Устройство для получения голографической информации в низкоэнергетическом электронном микроскопе

Полезная модель относится к области электронной техники, материаловедения, используется для усиления сигнала и регистрации объектов в реальном времени при исследовании и диагностики микро- и наноструктуры твердотельных объектов применительно к созданию новых полупроводниковых приборов, углеродных нанотрубок, металлов и сплавов, алмазных пленок, керамических материалов и приборов на их основе, а также в медицине и органической химии. Устройство содержит микроканальную пластину с коэффициентом усиления 10 ³, люминофорный экран, расположенный на подложке, выполненной из волоконно-оптического материала. Устройство может быть использовано в низкоэнергетическом электронном микроскопе, а также в электронно-оптическом преобразователе для усиления малых сигналов электронного пучка.

1 н.п. ф-лы; 3 илл.

Полезная модель относится к области электронной техники, материаловедения, используется для усиления сигнала и регистрации объектов в реальном времени при исследовании и диагностики микро- и наноструктуры твердотельных объектов применительно к созданию новых полупроводниковых приборов, углеродных нанотрубок, металлов и сплавов, алмазных пленок, керамических материалов и приборов на их основе, а также в медицине и органической химии.

Заявляемая полезная модель предназначена для усиления и получения полезного сигнала, позволяющего с большим разрешением иметь информацию об исследуемом микрообъекте.

Заявленная полезная модель используется в низкоэнергетическом голографическом электронном микроскопе и является его составной частью, а также может быть использована в приборах, которые предназначены для регистрации слабых электронных сигналов (например, электронно-оптический преобразователь).

Известны устройства для получения голографической информации, которые используются в топографических микроскопах, основанных на разных принципах работы, наиболее распространенными являются устройства, основанные на принципе осевой голографии.

Известно устройство, состоящее из микроканальной пластины (МКП) и регистрирующего элемента [1] в низкоэнергетическом голографическом электронном микроскопе, основанном на принципе осевой голографии. В известном устройстве экспериментально получена интерференционная картина тонкой пленки углерода. Однако эта интерференционная картина некачественного изображения.

Известно устройство [2], наиболее близкое к заявленной полезной модели по решаемой технической задаче, и принятое в качестве прототипа. Известное устройство состоит из микроканальной пластины и люминесцентного экрана, расположенного на волоконно-оптическом элементе в электронно-оптическом преобразователе. Источником электронов является фотокатод. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является принцип работы устройства, основанный на усиление и визуальной регистрации электронов малой энергии.

Недостатками известного устройства являются невысокая разрешающая способность и малая информативность о структуре исследуемого объекта.

Техническим результатом заявленного устройства является повышение разрешающей способности и информативности о структуре исследуемого объекта.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения топографической информации в низкоэнергетическом электронном микроскопе, содержащем микроканальную пластину и люминофорный экран, расположенный на подложке, выполненной из волоконно-оптического материала, в соответствии с заявленной полезной моделью, микроканальная пластина имеет коэффициент усиления 10³, люминофорный экран расположен на расстоянии не более 1 мм от микроканальной пластины, а подложка выполнена в виде диска.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3 (а и б).

На Фиг.1 представлена схема устройства полезной модели.

В качестве примера реализации заявленной полезной модели на Фиг.2 представлена схема голографического электронного микроскопа, содержащего устройство для получения голографической информации.

Результаты, представленные на Фиг.3 (а и б) в виде тестовых изображений исследуемого объекта при разных режимах работы полезной модели, получены на примере использования заявленной полезной модели в голографическом электронном микроскопе.

Полезная модель (Фиг.1) состоит из микроканальной пластины (МКП) (1), волоконно-оптического диска (2) с нанесенным на него люминофорным экраном (3), крепежных элементов в виде изолированных винтов (4), фланцев (5) и изоляции из корундовой керамики (6).

На Фиг.2, представленной как пример конкретной реализации заявленной полезной модели (она может быть реализована и в других устройствах, например, в электронно-оптическом преобразователе), изображена схема голографического электронного микроскопа, содержащая вакуумную камеру (7), автокатод (8), выполненный из вольфрамовой проволоки, которая заточена с помощью электрохимического травления, подложку (9) с размещенным на ней объектом исследования (10), представляющий собой пленку, толщина которой не превышает 40 Å, устройство для получения голографической информации (11), выполняющее функцию детектора низкоэнергетического электронного пучка для его усиления (заявленная полезная модель), цилиндр из пермаллоя (12), смотровые окна (13), расположенные на уровне детектора и авто катода, преобразователь (14), преобразователь голографического изображения в объемное изображение, в виде персонального компьютера с установленным программным обеспечением.

На Фиг.3 (а) представлены результаты апробации заявленной полезной модели на примере использования ее в голографическом электронном микроскопе в виде тестового голографического изображения исследуемого объекта при напряжении между люминофорным экраном (3) и МКП (1) в 5 кВ и расстоянием между ними равным 1 мм.

На Фиг.3 (б) представлены результаты апробации заявленной полезной модели на примере использования ее в голографическом электронном микроскопе в виде тестового голографического изображения исследуемого объекта при напряжении между люминофорным экраном (3) и МКП (1) в 3,5 кВ и расстоянием между ними равным 1 мм.

Работа заявленной полезной модели (Фиг.1) на примере голографического низкоэнергетического электронного микроскопа осуществляется следующим образом: автокатод (8) (Фиг.2) излучает низкоэнергетический когерентный поток электронов, который получается приложением разности потенциалов между подложкой исследуемого объекта (10) и автокатодом (8), расстояние между которыми должно составлять несколько десятков нанометров. При напряжении между подложкой исследуемого объекта (10) и автокатодом (8), которое должно составлять не более 200 В, электронный пучок малой энергии достигает исследуемый объект (9) и при этом происходит их взаимодействие. Большая часть электронного пучка проходит через исследуемый объект (9), не изменяясь (далее: опорная волна), часть его взаимодействует с атомами исследуемого объекта (9), изменяя фазу волны (далее: волна с измененной фазой). Электронный пучок, образованный наложением опорной волны и волны с измененной фазой, попадает на МКП (1) (Фиг.1) детектора низкоэнергетического электронного пучка, который усиливает электронный пучок (коэффициент усиления 1÷1,5·10³).

Усиленный электронный пучок после МКП (1) проходит пространство до люминофорного экрана (3), нанесенного на волоконно-оптический диск (2), который расположен на расстоянии 1 мм от МКП (1). В данном пространстве электронный пучок усиливается вторично за счет ускоряющего высокого напряжения (5÷7 кВ), которое прикладывается между выходом МКП (1) и люминофорным экраном (3). В результате бомбардировки люминофорного экрана (3) электронным пучком возникает свечение экрана (3), позволяющее визуально зарегистрировать интерференционную картину исследуемого объекта (9). Использование волоконно-оптического диска (2) в качестве основы люминофорного экрана (3) дает возможность устранить нежелательное рассеивание световых лучей, которые после волоконно-оптического диска (2) передаются на преобразователь (14) (Фиг.2) со специальным программным обеспечением для получения трехмерного изображения объекта исследования (9).

Заявленная полезная обладает пространственным разрешением и допускает одновременную регистрацию всего электронного пучка, что улучшает временные характеристики микроскопа.

Теоретический расчет конструкции предлагаемого устройства, выполняющего в схеме (Фиг.2) роль детектора низкоэнергетического электронного пучка, и наиболее важных параметров, таких, например, как коэффициент преобразования (усиления), предельное разрешение представлены в таблице 1. Расчет проводился по формулам, известным из литературы [3], [4] для случая с плоскими электродами.

На таблице приведены значения параметров предложенного устройства, в зависимости от его исходных параметров при напряжении между МКП и люминофорным экраном 5000 В.

Как видно из таблицы, оптимальное расстояние между МКП и люминофорным экраном составляет 1 мм. Увеличение его приводило к «размытию» пучка и, как следствие, ухудшению разрешения и контраста.

Усиление данной системы (коэффициент преобразования) при постоянных параметрах источника электронов и экрана складывается из усиления сигнала в МКП за счет многократных столкновений со стенками каналов при коэффициенте вторичной эмиссии больше 2 и усиления за счет поля между МКП и люминофорным экраном. Увеличение значения поля прямо пропорционально возрастанию коэффициента преобразования. Реально на расстоянии около 1 мм можно приложить напряжение 5÷7 кВ. Таким образом, суммарное оптимальное значение коэффициента преобразования составляет 10⁵ .

Как показали результаты лабораторных исследований, заявленная полезная модель позволяет регистрировать малые сигналы электронного пучка, доходящие до детектора (суммарный заряд не более 10 электронов при пространственном разрешении 40 мкм) и определять координаты их положения.

Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.

В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата, состоящего в повышении разрешающей способности и информативности интерференционного голографического изображения исследуемого объекта.

Тестовые режимы работы голографического электронного микроскопа приведены в следующих примерах (1, 2) и отображены на Фиг3 (а и б).

Пример 1.

Исследуемый объект (9) Фиг.2 представлял собой мелкоструктурную сетку из позолоченного вольфрама с шагом 15 мкм. Расстояние между подложкой исследуемого объекта (10) и автокатодом (8) составляло 200 мкм, напряжение между ними в тестовом режиме составляло не более 400 В. При оптимальных параметрах работы детектора низкоэнергетического электронного пучка (напряжение между люминофорным экраном (3) и МКП (1) составляло порядка 5 кВ, при оптимальном расстоянии между ними 1 мм (d=1 мм) видно (Фиг.3а) четкое изображение сеточной решетки, что подтверждает достижение указанного технического результата в части повышения информативности.

Пример 2.

Исследуемый объект (9) представлял собой мелкоструктурную сетку из позолоченного вольфрама с шагом 15 мкм. Расстояние между подложкой исследуемого объекта (10) и автокатодом (8) составляло 200 мкм, напряжение между ними в тестовом режиме составляло не более 400 В. При неоптимальных параметрах работы детектора низкоэнергетического электронного пучка (напряжение между люминофорным экраном (3) и МКП (1) 3,5 кВ, и расстоянием между ними (d=1 мм) изображение сеточной решетки размыто (Фиг.3б), что свидетельствует о недостижимости указанного технического результата при несоблюдении оптимальных условий работы заявленной полезной модели.

Заявляемая полезная модель обеспечивает указанный технический результат, состоящий в повышении разрешающей способности и получении высокой информативности, за счет оптимального соотношения и новых параметров конструкции. Экспериментально подтверждено, что заявляемая полезная модель позволяет за счет высоких параметров: разрешение 29 пар лин./мм и коэффициента преобразования 10⁵ (суммарный заряд 10 электронов, при пространственном разрешении 40 мкм) регистрировать малые сигналы электронного пучка.

Полезная модель может найти широкое применение в низкоэнергетических электронных микроскопах, в которых необходимо зарегистрировать пучок электронов малой энергии, а также в электронно-оптических преобразователях. Заявленная полезная модель может быть применена в материаловедении, и особенно эффективно ее применение для неразрушающего контроля структур сложных молекул в реальном времени при исследовании и диагностики микро- и наноструктуры твердотельных объектов применительно к созданию новых полупроводниковых приборов, углеродных нанотрубок, металлов и сплавов, алмазных пленок, керамических материалов и приборов на их основе. Новые свойства полезной модели, позволяющие ее использование для неразрушающего контроля структур сложных молекул в реальном времени делает ее применение особенно актуальным в медицине и органической химии.

Использованная литература:

1. Spence J.C.H., W.Quan, A.Melmed. Experimental low-voltage point-projection microscopy and its possibilities//Ultramicroscopy. 1993. Vol.52. P.473-477.

2. Патент РФ 94057 (приоритет - 19.11.09) - прототип

3. Якобсон A.M. // Радиотехника и электроника. 1972 г. Том 15. 11. с.2464.

4. К.Кикошита, И.Сузуки // Труды международного конгресса по высокоскоростной фотографии. 1980 г. с.183.

Устройство для получения голографической информации в низкоэнергетическом электронном микроскопе, содержащее микроканальную пластину и люминофорный экран, расположенный на подложке, выполненной из волоконно-оптического материала, отличающееся тем, что микроканальная пластина имеет коэффициент усиления 10³, люминофорный экран расположен на расстоянии не более 1 мм от микроканальной пластины, а подложка выполнена в виде диска.