透射电子显微镜模拟器研制

岳峻逸, 姜威宇, 谭成文, 苏铁健 , 于晓东

(1. 北京理工大学 材料学院,北京 100081； 2. 北京理工大学 信息与电子学院,北京 100081)

透射电子显微镜模拟器研制

岳峻逸1, 姜威宇2, 谭成文1, 苏铁健1, 于晓东1

(1. 北京理工大学 材料学院,北京 100081； 2. 北京理工大学 信息与电子学院,北京 100081)

以可见的激光光源代替不可见的电子光源,以玻璃透镜代替电磁透镜控制光路,以光栅样品代替薄膜晶体样品,设计透射电子显微镜模拟器(TEMS)并制作样机。对样机功能进行测试表明:TEMS不但能很好地模拟TEM的图像模式和衍射模式,且可操作性强、模拟过程中的光路具有可视化特点。在实践教学中应用TEMS能提升学生对TEM的认知效果。

透射电子显微镜模拟器; 结构设计；样机测试

透射电子显微镜模拟器(transmission electron microscopy teaching simulator, TEMS)是用来模拟透射电子显微镜(TEM)功能、帮助初学者在操作实践训练中理解TEM的理论并形成技能的实验设备。TEM常被物理、化学和材料甚至生物等学科的研究者在科学研究过程中用来表征在纳米尺度上的微观组织结构,德国科学家E.Ruska因发明TEM在1986年获得诺贝尔物理学奖[1-2],全世界的理工科大学相关专业也会因其重要而开设透射电子显微分析课程,甚至有些专业将其作为主干课程开设[3]。又因其原理涉及量子力学、傅里叶光学等抽象的现代物理理论,初学者如果没有经过大量的实践训练,是很难深入理解TEM的理论和形成操作技能的。然而,TEM属于精密设备,价格昂贵、台套数少、易损坏、维护成本高,初学者能够直接操作TEM的机会有限[4-6],因此该课程教学效果不佳成为普遍现象。要增强学生对TEM的原理理解和掌握操作技能,开发价格与维护成本较低、能实现TEM的功能、工作过程光路可视、操作简便的TEMS代替TEM，以满足初学者学习和实践训练需求就具有现实意义。本文拟用SolidWorks软件进行TEMS结构设计并制作样机,对样机进行功能测试。

1 工作原理

TEMS模拟TEM图像模式(image mode)下明场像、暗场像、高分辨像的工作光路图以及衍射模式(diffraction mode)的光路图见图1。与TEM的原理[7-8]不同点在于:TEMS以可见的激光代替不可见的电子束，以傅里叶光学透镜代替电磁透镜(electromagnetic lens)，以一维光栅样品代替薄膜晶体样品，通入烟气利用丁达尔效应显示光路[9]实现光路可见。

图1 TEMS不同工作模式下的光路原理图

2 4大系统的设计与实现

TEMS由光学系统、机械辅助系统、控制系统和显示系统4大部分组成。

2.1 光学系统设计

TEMS的光学系统的主要部件与TEM相应部件的对照关系见表1。

表1 TEMS与TEM光学系统的主要部件

TEMS的激光光源采用520 nm 的绿色激光,代替TEM的电子束,符合人眼的敏感性和友好性要求。值得注意的是,要避免因衍射束发散而导致衍射花样模糊,要求激光光源产生的光束单色性好、衍射束沿着同一个方向射出[11]。

TEMS的光栅样品,是由一维光栅组成的无色透明PMMA塑料元件。一维光栅见图2(a),为一组等宽、平行、等距的狭缝,其光栅衍射花样为共线分布的若干等距光斑,能够模拟平行晶面的布拉格衍射花样[12],花样较为简单又符合实践教学要求。由于真实晶体样品在不同区域的晶面间距不同,就需要制作由不同的一维光栅组成的光栅样品,图2(b)是在PMMA塑料的3个不同区域分别刻制100线/mm、150线/mm、200线/mm 3种规格的光栅样品的示意图。

图2 一维光栅和光栅样品示意图

TEMS采用傅里叶光学透镜作为物镜,其焦距、直径分别为130 mm、80 mm,起着将经过光栅后产生的衍射束与透射束会聚与一次放大的作用,会聚作用获得物镜焦平面的衍射花样,一次放大作用获得物镜像平面的图像。TEM通过电磁透镜对电子束实现汇聚与一次放大。

TEMS有孔径可调的光阑I和光阑II,大小、结构相同,通过旋转光阑外框上的金属柄,带动内部弧形叶片的开闭,可以连续调整中心开孔的大小。光阑I位于物镜焦平面,模拟TEM的物镜光阑；光阑II位于物镜像平面,模拟TEM的选区光阑。图像模式下,移动光阑I,以选择性地通过透射束或衍射束；衍射模式下,移动光阑II,以选择性地通过不同区域的衍射光束。

TEMS的中间镜组,由两块相同的傅里叶光学透镜共光轴配置,间距可调节。调整间距,中间镜组将不同的平面投影到成像光屏上,并进行二次放大。图像模式时,将物镜像平面上的图像投影到光屏上；衍射模式时,将物镜焦平面上的衍射花样投影到光屏上。相对于TEM而言,TEMS的中间镜组较为简单,能够实现同样的功能。

2.2 机械辅助系统设计

TEMS的机械辅助系统由抽排气风机、插入式样品架、光阑I、II支架、中间镜组支架等部件构成,使光学系统的部件实现运动以及抽风、换气。

抽排气风机固定在TEMS的顶部,用于快速使工作过程中通入的烟气均匀分布,或排空模拟器内的烟气。

插入式样品架(见图3),用于承载光栅样品,包括样品杆与边框。边框固定在模拟器圆柱外廓上,边框上突起部分为供样品杆插入的插槽。样品杆可由边框上的插槽插入或拔出,其方形的托架部分用于承托光栅样品。

图3 插入式样品架图

光阑支架(见图4),包括光阑I支架和光阑II支架,结构相同,分别用于搭载光阑I和光阑II。相互垂直安装的步进电机/丝杠导轨能带动光阑在平面内自由移动,为了增强稳定性,还对称布置了导向杆；舵机能连续调节光阑中心开孔大小。

图4 光阑支架图

中间镜组支架见图5，由底座和两具相同的直线滑台导轨构成,用于搭载中间镜组。中间镜组的2块傅里叶光学透镜分别安装在2个滑块上,并保证主光轴共线,2块透镜可以独立移动。

图5 中间镜组支架设计图

2.3 控制系统设计

TEMS的控制系统由旋钮电位器、控制板、AT单片机、电机驱动器、限位传感器和报警器等部件构成。AT单片机组和报警器焊在控制板上,限位传感器固定在机械辅助系统的相应机械结构处。控制系统组成如图6所示,使用者通过旋钮电位器输入信号,经控制板传递,由AT单片机进行处理,并向驱动器输入指令,以驱动机械辅助系统的步进电机和舵机；机械辅助系统中安装的限位传感器向控制系统反馈信号,确保控制的准确性；控制系统还可以控制显示系统的工业摄像机,对成像光屏进行实时拍摄。

图6 控制系统的组成

2.4 显示系统设计

TEMS的显示系统主要包括成像光屏和工业摄像机,能直观地输出结果。中间镜组将物镜焦平面上衍射花样或者像平面上图像选择性地投影到黑色成像光屏上,可以直接经由TEMS底座的开口对光屏上的图案进行观察。工业摄像机会对成像光屏进行实时拍摄,采集光屏上的图像,可由计算机进行读取与处理。TEM的显示系统采用与单反照相机类似的设计。

2.5 TEMS的实现

TEMS的渲染效果见图7。其外壳采用封闭式设计,包括顶盖、圆筒机身、控制箱以及底座。机身被插入式样品架、光阑I支架以及光阑II支架分为4段,自下而上搭积而成；激光光源、插入式样品架、物镜、光阑I支架、光阑II支架5个部件通过一根贯穿模拟器上下的中空杆定位与固定,连接各电机的屏蔽线可以隐藏其内部；抽排气风机、中间镜组支架、成像光屏和工业摄像机等部件被固定在外壳上；控制系统的单片机、电路板、驱动器等元件收纳于控制箱中。

图7 TEMS渲染图

TEMS样机见图8。为了简化设计难度、增强零部件的通用性以降低制造及售后维护成本,样机部件或外购或自行设计加工。

图8 TEMS样机图

3 功能测试结果与评价

3.1 图像模式功能测试结果

3.1.1. 明场像

当中间镜组以物镜像平面为其物平面,并且在物镜焦平面上插入光阑I(模拟透射电镜的物镜光阑),光阑中心孔选择透射束的焦点(透射斑点,即衍射花样的中央亮斑),则透射束通过,衍射束被光阑阻挡。透射束在物镜像平面成像的图案经过中间镜组投影到成像光屏上,得到如图9的明场像。

图9 明场像

3.1.2 暗场像

当中间镜组以物镜像平面为其物平面,并且在物镜焦平面上插入光阑I,若光阑孔选择任意一个衍射束的焦点(衍射斑点,即衍射花样中中央亮斑之外的其他斑点),则衍射束通过,透射束将被光阑阻挡。衍射束在物镜像平面成像的图案经过中间镜组投影到成像光屏上,得到图10的暗场像,图中(a)、(b)和(c)分别为选取不同的衍射斑点时所成的暗场像。

图10 暗场像

3.1.3 高分辨像

当中间镜组以物镜像平面为其物平面,并且在物镜焦平面上插入光阑I,选择多个斑点(中央斑点和一个或多个衍射斑点)，则衍射束和透射束均会通过,衍射束和透射束在物镜像平面成像的图案经过中间镜组投影到成像光屏上,再经过高分辨率工业摄像机的拍摄和放大,则可以看到一维光栅的狭缝。图11(a)、(b)、(c)分别为选中不同斑点获得的高分辨像,说明光栅样品中不同区域狭缝取向不同。

图11 高分辨像

3.2 衍射模式功能测试结果

当中间镜组以物镜后焦面为其物平面,将观察到衍射花样,这样的操作模式称为衍射模式。衍射模式时,如果在物镜的像平面上插入光阑II(模拟透射电镜的选区光阑),移动该光阑让光阑孔选择样品图像的某个区域,则只有该区域的透射束和衍射束能够通过光阑II,再经过中间镜组投影到成像光屏,光屏上所观察到的衍射花样反映样品中该区域微观结构的空间对称性。图12(a)为不插入光阑II时的衍射花样,(b)、(c)和(d)为插入光阑II并选择不同区域的衍射花样。

图12 衍射模式

3.3 评价

(1) 测试结果表明,TEMS能够模拟TEM的图像模式和衍射模式。此外,当TEMS中间镜组的物平面介于物镜焦平面和像平面之间时,投影到成像光屏上的是图像模式和衍射模式的复合,即若干缩小的明场像(或暗场像)按照衍射斑点的排列方式排布；改变中间镜组物平面的位置,即由物镜焦平面向像平面移动,则光屏上各衍射斑点逐渐放大,并逐渐重合,最终成为明场像(或暗场像)。同样地,中间镜组物平面的位置由物镜像平面向焦平面移动时,则出现相反变化。这个过程呈现了图像模式与衍射模式的转换,有助于使用者理解图像模式和衍射模式的关系。

(2) TEMS采用封闭设计,利用无色透明的亚克力板作为机身外壳材料,充入气溶胶(烟气),利用激光在气溶胶中的丁达尔效应,可清晰地展示各种工作状态下的光路,有助于使用者理解TEM图像模式和衍射模式的原理。

(3) TEMS采用一维光栅制成的光栅样品作为观察的样品,制作容易；一维光栅的光栅衍射花样与平行晶面布拉格衍射花样一致,模拟简单立方晶体效果较好,可以达到实践教学要求。

4 结语

本文提出的TEMS设计思路与方案可行,需要外购的元器件购置方便,自行设计的部件易于加工。对样机的功能测试表明,其能够有效模拟TEM的重要功能。目前该模拟器在一定范围内进行了推广应用。实践表明,初学者通过操作该模拟器能较快地掌握TEM的原理和使用方法,很大程度上提升了透射电子显微分析课程的教学效果。

References)

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Development of transmission electron microscope simulator

Yue Junyi1, Jiang Weiyu2, Tan Chengwen1, Su Tiejian1, Yu Xiaodong1

(1. School of Materials Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

A transmission electron microscope simulator (TEMS) is designed and a prototype is developed by substituting the visible laser source for the invisible electron light source, the glass lens for the electromagnetic lens to control the light path and the grating sample for the thin film crystal sample. The function of the prototype is tested, and it is shown that TEMS can not only simulate the image mode and the diffraction mode of TEM, but also be operated easily. The optical path in the simulation process has visual characteristics. Applying TEMS in the practical teaching can improve students’ cognitive knowledge of TEM.

transmission electron microscope simulator; structure design; prototype test

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.022

2017-02-23

北京理工大学大学生创新项目

岳峻逸(1995—),男,四川射洪,本科生,材料科学与工程专业E-mail：yuejunyi1995@163.com

谭成文(1977—),男(满族),辽宁黑山,博士,教授,主要从事金属材料、材料表征与分析相关研究.E-mail：tanchengwen@bit.edu.cn

TB43;G484

A

1002-4956(2017)08-0088-06