральная продольная ось стержня и центр масс устройства в случае горизонтальной ориентации основания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечные стенки снабжены узлами съемного крепления собачки храпового механизма, расположенные симметрично относительно центральной продольной плоскости устройства.