Министерствообразования Российской Федерации
Новгородскийгосударственный университет имени Ярослава Мудрого
Физико-техническийфакультет
Кафедра «Общей иэкспериментальной физики»
К защите допустить:
Зав. кафедрой
______________B.B.Гаврушко
«____»_______________2002г.
УСТРОЙСТВО ИПРИНЦИП РАБОТЫ РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА
Выпускнаяквалификационная работа
по направлению510400 «Физика»
— академическаястепень бакалавр физики.
CОГЛАСОВАНО
Консультант
_________________
«___»_______2002г.
Руководитель
Панаэтов Владимир Павлович
«___»_______2002 г
Студент группы 8121
Прасолов Сергей Сергеевич
2002 г
Содержание
Переченьопределений, обозначений и сокращений
Введение
1Теоретическая часть
1.1История развитие растрового электронного микроскопа
1.2Устройство и работа растрового электронного микроскопа
1.3Устройство и работа составных частей микроскопа
1.3.1Общая компоновка микроскопа.
1.3.2Колонна
1.3.3Источник электронов
1.3.4Электронная линза
1.3.5Наконечник полюсный с катушками
1.3.6Камера объектов
1.3.7Состав электропитания
1.3.8Контрольно-измерительные приборы
1.3.9Прибор индикатора вакуума.
1.3.10Видеоконтрольное устройство
1.3.11Блок комбинированный
1.3.12Блок видеоконтрольного устройства ВК – 23
1.3.13Приспособление для фотографирования
2Экспериментальная часть
2.1Вакуумная система
2.2.1Вакуумный распределитель
2.2.2Высоковакуумная ловушка
2.2Форвакуумный насос
2.2.1Принцип действия
2.2.2Параметры и характеристики
2.3Диффузионный насос
2.4Термопарные манометры
2.5 Ионизационныеманометры
Заключение
Списоклитературы
ПриложениеА (обязательное) – схемы вакуумных насосов
ПриложениеБ (обязательное) – схемы датчиков вакуума
ПриложениеВ (обязательное) – схема расположения блоков в стенде
Перечень определений, обозначений и сокращений
ВКР – выпускная квалификационная работа;
РЭМН – растровый электронный микроскоп низковольтный;
Ǻ — ангстрем (10/>м)
ВКУ – видеоконтрольное устройство;
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель;
Введение
Целью выпускной квалификационной работы являлосьтеоретическое и практическое изучение состава и принципа работы основных блоковрастрового электронного микроскопа РЭМН – 2 У4.1.
Актуальность. Растровый электронный микроскоп являетсяуниверсальным прибором позволяющим исследовать и анализировать микроструктурныехарактеристики твёрдых тел. Другой важной чертой получаемых с помощьюрастрового электронного микроскопа изображений является их объёмность, обусловленнаябольшой глубиной фокуса прибора. Он позволяет также исследовать объекты приочень малых увеличениях, что особенно важно при исследовании физических свойствтвёрдых тел и в ряде других областей.
Задачами исследования являлись:
Теоретическое и практическое изучение состава и принципаработы основных блоков растрового электронного микроскопа РЭМН – 2 У4.1;
Получение вакуума;
Отладка работы отдельных блоков;
В основной части выпускной квалификационной работы описансостав и принцип работы основных блоков растрового электронного микроскопа РЭМН– 2 У4.1. Описан принцип работы микроскопа в целом, а так же блоков поотдельности.
В заключении описана экспериментальная часть выпускнойквалификационной работы, полученные результаты в процессе работы, и используемыеметоды их получения.
1 Теоретическая часть
1.1 История развитие растрового электронного микроскопа
Растровый электронный микроскоп является одним изнаиболее универсальных приборов для исследования и анализа микроструктурныххарактеристик твёрдых тел. Основной причиной широкого использования растровогоэлектронного микроскопа является высокое разрешение при исследовании массивныхобъектов, достигающее в серийных приборах 10 нм (100Ǻ). На лучшихлабораторных приборах реализовано разрешение 2,5 нм (25Ǻ). На рисунке 1.1приводится микрофотография, демонстрирующая высокое разрешение. Она былаполучена на серийном растровом электронном микроскопе при обычных условияхработы.
Другой важной чертой получаемых с помощью растровогоэлектронного микроскопа изображений является их объёмность, обусловленнаябольшой глубиной фокуса прибора.
На рисунке 1.2а показано изображение скелета небольшогоморского животного (радиолярии), полученное на оптическом микроскопе, а на рисунке1.2б — изображение этого же объекта, полученное с помощью растровогоэлектронного микроскопа. Большая глубина фокуса этого микроскопа даётвозможность получить более полную информацию об образце. Действительно, из анализалитературы видно, что именно эта особенность является самой ценной дляисследователей, использующих растровый электронный микроскоп. Большинстворастровых электронных микрофотографий получено при увеличениях, не превышающих8000×, т.е. при таких увеличениях, когда возможности растровогоэлектронного микроскопа в смысле высокого разрешения не проявляются. Растровыйэлектронный микроскоп позволяет также исследовать объекты при очень малыхувеличениях, что особенно важно в криминалистике и ряде других областей.
/>
Рисунок 1.1 — Микрофотография с большим увеличениемматериала 100 (НБС, США), содержащего дендриты Al-W, получена на серийномрастровом электронном микроскопе при обычных условиях работы
/>
Рисунок 1.2а — Микрофотография радиолярии, полученная воптическом микроскопе./> />
Рисунок 1.2б — Микрофотография той же радиолярии, что и на рисунок 2а, нополученная с помощью растрового электронного микроскопа. Изображение отличаетсябольшой глубиной фокуса и высоким разрешением.
Основными частями растрового электронного микроскопаявляются система линз, электронная пушка, коллектор электронов.Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) для наблюдения и съёмки и связанная с нимисистема электроники (рисунок 1.3).
Первая удачная промышленная установка, которая включалавсе эти части, появилась в 1965г.- прибор марки I фирмы Cambridge ScientificInstruments. Принимая во внимание современную популярность растровойэлектронной микроскопии, кажется невероятным такой быстрый прогресс- прошловсего лишь 23 года после того, как были опубликованы основы современнойрастровой электронной микроскопии. Цель этого краткого исторического обзоразаключалась в том, чтобы отметить первых исследователей, занимавшихся растровойэлектронной микроскопией, и проследить процесс развития прибора.
Первый РЭМ, использовавшийся для исследования толстыхобразцов, описан Зворыкиным и др. в 1942г. Авторы этой работы выявили, чтовторичная электронная эмиссия несёт информацию о топографии, и в соответствии сэтим сконструировали прибор, блок-схема которого показана на рисунке 1.4.
/>
Рисунок 1.3 — Схема электронной и рентгеновский оптикикомбинированного прибора РЭМ—РМА. 1 — катод: 2 — модулятор; 3 — анод: 4 —ограничивающая диафрагма; 5 — первая конденсорная линза; 6 — втораяконденсорная линза; 7 — катушка двойного отклонения; 8 — стигматор; 9 —конечная (объективная) линза; 10 — диафрагма, ограничивающая размер пучка; 11 —детектор рентгеновского излучения (кристалл-дифракционный или с дисперсией поэнергии); 12 — усилитель фотоумножителя, 13 — генераторы развертки; 14 —образец; 15 — детектор вторичных электронов; 16 — к катушке двойногоотклонения; 17—управление увеличением; 18—ЭЛТ./> />
Коллектор находился под положительным потенциалом +50 В относительно образца.Ток собранных им вторичных электронов создавал падение напряжения насопротивлении, и это напряжение, проходя через обычное телевизионноеустройство, создавало изображение. Достигнутое разрешение, однако, составляловсего 1 мкм. Такой результат был расценен как явно неудовлетворительныйпоскольку предполагалось получить разрешение лучше, чем у оптическогомикроскопа (2000 Ǻ).
Рисунок 1.4 — Блок-схема РЭМ, разработанного в 1942 г.
В связи с этим Зворыкин и др. решили создать болеесовершенный прибор путём уменьшения размера пятна и улучшения отношения сигналак шуму. Они учли все возможные вклады в соотношении между аберрациями линз,яркостью пушки и размером пятна и получили правильное выражение дляминимального размера пятна как функции тока пучка. Далее они пытались повыситьяркость пушки за счёт использования источника с автоэмиссией. Однаконестабильность работы таких источников с холодным катодом заставила ихвернуться к термоэлектронному источнику. Тем не менее уже в 1942г. остриё савтоэмиссией использовалось для создания изображений с большим увеличением ивысоким разрешением. Следующим шагом явилось использование электронногоумножителя в качестве предусилителя тока вторичных электронов с образца. Вварианте Зворыкина и др. вторичные электроны бомбардировали флуоресцирующийэкран спереди электронного умножителя. Результирующий фототок соответствующимобразом усиливался и использовался для формирования изображения, котороенаблюдалось на экране электронно-лучевой трубки. Путём специального подбораполучали совпадение областей максимальной чувствительности фосфорногосцинтиллятора и фотокатода умножителя. В результате были полученымикрофотографии вполне хорошего качества, но с большим уровнем шума (посовременным стандартам). Окончательный вариант прибора включал триэлектростатические линзы и отклоняющие катушки, размещённые между второй итретьей линзами. Электронная пушка размещалась внизу, таким образом, камераобразцов находилась на достаточно удобной для оператора высоте. С этим первыммодернизированным растровым электронным микроскопе было продемонстрированоразрешение по крайней мере 500Ǻ. Вторая мировая война приостановила этиисследования. Зворыкин и др. не смогли окончательно доработать свой прибор.Фактически группа распалась и работа над этой проблемой в США была прекращенадо 1960г. В 1948г. в Кембриджском университете К. Оутли заинтересовалсяконструированием электронных микроскопов. Вместе с Мак-Маллэном он создал вКембридже первый РЭМ. Разрешение этого прибора к 1952г. достигло 500Ǻ. ЗаМак-Маллэном последовал Смит, который обнаружил, что качество микрофотографииможет быть улучшено за счёт обработки сигналов. С этой целью он ввёл нелинейноеусиление сигнала (γ-обработка). Электростатические линзы он заменил наэлектромагнитные и улучшил систему сканирования за счёт введения двойногоотклонения. Смит первым ввёл стигматор в РЭМ.
Следующим шагом вперёд было усовершенствование детектора,описанного Зворыкиным и др. Эверхарт и Торнли непосредственно соединилисветоводом сцинтиллятор с торцом фотоумножителя. Это усовершенствование привелок повышению сигнала и улучшению отношения сигнал/шум, что в свою очередь даловозможность лучше исследовать механизмы формирования слабого контраста.
Под руководством Никсона Пиз создал систему с тремямагнитными линзами, пушкой в нижней части прибора и детекторной системойЭверхарта-Торнли, известную как РЭМ V. Этот прибор был прототипом прибора маркиI фирмы Cambridge Scientific Instruments и во многом был подобен прибору 1942г.Естественно, что РЭМ V включал все вышеуказанные усовершенствования, которыебыли введены после 1952г.
Промышленный прибор был сконструирован Стьюартом ссотрудниками в Cambridge Scientific Instruments Co. В последующем десятилетиисвыше 1000 растровых электронных микроскопов были проданы рядомфирм-производителей США, Великобритании, Франции, Голландии, Японии и ФРГ,которые активно занимаются разработкой новых модернизированных приборов. Однакодаже сейчас РЭМ в своей основе ненамного отличается от описанного в 1942г.
Начиная с 1965г. в конструкцию растрового электронногомикроскопа было введено много новшеств. Одним из них был разработанный Броэрсомисточник электронов с катодом из гексаборида лантана — LaB/>. Электронная пушка стаким катодом обладает высокой яркостью, в результате чего стало возможнымсконцентрировать больший электронный ток в меньшем по сечению пучке. Это можетпривести к эффективному улучшению разрешения. Источник электронов савтоэмиссионным остриём, который использовался впервые в растровом электронноммикроскопе в 1942г., был доработан Крю, и его стало возможным использовать дляполучения изображений с высоким разрешением. Автоэмиссионная пушка превосходнадля получения высоких разрешений из-за её очень высокой яркости и чрезвычайномалых размеров источника. Вследствие этого даже при очень малых токах пучка,порядка10/>Åможно получить очень большую плотность тока, достигающую несколько тысяч амперна квадратный сантиметр. Автоэмиссионные источники имеют два потенциальныхнедостатка, один из которых — быстрое ухудшение разрешения при работе с токами,превышающими несколько наноампер, и другой связан с тем, что источник не стольстабилен, как требуется. Из-за последнего для получения качественногоизображения с такими источниками почти всегда необходимо работать с быстройразвёрткой.
Другие усовершенствования связаны с механизмамиконтраста, которые нелегко реализовать в приборах других типов. Так,кристаллографический контраст, формирующийся за счёт ориентации кристалла ивзаимодействия его решётки с первичным пучком, был обнаружен Коутсом ипервоначально разработан сотрудниками Оксфордского университета. Магнитныйконтраст в некоторых некубических материалах наблюдался одновременно, нонезависимо Бэнбери и Джоем. Магнитный контраст в кубических материалах впервыенаблюдался Филибером и Тиксье, а механизм контраста был объяснён позже Фазерсоми др.
Часто контраст наблюдаемых деталей настольконезначителен, что оказывается незаметным для глаза, в связи с чем становилосьнеобходимым усиление контраста за счёт обработки сигнала. Вначале обработкасигнала включала нелинейное усиление сигнала и дифференциальное усиление(подавление уровня чёрного), как это было сделано в растровом электронноммикроскопе в Кембриджском университете. Использование при обработке производнойсигнала (дифференцирования) для подчёркивания мелких деталей было введенопозже. Большинство серийных растровых электронных микроскопов, которыевыпускаются в настоящее время, обладают всеми этими возможностями обработкисигнала.
Обработка изображения может проводиться либо ваналоговой, либо в цифровой форме. Были разработаны системы для запоминанияизображений; таким образом, можно наблюдать изображение и работать с ним,включив пучок. Такие устройства чрезвычайно полезны, стоимость их не слишкомвысока, но они не могут обеспечить такую универсальную обработку, как полнаяобработка изображения с помощью малой ЭВМ. Уайт с сотрудниками разработал сериюпрограмм для обработки изображений с помощью малой ЭВМ, которые называютсяCESEMI и с помощью которых можно получать большое количество информации, такой, как размер зёрен, количество присутствующих фаз и т.д. Для использования всехвозможностей этих программ требуется сканирование по точкам, при которомкоординаты точек изображения и интенсивность сигнала в точке подаются на ЭВМ.Фактически ЭВМ находится во взаимодействии с растровым электронным микроскопоми управляет его работой.
Большая глубина фокуса, присущая растровому электронномумикроскопу, позволяет осуществлять стереонаблюдение трёхмерных объектов. Разработаныприспособления, которые используют эту особенность прибора и позволяют получитьколичественные характеристики топографии поверхности. Описаны также устройствадля прямого стереонаблюдения образцов в растровом электронном микроскопе.
Добавление детектора рентгеновского излучения сдисперсией по энергии к рентгеновскому микроанализатору послужило сигналом квозможному сопряжению таких приставок с растровым электронным микроскопом.Сейчас большинство растровых электронных микроскопов оснащено устройствами длярентгеновского анализа. Таким образом, зачастую быстро и эффективно может бытьполучена информация о топографии, кристаллографии и составе исследуемогообразца.
1.2 Устройство и работа растрового электронногомикроскопа
В основе работы микроскопа лежит принцип сканирования исследуемойповерхности тонким электронным зондом.
В результате взаимодействия зонда с веществом образуются разныетоки, которые улавливаются соответствующими приёмниками и преобразуются в видеосигнал.Полученный видеосигнал поступаёт на телевизионный тракт, где он усиливается, преобразуетсяв телевизионный сигнал с последующим воспроизведением изображением на экране кинескопавидеоконтрольного устройства .
Тонкий электронный зонд на поверхности исследуемого образцаформируется электронной оптической системой микроскопа (рисунок 1.5), которая включаетв себя:
а) источник электронов – электронная пушка;
б) две формирующие электромагнитные линзы – конденсор иобъектив;
в) стигматор;
г) отклоняющая система.
Трехэлектродная электронная пушка состоит из «V»образного катода прямого накала, управляющего электрода и анода. Анод пушки заземлен,а к катоду приложено ускоряющее напряжение отрицательной полярности. На управляющийэлектрод, подается отрицательное (относительно катода) напряжение смещения, котороепозволяет регулировать ток пучка, выходящего из пушки, Напряжение смещения образуетсяв результате протекания тока эмиссии катода по сопротивлению смещения. Известнодва режима работы пушки: режим насыщения и режим пространственного заряда.
а) В режиме насыщения эмитированного с катода электроны непосредственноиспользуются для формирования пучка. В этом режиме пучок имеет структуру, определяемуюнеоднородностями эмиссии с катода. Эти неоднородности видны на контрольном экранев виде расходящихся полос. Вызываются они структурой вольфрамовой проволоки, образовавшейсяв процессе изготовления. Режим насыщения образуется при недостаточной эмиссии катода(т.е. при недостаточном токе накала) и малом (по абсолютной величине) напряжениисмещения. Этому может также способствовать слишком большая длина катода, в результатечего его вершина входит внутрь отверстия управляющего электрода.
б) В режиме пространственного заряда перед катодом образуетсяэлектронное облачко пространственного заряда, которое и является непосредственнымисточником. В облаке происходит усреднение электронов, эмитированных различнымиучастками катода, поэтому электронный пучок не несет на себе следов структуры самогокатода.
Рабочим режимом пушки является режим пространственного заряда.Переход от режима насыщения к режиму пространственного заряда осуществляется путемувеличения тока накала или увеличением (по абсолютной величине) напряжения отрицательногосмещения. Ток накала должен устанавливаться таким, чтобы дальнейшее его увеличениене вызывало повышение яркости пятна на экране. С течением времени происходит испарениематериала катода, его диаметр уменьшается и для поддержания неизменной температурыкатода следует несколько снижать ток накала по сравнению с первоначальным. Это способствуетувеличению срока службы катода. В рабочем режиме распределение температуры по длинекатода сказывается резко неравномерным. Концы катода охлаждаются держателями, ана вершине катода происходит некоторое снижение температуры за счет отбора эмитированныхэлектронов. Поэтому наиболее высокая температура образуется на боковых участкахкатода, на расстоянии, примерно, 1/3 от его вершины. В этих местах охлаждающее действиедержателей не сказывается, а ток эмиссии не отбирается.
Здесь в результате наиболее интенсивного термического испаренияи происходит, как правило, перегорание катода. Если перегорание катода происходитна вершине, это свидетельствует обычно о неправильном режиме работы пушки или чащевсего плохом вакууме в колоне микроскопа. В условиях плохого вакуума происходитинтенсивное разрушение вершины катода положительными ионами остаточного газа.
При работе пушки с небольшим (по абсолютной величине) напряжениемсмещения удается получить более интенсивный электронный пучок и, следовательно,более контрастное изображение. Но при этом получения режима пространственного зарядаприходится сильнее накаливать катод, что приводит к сокращению срока его службы.Поэтому, когда это возможно, особенно при работе микроскопа с небольшими увеличениямицелесообразно увеличивать напряжение смещения и снижать ток накала, что поможетувеличить срок службы катода.
Если ток накала или напряжение смещения становятся недостаточными,катод приобретает собственную структуру с несколькими максимумами интенсивности,а изображение исследуемого объекта на экране кинескопа становится многоконтурнымили размазанным.
Электронный пучок выходящий из пушки, имеет форму слаборасходящегося конуса, вершина которого, кроссовер, лежит между анодом и управляющимэлектродом. Кроссовер, отображается с уменьшением в плоскости исследуемого образцапосредством двух линзовой оптической системы.
Первая линза – конденсор даёт промежуточное уменьшенное изображениекроссовера, которое затем перебрасывается в плоскость образца второй линзой –объективом.
Перед зазором конденсора и после него установлены 2ограничивающие диафрагмы, которые предотвращают попадание пучка на стенки внутреннихканалов полюсных наконечников и отклоняющей системы.
Между конденсором и объективом установлена отклоняющая системаи стигматор, намотанные на общем каркасе.
Стигматор предназначен для исправления астигматизма объективнойлинзы, который вызывается неоднородностью материала линзы, неточностями изготовленияили загрязнения, возникшими в процессе работы. Эти причины обуславливают искаженияформы пятна на образце, (вместо круглого, оно становится эллиптическим), что приводитк размазыванию деталей изображения в определенном направлении.
При изменении тока объектива вблизи положения точной фокусировки(перефокусировка – недофокусировка) происходит поворот эллипса на 90°, соответствующий поворот направленияразмытия деталей на изображении.
Коррекция астигматизма объектива производится путем предварительногоискажения формы пучка; входящую в объективную линзу. Для этого служат катушки электромагнитногостигматора. Стигматор состоит из 8 катушек, разделенных на две электрические независимыесекции. Каждая секция состоит из соединенных последовательно четырех катушек, намотанныхна общем каркасе. Катушки включены таким образом, что поля противоположных катушекнаправлены навстречу друг другу (рисунок 1.6).
Результирующее поле подобной конфигурации вызывает сжатиеэлектронного пучка в одном направлении и растягивание его в одном направлении ирастягивание в противоположном, при изменении направлении тока в одной из секцийкатушек на противоположное происходит поворот эллипса на 90°. Оси катушек одной секции стигматорасдвинуты относительно другой на 45°, что позволяет путем независимого изменения величины и направлениятоков в секциях регулировать величину и направление вносимой эллиптичности пучкаперед объективом.
На общем каркасе со стигматором ближе к зазору объектива намотанаотклоняющая система развертки, состоящая из строчных и кадровых отклоняющих катушек,оси которых взаимно перпендкулярны.
Объективная линза отображает промежуточное изображение источникана образце. При регулировки тока объектива производится фокусировка пятна на образце,следовательно, и фокусировка изображения. В зазоре объектива установлена юстируемаяапертурная диафрагма, которая определяет апертуру электронного пучка на образце.При уменьшении диаметра этой диафрагмы апертура уменьшается; вместе с тем снижаютсяи аберрации объектива, которые пропорциональны апертуре пучка.
Уменьшение апертуры вызывает также увеличение глубины резкостиизображения, но при уменьшении диаметра диафрагмы происходит также снижение токазонда на образце и понижение контраста изображения. Поэтому диаметр апертурной диафрагмывыбирается обычно в пределах 0,5 – 1,0 мм в зависимости от конкретных условий работы.
Разрешающая способность растрового микроскопа определяетсяв основном диаметром зонда на образце. При этом предполагается, что ток пучка ещедостаточен для формирования видеосигнала. Диаметр зонда на образце складываетсяиз уменьшенного линзами диаметра источника и кружков размытия, вызванных аберрациямиоптики. В растровых микроскопах среднего разрешения наиболее существенной являетсясферическая аберрация объективной линзы, пропорциональная кубу апертуры пучка наобразце. Существенно снизить сферическую аберрацию можно путём значительного уменьшениякоэффициента сферической аберрации, что происходит при помещении исследуемого образцав пределы немагнитного зазора объективной линзы. Возможность помещения образца внемагнитный зазор объектива является отличительной особенностью микроскопа.
Наиболее высокое разрешение наблюдается в том случае, когдаобразец помещается вблизи середины немагнитного зазора объектива. К сожалению, вэтом случае происходит некоторое снижение глубины резкости, поэтому положение образцаприходится подбирать в зависимости от конкретных условий работы и вида образцов
Диаметр канала полюсных наконечников объектива выбрандостаточно большим (30 мм) для того, чтобы большинство практически встречающихсяобразцов можно было вводить в пределы немагнитного зазора.
Объектив, в котором образец может помещаться в область сильногомагнитного поля, называется объективом высокого возбуждения или магнитным иммерсионнымобъективом.
При помещении образца в магнитное поле отбор вторичных электроновс него на коллектор становится невозможным. Поэтому установка образца в зазор возможнатолько в режиме поглощения электронов.
Для работы в режиме вторичных электронов в объектив вставляетсяполюсный наконечник с малым диаметром канала.
С развертывающего устройства ВКУ отклоняющие токи пилообразнойформы поступают на кадровые и строчные катушки отклоняющей системы, разворачиваяэлектронный зонд в телевизионный растр на поверхности образца.
Для образования идеального растра на поверхности объекта иэкране кинескопа необходимо, чтобы:
а) движение луча вдоль каждой строки происходило с постояннойскоростью;
б) расстояние между строками были одинаковыми;
в) все строки по длине были равны между собой.
Кроме того, необходимо, чтобы совпадали моменты начала и концастрок растров на объекте и приемной трубке (кинескопе). Требования постоянства скоростидвижения луча и сохранения одинаковых расстояний между сроками диктуется тем, чтотолько в этом случае четкость изображения и яркость свечения экрана будут постоянныпо всему полю. Требования равенства длины всех строк обуславливается тем, что растрдолжен иметь прямоугольную форму.
В точке встречи электронного зонда с исследуемым образцомвозникают вторичные, отраженные, поглощенные и прошедшие насквозь электроны (приисследовании тонких пленок прозрачных для электронов). Любой из этих токов можнособрать на коллектор и использовать в качестве полезного видеосигнала. Сигнал сколлектора поступает в телевизионный видеоусилительный тракт, где производится егоусиление, коррекция и введение в видеоусилитель различных импульсных сигналов. Сформированныйтелевизионный сигнал модулирует приёмной электронно-лучевой трубки (кинескопа) пояркости и на экране воспроизводится увеличенное изображение поверхности исследуемогообъекта.
Увеличение изображения равно отношению размеров растров наэкране кинескопа и поверхности исследуемого объекта.
Наиболее простым режимом работы растрового микроскопа являетсяполучение видеосигнала в поглощенных электронах. Предельное разрешение для этогорежима 0,5 мкм. Для достижения предельного разрешения образец помещается в серединумагнитного поля объектива. При этом диаметр зонда на образце достигает минимума.Так как снятие видеосигнала происходит непосредственно с образца, то образец подключаетсяк входу высокочувствительного видиоусилителя. Поэтому образец должен быть хорошоизолирован, экранирован и иметь минимальную емкость относительно корпуса. Крометого, на образец подается постоянный потенциал отрицательной полярности для улучшенияотбора с образца вторичных электронов. Образование видеосигнала происходит следующимобразом:
При взаимодействии первичного пучка /> (рисунок 1.7) с образцомвозникает вторичный эмиссионный ток /> — />, образуя напряжение видеосигнала.Сопротивление нагрузки выбирается порядка 50/>100 кОм. Отсюда понятны требованияминимальной ёмкости образца относительно корпуса, ибо эта ёмкость шунтирует сопротивлениенагрузки. При снятии сигнала с образца в образовании сигнала участвует все уходящиес образца вторичные электроны независимо от направления их начальных скоростей.Постоянный потенциал на образце подбирается в зависимости от материала исследуемогообразца и его положение относительно поверхности наконечника объектива. Наилучшееразрешение достигается при симметричном расположении образца относительно поверхностинаконечника объектива. Как уже говорилось выше, для достижения предельного разрешенияобъект необходимо помещать в магнитное поле объективной линзы, при этом объективныйотрезок становится очень малым (при этом минимальным становится коэффициент сферическойаберрации), а апертурной угол пучка на объективе сравнительно большим. Поэтому глубинарезкости изображения на приборе в режиме поглощенных электронов получается небольшойи лежит в пределах 1/>3 мкм.
Вторым режимом работы микроскопа является получение изображенияза счет вторичных – эмиссионного тока с образца.
Предельное разрешение для этого режима 0,6 мкм.
В канал объективной линзы необходимо внести полюсный наконечникс отверстием в канале 4 мм.
Вторичные электроны, имеющие энергию 0/>50 эВ, выходят из приповерхностныхатомных слоев и поэтому несут богатую информацию, о состоянии поверхности объекта.
При развертки электронного зонда по поверхности образца, причинойизменения величины сигнала от точки к точке может быть изменение угла />между падающим электроннымлучом и перпендикуляром к поверхности образца в точке падения электронноголуча.
i = k·secθ
При изменении угла θ от точки к точке, меняется расстояниевыхода вторичных электронов до поверхности, а, следовательно, и количество вышедшихэлектронов.
Процесс формирования изображения в растровом электронном микроскопе(особенно в режиме вторичных электронов) во многом аналогичен формированию изображенияпри наблюдении объектов простым глазом в световой микроскоп. В растровом микроскопеисследуемый образец облучается пучком с малой апертурой, а сигнал отбирается в широкомугле (коллектор обладает слабой направленностью). При визуальном наблюдении объектобычно освещается в широком угле (рассеянное освещение), а наблюдение производитсяв пределах малой апертуры (глаз). Подобная аналогия обуславливает сходство изображенийпри визуальном наблюдении и при наблюдении в растровый микроскоп, а также облегчаетинтерпретацию изображения в растровом микроскопе.
Получение видеосигнала в режиме вторичных электронов происходитследующим образом.
При взаимодействии первичного пучка /> (рисунок 1.8) с образцомвозникает вторичная эмиссия, ток />. Образец при этом находится нулевымпотенциалом. Вторичные электроны с поверхности образца отбираются и регистрируютсясцинтилляционным коллектором. Сцинтилляционный коллектор включает в себя:
а) вытягивающий электрод;
б) ускоряющий электрод;
в) сцинтиллятор;
г) светопровод;
д) фотоэлектронный умножитель ФЭУ – 68.
Вытягивающий электрод предоставляет собой сетку с шагом порядка2 мм и помещается в камере образцов на некотором расстоянии от оси пучка. На негоподаётся положительный потенциал порядка 350 вольт. Отобранные вторичные электроны,пройдя сетку, попадают в поле действия ускоряющего электрода, где они разгоняютсядо скоростей порядка 10 кэВ и, попадая на сцинтиллятор, вызывают его свечение. Посветопроводу свет поступает на ФЭУ, с выхода которого сигнал подаётся на усилитель.Полярность видеосигнала при снятии сигнала с образца и её сцинтилляционного коллекторапротивоположны, так как вторично-эмиссионный ток /> и разностный ток /> в этих случаях противоположныпо величине.
1.3 Устройство и работа составных частей микроскопа
1.3.1 Общая компоновка микроскопа
Микроскоп растровый электронный низковольтный РЭМН –2У4.1 представляет собой моноблочную конструкцию, которая объединяет:
1. Колонну;
2. Вакуумную систему;
3. Электропитающее устройство;
4. Видеоконтрольное устройство (ВКУ);
5. Стенд.
1.3.2 Колонна (рисунок 1.9)
Колонна РЭМН – 2 представляет собой электронно-оптическуюсистему, предназначенную для формирования на поверхности исследуемого объекта электронногозонда, от диаметра которого зависит разрешаемое расстояние микроскопа.
Колонна микроскопа состоит из:
источника электронов (11);
вакуумопровада (4), (8);
анодного узла (15,17,18);
линзы электронной (19);
камеры образцов (3).
Вакуумная герметичность соединений корпусов обеспечиваетсярезиновыми уплотнителями (5,12,14).
Источник электронов (11) может перемещаться по отношениюк аноду (15) в горизонтальной плоскости в пределах />1,5 мм при помощи винтов без нарушениявакуума в колоне.
Расстояние между анодом и управляющим электродом регулируетсяв пределах 0,5/>3 мм перемещением анода (15) по осиZ в разгерметизированной колонне при помощи резьбового соединения гайки (18) и анода(15).
В анодный узел входит люминесцентный экран (17) с отверстиемдиаметром 2 мм, выполняющим роль ограничивающей диафрагмы
Экран (17) служит для визуального контроля через окно (13)юстировки источника электронов.
Вакуумопровод (4) и (8) служит для откачки внутреннего объёмаисточника электронов, и конструктивно он состоит из 2-х частей. Верхний (8) подсоединяетсяк источнику электронов, нижний (4) к камере (3).Герметичность вакуумных соединенийобеспечивается резиновыми уплотнителями (2,7,10) при помощи гайки (9) и винта (1).Вконструкцию верхнего вакуумопровода (8) входит: два сильфоны, распорный винт, гайку(6).
Силофоны и распорный винт между ними образуют вакуумный компенсатор.При наличии вакуума внутри объема колонны, силы атмосферы стремятся сжать нижнийсильфон, одновременно силы атмосферы сжимают также верхний сильфон. Ввиду того,что сильфоны связаны между собой распорным винтом равнодействующая сила оказываетсяравной нулю.
1.3.3 Источник электронов (рисунок 1.10)
Основной частью источника является катодный узел(5,6,7,8,9,10,11)
Катодный узел состоит из:
Управляющего электрода (8);
Катода (9);
Держателей катода (7);
Держателей управляющего электрода (6);
Катодом служит вольфрамовая нить ø 0,1 мм (9), привареннаяк держателям (7). Управляющий электрод (8) имеет возможность перемещаться относительнокатода.
1.3.4 Электронная линза
Конструктивно электронная линза (рисунок 1.11) выполнена ввиде блока линз с общим наружным магнитопроводом.
Конденсорная линза работает со вставным полюсным наконечником(S=2 мм, D=4 мм). Объективная линза снабжается вставным полюсным наконечником толькопри работе в режиме вторичных электронов.
При работе в режиме поглощенных электронов образец вводитсяв середину немагнитного зазора объектива, поэтому внутренний накал имеет большойдиаметр (S=12 мм, D=30 мм). Объективная линза снабжена стигматором (3).
Для развертки электронного зонда в телевизионный растр в каналеобъективной линзы установлена отклоняющая система (2). Конструктивно стигматор иотклоняющая система выполнены в виде цельного блочка, который крепится на вставномполюсном наконечнике конденсорной линзы.
В средней плоскости немагнитного зазора объективной линзыустановлена апертурная диафрагма, которая может меняться и юстироваться под пучкомбез нарушения вакуума в колонне с помощью наружного механизма. Конструктивно наборапертурных диафрагм выполнена одной тонкой пластинке (10).
Размеры диафрагм следующие: 0,2;0,3:0,4 мм.
1.3.5 Наконечник полюсный с катушками (рисунок 1.12)
Конструктивно полюсный наконечник конденсорной линзы соединенблочком стигматор (3) – отклоняющая система (2) с помощью резьбового соединения.В канале полюсного наконечник установлены две ограничивающие диафрагмы
Первая ограничивающая диафрагма (5) размером 0,5мм размещенасверху, вторая ограничивающая диафрагма (4) размером 0,8 мм размещена снизу.
В нижнем торце каркаса отклоняющей системы установлена 3-яограничивающая диафрагма (1) размером 0,5 мм.
Во внутреннем канале блочка стигматор – отклоняющая системаустановлен экран из материала с высоким удельным сопротивлением.
1.3.6 Камера объектов
Камера объектов (рисунок 1.13) состоит из следующих узлов:
— корпуса 12;
— столика для перемещения объекта (10);
— юстировочного устройства (19), (15);
— камеры шлюзования (14);
— сцинтилляционного коллектора (6,7,8,9);
— предварительного видеоусилителя (3).
Столик (10) предназначен для установки одного из объектодержателей(11) (рисунок 1.14,1.15) и перемещения его совместно с объектом. При помощи имеющихсямеханизмов объект может получить следующие движения:
перемещение вдоль осей X и Y на />5 мм при Z=0-40 мм, />мм при Z более 40 мм
подъём вдоль оси Z на 50 мм
наклон относительно оси Z на +24/>..0..-10/>.
Камера шлюзования включает в себя: шток для захватаобъекта и введение его в объектодержатель, заслонку для отсекания камерышлюзования от колонны прибора, клапан для включения камеры шлюзования вфорвакуумную линию.
Сцинтилляционный коллектор служит приёмником вторичных иотраженных электронов. Он установлен постоянно на левой стенке корпуса камеры вверхней части. Конструктивно он состоит из двух частей: вакуумной и невакуумной
В вакуумном объёме камеры находится: вытягивающийэлектрод (сетка) (9), ускоряющий электрод (6), сцинтиллятор (8) и светопровод(7).
Вне вакуума находится фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) сделителем питания, который конструктивно входит в видеоуситель предварительный(3).
Блок предварительного видеоусителя (рисунок 1.16)крепится слева на задней скошенной стенке камеры объектов. В конструкцию блокавходит фотоэлектронный умножитель ФЭУ – 68.
1.3.7 Состав электропитания
Электропитающее устройство включает:
— Щит распределительный
— Пульт управления
— Блок вакуумной блокировки
— Индикатор вакуума
— Блок питания пушки
— Стабилизатор (питания линз)
— Блок питания
— Стабилизатор (питания стигматоров)
— Стабилизатор напряжения С-0,5
Электропитающее устройство обеспечивает необходимые токии напряжения для питания всех узлов прибора от сети переменного трёхфазноготока с фазным напряжением 220 В (линейное напряжение 380 В) частотой 50 Гц.
Блоки электропитания в основном функционально независимы.Исключение составляют щит распределительный, пульт управления и блок вакуумнойблокировки, которые образуют каналы: Канал питания переменным напряжением 220В, канал. Передние панели выдвижных блоков в совокупности образуют лицевуюпанель прибора. Расположение блоков в стенде прибора приведено на рисунке 1.17.
1.3.8 Контрольно-измерительные приборы
Для контроля работы блоков электропитания, проведенияизмерений, а также для выявления неисправностей используются приборы:
миллиамперметр М4200, 500мА;
миллиамперметр М4200, 5мА;
миллиамперметр Ц4200, 300мА;
вольтметр М4200, 75В;
комбинированный прибор Ц4341
Миллиамперметр М4200, 500мА используется для измерениятока линз. Миллиамперметр 4200, 5мА используется для измерения тока нагрузкивысоковольтного выпрямителя стабилизатора ускоряющего напряжения. МиллиамперметрЦ4200,300мА используется для контроля тока накала катода источника электроновпутём измерения тока первичной обмотки трансформатора накала. ВольтметрМ4200,75В используется для контроля выходного напряжения источника напряжения±50В блока питания.
1.3.9 Прибор индикатора вакуума
В качестве измерителя используется микроамперметр М24-18,напряжение полного отклонения 8,2мв, внутреннее сопротивление не более 60 Ом,класс точности 2,5. Внутри прибора имеется добавочный резистор для увеличениянапряжения полного отклонения до 10мВ.
Прибор совместно со схемой позволяет контролировать токнакала ПМГ-2 и ток эмиссии ПМИ-2.
1.3.10 Видеоконтрольное устройство
Видеоконтрольное устройство (ВКУ) предназначено дляформирования и воспроизведения телевизионного изображения исследуемойповерхности на экране электроннолучевой трубки (кинескопа), ВКУ выполнено набазе прикладной телевизионной установки ПТУ–29 – 1 – 2 с контурными измерениямидля растрового микроскопа.
В состав ВКУ входят следующие узлы и блоки:
а) блок комбинированный;
б) блок видеконрольного устройства ВК – 23;
в) видеоусилитель предварительный;
г) блок регулировки усиления;
д) приспособлен для фотографирования.
1.3.11 Блок комбинированный
Блок комбинированный предназначен для усиления иформирования телевизионного сигнала. Он изготавливается на базе телевизионнойкамеры КТП – 39 от установки ПТУ 29 – 1 – 2 .
В состав блока входят следующие узлы:
а) видеоуситель УВ – 66;
б) синхрогенератор БГС – 20;
в) генератор строчной развертки ГР – 42;
г) генератор кадровой развертки ГР – 43;
д) блок фильтров БФ – 2;
е) трансформатор;
ж) узел автоматической регулировки режима АРР – 1.
Видеосигнал с предварительного видеоусилителя поступаетна видеоусилитель УВ – 66, где усиливается до величины 1/>1,5 в и формируется: внего замешиваются импульсы синхронизации разверток приёмного устройства иимпульсы гашения луча приёмной трубки.
Синхрогенератор БГС – 20 вырабатывает все необходимые длянормальной работы ВКУ сигналы синхронизации, гашения и импульсы привязки.
Формирование пилообразного тока в строчных и кадровыхотклоняющих катушках колонны осуществляется генераторами ГР – 42 и ГР – 43.Запуск этих генераторов производится синхроимпульсами, поступающими отсинхрогенератора.
1.3.12 Блок видеоконтрольного устройства ВК – 23
Видеоконтрольное устройство ВК – 23 предназначено длявоспроизведения телевизионного изображения поверхности исследуемого объекта наэкране электроннолучевой трубки (кинескопа).
В состав ВК –23 входит:
а) кинескоп 23ЛК13Б с отклоняющей системой;
б) генератор срочной развертки ГР – 39;
в) генератор кадровой развертки ГР – 38;
г) видеоусилитель УВ – 68;
д) блок питания БП – 48.
1.3.13 Приспособление для фотографирования
Приспособление для фотографирования (рисунок 1.18) (фотоприставка)предназначена для визуального наблюдения и фотографирования изображения сэкрана кинескопа .
Фотоприставка имеет форму усечённой пирамиды. Наплоскости меньшего сечения имеется круглое отверстие, через котороепроизводится фотографирование изображения.
Отверстие уплотняется светозащитным рукавом.
На плоскости меньшего сечения имеется кронштейн, накотором устанавливается фотоаппарат типа «Зенит-Е».
На боковых гранях пирамиды имеются два прямоугольных окнадля визуального наблюдения изображения на экране кинескопа.
2. Экспериментальная часть
2.1 Вакуумная система
Вакуумная система предназначена для получения иподдержания в процессе работы рабочего давления 6,66·10/>Па (5·10/>мм рт.ст.) в колонне микроскопа.
Время откачки герметичной колонны от атмосферногодавления до рабочего давления 1,33·10/>Па (1·10/>мм рт.ст.) не превышает 5 мин.
Кроме того, вакуумная система позволяет шлюзовать объекти работать с колонной с выключенным форвакуумным насосом в течение 20 мин.
Вакуумная система (рисунок 2.1) состоит из следующихосновных узлов: вакуумного распределителя (1), диффузионного паромасляногонасоса В-1С-2(3), высоковакуумной ловушки (2), форбаллона и вакуумо-проводов,которые на рисунке не указаны.
2.1.1 Вакуумный распределитель
Распределитель служит для коммутации магистралейпредварительного и высокого вакуума. Распределитель показан на рисунке 2.2. Вкорпусе 13 размещены:
— канал1, служащий для откачки рабочего объёма напредварительный вакуум;
— каналы 21и29-для откачки форбаллона форвакуумнымнасосом;
— канал9- для напуска воздуха в колонну;
— канал 34- для откачки колонны дифнасосом.
Распределительный диск 24 с расположенными в нёмотверстиями служит для коммутации рабочего объёма и буферного баллона смеханическим насосом, а также для напуска воздуха в колонну.
2.1.2 Высоковакуумная ловушка
Высоковакуумная ловушка (рисунок 2.3) служит дляулавливания паров масел и устанавливается между вакуумным распределителем идифнасосом. Она состоит из двух частей; ловушки водяной и ловушки азотной.
2.2 Форвакуумный насос
2.2.1 Принцип действия
Первым насосом такого типа был созданный в 1912 г.пластинчато-роторньтй насос, схема которого показана на рисунке 2.4. Вцилиндрической камере 1 насоса вращается в направлении, указав стрелкой,эксцентрично расположенный ротор 2, в прорези которого свободно вставленыпластины З с пружиной 4. При вращении ротора пластины скользят по внутреннейповерхности цилиндра, и в камере насоса образуются две полости переменногообъема: I (полость всасывания) и II (полость сжатия). Полость всасывания I привращении ротора увеличивает свой объем, и в нее по ступает газ из впускногопатрубка 5, связанного с откачиваемым объемом. Объем полости сжатия II,расположенный на выпускной стороне, уменьшается при вращении ротора, и в нейпроисходит сжатиё газа. Эта полость соединена с клапаном 6. Когда давление газав полости II станет достаточным для открытия клапана, произойдет выхлоп.Выхлопной клапан находится под уровнем масла, что препятствует попаданиюатмосферного воздуха в насос. В процессе работы зазоры в роторном механизмеуплотняются рабочей жидкостью насоса — маслом, благодаря чему обратноеперетекание газа с выхода на вход становится ничтожно малым. Масло заполняет итак называемые вредные пространства, из которых газ вытесняется при работе роторногомеханизма (например, объем под клапаном), и исключает их влияние, ведущее кповышению остаточного давления. Одновременно масло обеспечивает смазку ичастичное охлаждение механизма насоса. Масло поступает в камеру насоса череззазоры и сверления в корпусе из маслорезервуара, где оно находится податмосферным давлением, а через выхлопной клапан вновь возвращается вмаслорезервуар./> />
Рисунок 2.4 — схема пластинчато-роторного насоса
2.2.2 Параметры и характеристики
Остаточное давление и некоторые другие параметрымеханических насосов с масляным уплотнением в значительной мере определяютсясвойствами рабочей жидкости (залитого в насос масла). Как газы, так иконденсирующиеся пары, создающие обратный поток, попадают на вход насоса изциркулирующего в нем масла. Перед поступлением в камеру насоса масло некотороевремя находится в маслорезервуаре, где подвергается воздействию атмосферноговоздуха и поглощает газы. При поступлении масла в рабочую камеру поглощенныеранее газы выделяются из пленки масла и поступают на вход насоса.
У одноступенчатых насосов с масляным уплотнением давлениеостаточных газов составляет обычно (2,7—6,6)×10/>Па [(2 — 5)·10/>мм рт. ст.], а полноеостаточное давление (2—6,6) Па [(1,5 – 5)·10/>мм рт. ст.1.
У насосов с масляным уплотнением давление остаточныхгазов в основном определяется качеством изготовления.
Остаточное давление насосов измеряют с помощью манометра,присоединенного к заглушке (или к камере небольшого объема) на впускномпатрубке насоса. При измерении давления остаточных газов манометр обычнозащищают ловушкой, охлаждаемой жидким азотом.
Полное остаточное давление насоса зависит от состава(наличия летучих фракций) и состояния (в первую очередь — от температуры)рабочей жидкости. При повышении температуры масла наблюдается повышение какполного остаточного давления насоса, так и давления остаточных газов.
После запуска холодного насоса установившаяся температурамасла (50—70° С) достигается через 2—З ч в зависимости от размеров насоса.
Быстрота действия S/>насосов с масляным уплотнениемопределяется их конструкцией. Различают геометрическую быстроту действия S/>и истиннуюбыстроту действия S/>или просто быстроту действиянасоса.
Геометрическая быстрота действия S/>может быть представленакак произведение объема V/>рабочей камеры насоса в момент«конец всасывания» на число оборотов вала в единицу времени:
/>
где n — скорость вращения, об/мин.
В пластинчато-роторных насосах рабочая камера состоит изряда ячеек объемом V/>, образуемых между соседнимипластинами, причем число ячеек равно числу пластин z,
/>
Истинная быстрота действия S/>всегда меньше этой величины из-заограниченной проводимости входных коммуникаций в насосе между отверстиемвходного патрубка и камерой, а также за счет обратного потока газов. Этаразница становится особенно заметной при приближении к остаточному давлению.Отношение называемое объемным к.п.д. насоса, составляет обычно 0,75—0,85 придавлениях />Па(1 мм рт. ст.) и уменьшается до нуля при P/>
В связи с отсутствием заметного перетекания газа с выходана вход в рабочей камере быстрота действия насосов с масляным уплотнениемпрактически не зависит от рода откачиваемого газа, так как разница в величинепроводимости входных коммуникаций по разным газам очень мало сказывается набыстроте действия насоса.
При неизменной проводимости входных коммуникаций быстротадействия любого насоса при произвольном впускном давлении р/>определяется уравнением
/>
где P/>— остаточное давление;
S/>— быстрота действия насоса привпускном давлении
/>
В насосах с масляным уплотнением при впускных давленияхниже 10² — 10 Па (~ 1—0,1 мм рт. ст.) проводимость входных коммуникацийзаметно уменьшается, в то же время уравнение (3), учитывающее влияние набыстроту действия только обратного потока, не учитывает уменьшения проводимостивходных коммуникаций; поэтому применительно к этим насосам уравнение (3) вобласти низких давлений может использоваться только для грубых оценок быстротыдействия.
Для точных расчетов, связанных с использованием значенийбыстроты действия в области низких давлений, не обходимо пользоватьсяэкспериментальными зависимостями быстроты действия от впускного давления.
Для насосов с масляным уплотнением такие измеренияпроводят в области давлений от ~10³ Па (несколько мм рт. ст.) до p/>. Обычносчитают, что при высоких давлениях (p ≈ 10³ Па) быстрота действиянасоса постоянна.
Мощность, потребляемая насосами с масляным уплотнением,затрачивается на преодоление трения в механизме насоса (мощность трения илимощность потерь) и на процесс перемещения и сжатия газа (индикаторнаямощность.)
2.3 Диффузионный насос
Диффузионные насосы предназначены для работы в областивысокого и сверх-высокого вакуума, т. е. при давлениях ниже 10/>Па (10/>мм рт. ст.).
Отличительной особенностью характеристики диффузионныхнасосов является постоянство быстро ты действия в рабочем диапазоне давлений,обусловленное сохранением молекулярного режима течения газа в районе первогосопла.
Конструкции паромасляных диффузионных насосов имеют рядособенностей, обусловленных недостатками масел, используемых в качестве рабочихжидкостей. Это прежде всего устройства, обеспечивающие фракционирование (т. е.разделение на фракции) неоднородных масел, причем тяжелые фракции (с низкимдавлением насыщенного пара) направляются в сопло первой (высоковакуумной)ступени, чем обеспечивается низкое остаточное давление и высокое быстродействиенасоса в целом, а легкие фракции (с высоким давлением насыщенного пара)направляются в сопло последней ступени, обеспечивая высокое выпускное давление.Насосы с таким устройством называются фракционирующими или разгоночными. Нарисунке 2.5, а показано устройство металлического высоковакуумного разгоночногодиффузионного насоса Н-5Т. Сварной корпус 1 насоса выполнен из малоуглеродистой стали с наваренной на него рубашкой водяного охлаждения, паропровод2 с двумя зонтичными соплами изготовлен из алюминия; последней выходнойступенью является эжектор З.
/>
/>
Рисунок 2.5 — Паромасляный насос Н-5Т (а) и устройство идействие лабиринтных колец для фракционирования масла (б): 1- корпус; 2 —паропровод; З — эжекторная ступень; 4 — ловушка для паров масла; 5 —электронагреватель; 6 — лабиринтные кольца.
Фракционирование масла, стекающего в кипятильник спериферии по стенке корпуса, осуществляется с помощью лабиринтных колец,удлиняющих путь масла (рисунок 2.5, б) до поступления в центральную зонукипятильника, откуда питается паром высоковакуумное сопло, так что легкиефракции масла успевают испариться на периферии кипятильника, откуда онипоступают во второе зонтичное и эжекторное сопла насоса.
Остаточное давление пароструйного насоса в значительноймере определяется степенью фракционирования масла и содержанием газов в масле,стекающем в кипятильник, так как чем лучше обезгажено масло, тем меньше газовзаносится паровой струей на впуск насоса. Лабиринтные кольца, показанные нарисунке 2.5, не прилегают плотно к днищу кипятильника, в связи с чем необеспечивают достаточного фракционирования масла.
Проведенное рассмотрение показывает, что характеристикипаромасляных насосов (диффузионных и бустерных) определяются как конструкциейнасоса, так и родом рабочей жидкости.
Основные характеристики пароструйных насосов существеннозависят от молекулярной массы откачиваемого газа, что связано с большейпротиводиффузией легких газов (водород, гелий) через паровую струю по сравнениюс тяжелыми (аргон, азот, кислород).
Теоретическая быстрота действия S/>паровой струи при молекулярномрежиме течения газа определяется как произведение величины площади А (м²)кольцевого зазора между корпусом и кромкой верхнего сопла на величину объемагаза, падающего на единицу площади (при данном впускном давлении):
/>
где Т — температура газа, К;
М — молекулярная масса газа, т. е. S/>также зависит отмолекулярной массы газа.
Истинная быстрота действия насоса S за счет отражениячасти молекул газа от струи и противодиффузии газа меньше теоретическогозначения S/>;отношение /> называемоевакуум-фактором /> (или коэффициентом Хо) насоса(или струи), составляет обычно для воздуха величину 0,3—0,5 и также зависит отрода газа.
Так же как и для других насосов, влияние газовыделенияможет быть учтено членом /> и быстрота действия диффузионногонасоса в рабочей области давлений может быть представлена в виде
/>
где Т — температура газа, К;
М — молекулярная масса газа;
А — площадь кольцевого зазора между корпусом насоса икромкой верхнего сопла, м²/> />
Состав остаточных газов паромасляного диффузвонного насоса (без ловушки)представляет собой широкий набор углеводородных соединений с массовыми числамидо 250. На рисунке 2.6 показан участок спектра масс остаточных газов такогонасоса до М/е = 80. С помощью эффективных ловушек из состава остаточных газовмогут быть исключены практически все углеводородные соединения.
Рисунок 2.6. Участок спектра масс остаточных газовметаллического фракционирующего насоса с водоохлаждаемой шевронной ловушкой;рабочая жидкость — полифенилметилсилоксан.
2.4 Термопарные манометры
На рисунке 2.7 схематически изображена конструкциятермопарного манометра. Манометрическая лампа ЛМ представляет собой стеклянныйили металлический корпус, в котором на двух вводах смонтирован платиновый илиникелевый подогреватель 3, на двух других вводах крепится термопара 4,изготовленная из хромель-копеля или хромель-алюмеля.
Термопара и подогреватель сварены через перемычку П.Подогреватель нагревается током, который можно регулировать реостат 5 иизмерять миллиамперметром 1. Спай термопары, нагреваемый подогревателем,является источником термо — э. д. с., значение которой показываетмилливольтметр 2.
Пока давление в вакуумной системе равно атмосферному,стрелка миллиамперметра при заданном для данной манометрической лампы токенакала I стоит вблизи нуля. При понижении давления в системе стрелка начинаетперемещаться в сторону увеличения термо-э. д. с. так как с уменьшением давленияуменьшается теплопроводность газа и, следовательно, повышается температураперемычки. Точность измерения давления термопарным манометром существеннозависит от правильного подбора тока накала подогревателя. Ток накалаподогревателя можно опредёлить до вскрытия новой лампы (в случае стеклянногокорпуса) или при откачке манометра до давления /> (1·10/>мм рт. ст.).
При этих давлениях теплоотвод по газу от подогревателяпренебрежимо мал и вся подводимая мощность расходуется на излучение (около 63%)и теплоотвод по вводам (около 37%). Ток подогревателя подбирают таким образом,чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с последним делением шкалы; приэтом показания миллиамперметра (шкала «ток накала») будут соответствоватьрабочему току подогревателя./> />
Рисунок 2.7 — Термопарный манометр и упрощенная схема измерительного блока. ЛМ— монометрическаа лампа; 1 — миллиамперметр; 2 — милливольтметр; З —подогреватель; 4 — термопара; 5 — реостат; 17 — общая точка подогревателя итермопары.
2.5 Ионизационные манометры
Электронные ионизационные манометры предназначены дляизмерения давления в диапазоне />(~/>мм рт. ст.).
Конструкция электронного ионизационного манометрапредставлена на рисунке 2.8. В стеклянном баллоне 1 смонтированатрехэлектродная система, состоящая из коллектора ионов 2, анодной сетки З ипрямонакального катода 4.
На анодную сетку подается положительный относительнокатода потенциал, а на цилиндрический коллектор ионов — отрицательный.
Вольфрамовый катод манометра при нагреве испускаётэлектроны, которые под действием ускоряющего электрического поля устремляютсяпо направлению к сетке, создавая в ее цепи электронный ток. Отметим, что ввидубольшого шага сетки значительная часть их пролетает между ее нитками впространство между сеткой и коллектором ионов, где в основном и происходитионизация газа электронами. При своем движении в этом пространстве электронынаходятся в тормозящем поле. В точке пространства с нулевым потенциаломэлектроны останавливаются и начинают движение в противоположном направлении— кположительно заряженной анодной сетке. В результате вокруг анодной сеткинепрерывно колеблются электроны, причем прежде чем попасть на сетку, электронысовершают в среднем до пяти колебаний. Эти колебания играют положительную роль,так как благодаря им электроны пролетают больший путь и, следовательно,повышается вероятность столкновения их с молекулами газа и ионизации последних,что приводит к увеличению ионного тока.
/>
Рисунок 2.8 — Конструкция электронного ионизационногоманометра. 1 – стеклянный баллон; 2 – коллектор ионов; 3 — сетка; 4 — катод.
Образующиеся положительные ионы под действием ускоряющегодля них поля коллектора ионов устремляются к нему и, отдавая ему свойположительный заряд, создают в его цепи ионный ток (отсюда и названиеколлектора ионов).
На рисунке 2.9 показаны изображение основных элементовманометрического преобразователя и упрощенная электрическая схемаизмерительного блока, в которую входят:
а) цепь катода 1, состоящая из источника питания иреостата 6 для регулировки температуры и, следовательно, эмиссии электроновкатодом;
б) цепь сетки 2, состоящая из источника питания и прибора5 для измерения электронного тока;
в) цепь коллектора З, состоящая из источника питания иприбора 4 для измерения ионного тока.
Как показал опыт, при достаточно низких давлениях [обычнониже 0,1 Па (~/>мм рт. ст.)] отношение ионноготока /> кэлектронному току />прямо пропорционально давлениюгазов р в манометричёской лампе:
/>
Это соотношение и лежит в основе работы электронногоионизационного манометра.
Множителем пропорциональности
/>
выражает чувствительность манометра: очевидно,чувствительность тем больше, чем больше отношение /> при данном давлении р./> />
Рисунок 2.9 — Упрощенная схема включения электронного ионизационного манометра.1 — катод; 2 — сетка; З — коллектор ионов; 4 — прибор для измерения ионноготока; 5 — миллиамперметр; 6 — реостат.
Для получения однозначной зависимости ионного тока отдавления электронный ток манометра поддерживают постоянным. Тогда
/>
где /> характеризует величину ионноготока на единицу давления (величину k, называют токовой чувствительностью илипостоянной ионизационного манометра).
При работе с различными газами чувствительность манометрабудет отличаться от чувств по воздуху, но линейная зависимость сохраняется.
На основании (8) давление определяется соотношением
/>
Таким образом, для измерения давления достаточно призаданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную манометра.
Заключение
В результате проделанной работы нам удалось восстановитьрабочий вакуум в колонне микроскопа. Нами была проделана теоретическая ипрактическая работа по изучению конструкции, назначения и принципа работырастрового электронного микроскопа РЭМН – 2У4.1.
Основным объектом исследования являлась вакуумнаясистема. В процессе работы были теоретически и практически изучены диффузионныйи форвакуумный насосы, а также датчики для измерения вакуума.
Список литературы
1. Горшковский Я. Техника высокого вакуума. – М.: Мир, 1975г. – 622с.
2. Деркач В.П. Электронно-зондовые устройства. / Кияшко Г.Ф., КухарчукМ.С.- Киев: Наука думка, 1974г. – 354с.
3. Дж. Гоулдстейна, Х.Яковица. Практическая растровая электроннаямикроскопия. / Пер. с англ. – М.: Мир, 1978г. – 656с.
4. Добровольский Г.В., Шоба С.А. Растровая электронная микроскопия почв. – М.:МГУ, 1978 – 295с.
5. Королёв Б.И. Основы вакуумной техники./А.И. Пипко, В.Я. Плисковский.- М.:Энергия, 1975г. – 415с.
6. Крымский Л.Д. Растровая электронная микроскопия сосудов и крови./Нестайко Г.В., Рыбалов А.Г. – М.: Медицина, 1976г. – 356с.
7. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Микроскоп растровыйэлектронный низковольтный типа РЭМН – 2 У4.1 250с.
8. Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия.- М.: Мир, 1974г. –354с.