Рабочим режимом пушки является режим пространственного заряда. Переход от режима насыщения к режиму пространственного заряда осуществляется путем увеличения тока накала или увеличением (по абсолютной величине) напряжения отрицательного смещения. Ток накала должен устанавливаться таким, чтобы дальнейшее его увеличение не вызывало повышение яркости пятна на экране. С течением времени происходит испарение материала катода, его диаметр уменьшается и для поддержания неизменной температуры катода следует несколько снижать ток накала по сравнению с первоначальным. Это способствует увеличению срока службы катода. В рабочем режиме распределение температуры по длине катода сказывается резко неравномерным. Концы катода охлаждаются держателями, а на вершине катода происходит некоторое снижение температуры за счет отбора эмитированных электронов. Поэтому наиболее высокая температура образуется на боковых участках катода, на расстоянии, примерно, 1/3 от его вершины. В этих местах охлаждающее действие держателей не сказывается, а ток эмиссии не отбирается.
Здесь в результате наиболее интенсивного термического испарения и происходит, как правило, перегорание катода. Если перегорание катода происходит на вершине, это свидетельствует обычно о неправильном режиме работы пушки или чаще всего плохом вакууме в колоне микроскопа. В условиях плохого вакуума происходит интенсивное разрушение вершины катода положительными ионами остаточного газа.
При работе пушки с небольшим (по абсолютной величине) напряжением смещения удается получить более интенсивный электронный пучок и, следовательно, более контрастное изображение. Но при этом получения режима пространственного заряда приходится сильнее накаливать катод, что приводит к сокращению срока его службы. Поэтому, когда это возможно, особенно при работе микроскопа с небольшими увеличениями целесообразно увеличивать напряжение смещения и снижать ток накала, что поможет увеличить 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 многоконтурным или размазанным.
Электронный пучок выходящий из пушки, имеет форму слабо расходящегося конуса, вершина которого, кроссовер, лежит между анодом и управляющим электродом. Кроссовер, отображается с уменьшением в плоскости исследуемого образца посредством двух линзовой оптической системы.
Первая линза – конденсор даёт промежуточное уменьшенное изображение кроссовера, которое затем перебрасывается в плоскость образца второй линзой – объективом.
Перед зазором конденсора и после него установлены 2 ограничивающие диафрагмы, которые предотвращают попадание пучка на стенки внутренних каналов полюсных наконечников и отклоняющей системы.
Между конденсором и объективом установлена отклоняющая система и стигматор, намотанные на общем каркасе.
Стигматор предназначен для исправления астигматизма объективной линзы, который вызывается неоднородностью материала линзы, неточностями изготовления или загрязнения, возникшими в процессе работы. Эти причины обуславливают искажения формы пятна на образце, (вместо круглого, оно становится эллиптическим), что приводит к размазыванию деталей изображения в определенном направлении.
При изменении тока объектива вблизи положения точной фокусировки (перефокусировка – недофокусировка) происходит поворот эллипса на 90°, соответствующий поворот направления размытия деталей на изображении.
Коррекция астигматизма объектива производится путем предварительного искажения формы пучка; входящую в объективную линзу. Для этого служат катушки электромагнитного стигматора. Стигматор состоит из 8 катушек, разделенных на две электрические независимые секции. Каждая секция состоит из соединенных последовательно четырех катушек, намотанных на общем каркасе. Катушки включены таким образом, что поля противоположных катушек направлены навстречу друг другу (рисунок 1.6).
Результирующее поле подобной конфигурации вызывает сжатие электронного пучка в одном направлении и растягивание его в одном направлении и растягивание в противоположном, при изменении направлении тока в одной из секций катушек на противоположное происходит поворот эллипса на 90°. Оси катушек одной секции стигматора сдвинуты относительно другой на 45°, что позволяет путем независимого изменения величины и направления токов в секциях регулировать величину и направление вносимой эллиптичности пучка перед объективом.
На общем каркасе со стигматором ближе к зазору объектива намотана отклоняющая система развертки, состоящая из строчных и кадровых отклоняющих катушек, оси которых взаимно перпендкулярны.
Объективная линза отображает промежуточное изображение источника на образце. При регулировки тока объектива производится фокусировка пятна на образце, следовательно, и фокусировка изображения. В зазоре объектива установлена юстируемая апертурная диафрагма, которая определяет апертуру электронного пучка на образце. При уменьшении диаметра этой диафрагмы апертура уменьшается; вместе с тем снижаются и аберрации объектива, которые пропорциональны апертуре пучка.
Уменьшение апертуры вызывает также увеличение глубины резкости изображения, но при уменьшении диаметра диафрагмы происходит также снижение тока зонда на образце и понижение контраста изображения. Поэтому диаметр апертурной диафрагмы выбирается обычно в пределах 0,5 – 1,0 мм в зависимости от конкретных условий работы.
Разрешающая способность растрового микроскопа определяется в основном диаметром зонда на образце. При этом предполагается, что ток пучка еще достаточен для формирования видеосигнала. Диаметр зонда на образце складывается из уменьшенного линзами диаметра источника и кружков размытия, вызванных аберрациями оптики. В растровых микроскопах среднего разрешения наиболее существенной является сферическая аберрация объективной линзы, пропорциональная кубу апертуры пучка на образце. Существенно снизить сферическую аберрацию можно путём значительного уменьшения коэффициента сферической аберрации, что происходит при помещении исследуемого образца в пределы немагнитного зазора объективной линзы. Возможность помещения образца в немагнитный зазор объектива является отличительной особенностью микроскопа.
Наиболее высокое разрешение наблюдается в том случае, когда образец помещается вблизи середины немагнитного зазора объектива. К сожалению, в этом случае происходит некоторое снижение глубины резкости, поэтому положение образца приходится подбирать в зависимости от конкретных условий работы и вида образцов
Диаметр канала полюсных наконечников объектива выбран достаточно большим (30 мм) для того, чтобы большинство практически встречающихся образцов можно было вводить в пределы немагнитного зазора.
Объектив, в котором образец может помещаться в область сильного магнитного поля, называется объективом высокого возбуждения или магнитным иммерсионным объективом.
При помещении образца в магнитное поле отбор вторичных электронов с него на коллектор становится невозможным. Поэтому установка образца в зазор возможна только в режиме поглощения электронов.
Для работы в режиме вторичных электронов в объектив вставляется полюсный наконечник с малым диаметром канала.
С развертывающего устройства ВКУ отклоняющие токи пилообразной формы поступают на кадровые и строчные катушки отклоняющей системы, разворачивая электронный зонд в телевизионный растр на поверхности образца.
Для образования идеального растра на поверхности объекта и экране кинескопа необходимо, чтобы:
а) движение луча вдоль каждой строки происходило с постоянной скоростью;
б) расстояние между строками были одинаковыми;
в) все строки по длине были равны между собой.
Кроме того, необходимо, чтобы совпадали моменты начала и конца строк растров на объекте и приемной трубке (кинескопе). Требования постоянства скорости движения луча и сохранения одинаковых расстояний между сроками диктуется тем, что только в этом случае четкость изображения и яркость свечения экрана будут постоянны по всему полю. Требования равенства длины всех строк обуславливается тем, что растр должен иметь прямоугольную форму.
В точке встречи электронного зонда с исследуемым образцом возникают вторичные, отраженные, поглощенные и прошедшие насквозь электроны (при исследовании тонких пленок прозрачных для электронов). Любой из этих токов можно собрать на коллектор и использовать в качестве полезного видеосигнала. Сигнал с коллектора поступает в телевизионный видеоусилительный тракт, где производится его усиление, коррекция и введение в видеоусилитель различных импульсных сигналов. Сформированный телевизионный сигнал модулирует приёмной электронно-лучевой трубки (кинескопа) по яркости и на экране воспроизводится увеличенное изображение поверхности исследуемого объекта.
Увеличение изображения равно отношению размеров растров на экране кинескопа и поверхности исследуемого объекта.
Наиболее простым режимом работы растрового микроскопа является получение видеосигнала в поглощенных электронах. Предельное разрешение для этого режима 0,5 мкм. Для достижения предельного разрешения образец помещается в середину магнитного поля объектива. При этом диаметр зонда на образце достигает минимума. Так как снятие видеосигнала происходит непосредственно с образца, то образец подключается к входу высокочувствительного видиоусилителя. Поэтому образец должен быть хорошо изолирован, экранирован и иметь минимальную емкость относительно корпуса. Кроме того, на образец подается постоянный потенциал отрицательной полярности для улучшения отбора с образца вторичных электронов. Образование видеосигнала происходит следующим образом: