H01J3/38 H01J1/53 H01J1/34
1.1本发明属于新兴的光电子技术领域。
现有技术中与本发明主题密切相关的技术特征是：利用电子透镜聚焦为电子束形成 放大倍数很大的物体图象，利用光电阴极将辐射图象转换为电子图象，以非线性振荡电路 为基础而产生具有非平衡演变性的输出。
2.1.2本发明的技术特征是：通过发明光电演化信息处理器并将其引入电子显微镜中 而将电子束转换为光的级联簇射图象，从而利用电子透镜和光电阴极而将光的级联簇射 变为放大倍数很高的样品演化图象。
光电子演化处理显微镜(PEEM)
本发明的名称：光电子演化处理显微镜，英文缩写为PEEM。
本发明属于新兴的光电子技术领域；本发明开辟了一个新领域—— 光电子显微技术，它是电子显微技术与光学显微技术的交叉和融合。
对本发明的理解、检索、审查最相关的现有技术，是电子显微技 术。这方面的参考文献可见Simon G.G.MacDonald and Desmond M.Burns，Physics for the Life and Health Sciences，Addison-Wesley， Reading，Mass，1975；[美]J.W.凯恩，M.M.斯特海姆等：《生命科学物理 学》(中译本)，科学出版社1985年版；G.Adrian Horridge，The Com pound Eye of Insects，July 1977，P.108；全国第二届金属物理学术会议论 文集编辑委员会编；《X射线学与电子显微术进展》，第267页，上海科学技 术出版社1966；P.B.Hirsh，et al.，Electron Microscopy of thin Crystals， and ed.，Krieger，New York，1977。电子显微镜属于电子光学仪器。第 一个电子显微镜是透射电镜，由M.诺尔和E.鲁斯卡于1932年发明并突破了 光学显微镜分辨极限。超高压电镜(HVEM)是一种透射电镜(TEM)，不 过常用的TEM加速电压为100kV，且只能穿透几千埃厚的样品。70年代末 到80年代初出现的高分辨电镜(HREM)带来了200kV、300kV以至 600kV和1000kV的高分辨。扫描电镜(SEM)主要用于直接观察固体表面 的形貌，目前SEM的分辨本领能达60。扫描透射电镜(STEM)的成像 方式与扫描电镜相似，不过接收的不是次级电子而是透射电子(包括部分小 角散射电子)。
对本发明的理解、检索、审查有参考作用的另一项现有技术，是光电成 像技术。有关文献可参见L.M.Biberman and S.Nudelman，ed.， Photoelectronic Imaging Devices，Plenum Press，New York，1971； T.P.Mclean and P.Schagen，ed.，ELcctronic Imaging，Academic Press， Landon，1979；L.Marton and C.Marton，ed.，Advances in ELeetronics and Electron Physics，V01.12，16，22，28，33，40，52，64，Academic Press，New York，1960～1985。最早的一种光电成像器件——光电析像管 出现于1931年。目前，各种类型的光电成像器件已广泛应用于天文学、空 间科学、X射线放射学、夜间观察、高速摄影以及科学实验中。按工作原 理，光电成像器件可分为像管、摄像管和固体成像器件。各种类型的变像 管、像增强器和电子照相管统称为像管。它们将可见或非可见的辐射图像转 换或增强为可直接观察或记录的图像。利用电子束对靶面扫描，把其上与光 学图像相应的电荷潜像转换成一定形式的视频信号的器件，统归于摄像管。
对本发明的理解、检索、审查有参考作用的第三项现有技术，是近十多 年来出现的非线性振荡电子技术。回顾非线性振荡地研究史(参见Kenndey M.P.，Chua L.O.，IEEE Trans.Circuits and Systems，33(1986)974)， 我们可以知道，虽然早在1927年荷兰无线电工程师Vander Pol等在三极管 振荡电路中就已看到“不规则的”现象，但由于当时技术不够发达，没有对这 种分叉—混沌现象给以重视。重要的倍周期分叉现象也直到1978年才由美 国物理学家Feigenbaum发现(参见M.J.Feigenbaum，J.Stat.Phys.，19， 25(1978)；21，669(1979))。1979年3位苏联学者提出了修正的范德坡 振荡器，发现了复杂输出(参见Zongh G.O.，Ayrom F.，Int.J.Circuit Theory Appl.，13(1985)93；程极泰，《自然杂志》，12(1989)668； Matsumoto T.et al.，IEEE Trans.Circuits and Systems，32(1985)797). 1981年P.S.Linsay对含变容二极管的RLC振荡电路(附图1)进行实验研 究(Tang Y.S.et al.，IEEE Trans，Circuits and Systems，30(1983)， 620)。此二极管的电容随电压变化的规律是C＝C0(1＋βV)7，其中C0，β和7 是常数。当讯号发生器的输出电频较低时，RLC回路响应是线性的，有一 确定共振频率υ。将发生器调到此频率上，以讯号电压V为控制参量。当V 增至阈值V1时，突然有二分频υ/2……，当V增至阈值Vn时，突然有2n 分频υ/2n，这些阈值Vn按Feigenbaum普适常数δ收敛。实验结果与理论 预计值比较列于表1。1984年L.O.Chua没想—3阶非线性自治电路 (Chua.L.O.et al.，Int.J.Cireuit Theory Appl.，14(9186)315)，此电路可 与Lorenz混沌模型相比。1986年黄安山在Chua电路中发现“周期—混沌— 周期加(减)1律”，继而又在该电路中到了混沌消失时的边界(黄安 山，《电子学报》，18，2(1990)121)。实际上，在其他3阶自治电路，例 如仿Chua电路、双回路3阶自治电路中，都存在着相同现象。特别是在仿 Chua电路中遵循着一条完美的规律：从平衡点开始Hopf分叉由倍周期进 入混沌，然后从周期2开始经倍周期进入混沌，再后从周期3开始……(参 见Chua.L.O.，Madan R.N.，IEEE Circuits and Devices Magazine，1 (1988)3)。
本发明的目的，是想在现有电子显微镜中设计并建立一种新型光 电信息处理装置和方法，将由电子束透过样品而形成的电子图象转换为级联 演化图像，并由此而形成放大倍数很大的物体演化图像。
现有各种光学显微技术和电子显微技术，不论光学显微技术方面的金相 显微镜、荧光显微镜、偏光显微镜和X射线显微镜，还是电子显微技术方 面的透射电镜、高分辨电镜、扫描电镜和透射扫描电镜，都只是人们在提高 放大倍数和高分辨成像能力方面进行努力的结果。然而，对于从放大的图象 中提取反映时间进程的演化信息，现有各种显微镜就显得无能为力了。对于 许多微观组织，我们不仅希望能将“当前”特定的样品图象放大，而且希望能 从“当前”特定的放大图象中提取微观组织的演化信息。
有一种有趣的现象令人深思，这就是，研究人员在光学显微镜与电子显 微镜之间和在光学计算机与电子计算机之间，持有相反的态度。在前一种关 系场合，研究人员更看好电子显微镜，认为“电子的德布罗意波长比光波短 几个量级，所以电镜具有更高分辨成像的能力”(引语见《中国大百科全 书·物理学卷》，中国大百科全书出版社1987年版，第287页)；但在后一 种关系场合，研究人员则看好光学计算机，认为电子技术只是“频率低于微 波电磁波的发射、传输、接收、处理及其与物质相互作用的技术”(引语徐 积仁的《光电子学展望》一文(1990.8))。
本发明人认为，光学显微镜未必劣于电子显微镜，比如本世纪八十年代 出现的激光扫描显微镜(LSM)和新型X射线显微镜，在高分辨成像方面 就有很好的性能。我们可将光学显微镜和电子显微镜各自的优点结合起来， 不仅可提高分辨成像能力，而且可以从放大图象中提取演化信息。
从“当前”特定的放大图象中提取演化信息不是不可能的，实际上，任何 作为演变结果的实物及其样品都是与过去和现在相联系(甚至还与未来相联 系)的含时信息载体。现在，本发明试图通过创造光电演化处理器并将这种 装置引入电子显微镜，使电子显微镜被改进成为光电子演化处理显微镜，使 得人们能够从“当前”特定的放大图象中提取微观组织的过去信息，甚至提取 微观组织的将来信息。
现从科学基础、成像原理和基本构成三方面介绍本发明的内容。
要从“当前”特定的放大图象上提取关于事物以往(甚至将来)的演化信 息，就必须有一种能够分级产生不同波长电磁辐射的演化光源。这种光源实 际上是存在的，如大气中的宇宙线电磁级联簇射，高能多光子过程等。对这 种新光源，本发明人从科学上做了如下探讨(详见本发明人李宗诚在1994 年将要出版的学术刊物《光谱学与光谱分析》上发表的论文“N级分叉—混 沌光子模型及其演化波谱研究”)
1、科学基础
本发明的基础由RLC振荡电路系统构成。本发明所以要采用非线性电 路，是由于有不少实验和理论分析(前面已列出有关文献)已表明，许多非 线性器件、电路和系统能够呈现一种远比经典电路所呈现的直流稳态响应、 周期响应、子谐波响应、超谐波响应和殆周期(准周期)响应更为复杂的响 应，而这种复杂响应与生物体的复杂响应是相适应的。
从前面提及的非线性振荡电路实验结果。我们可断定：i)随着分叉级 数n的增加，非线性振荡以z(n)倍周期而递增；ii)在第n级分叉上，非 线性振荡由z(n)个分叉波迭加而成。这里z(n)取整数值。关于这一 点，可参见本发明人李宗诚在《1994年全国自动化控制理论学术论文集》 发表的论文“自组织控制系统分析方法：分叉—混沌信号与N级分频谱变 换”。还可参见本发明人李宗诚在1994年将要出版的学术刊物《数据采集与 处理》上发表的论文“关于非平衡信号的采样间隔和频率”。
在将非线性电路引入探测器或加速器的条件下，由非线性振荡电路实验 结果，我们可以看到：电子具有N级分叉波动性；第n级分叉波的频率应 为v/z(n)、波长应为z(n)λ。特别地，当n→∞，电子具有混沌波动 性；当n＝0，电子具有de Broglie波动性。
根据电子光学所确认的如下事实：A)在电场和磁场中控制电子运动轨 迹的规律(最小作用量原理)与折射率有变化的化学媒质中控制光线的规律 (费马原理)之间的相似性；B)L.V.德布罗意于20世纪20年代揭示了电子 的波动性及其与光波的相似性；进而，考虑到电磁级联簇射及其它高能多光 子过程，我们可看到，在将非线性电路引入发射器的条件下，光子将具有倍 周期演变性，而且以分叉—混沌波为基本演变形式。关于这一点，可参见本 发明人李宗诚在1994年将要出版的学术刊物《光谱学与光谱分析》上发表 的论文“N级分叉—混沌光子模型及其演化波谱研究”。本发明人给出如下两 个重要结论：
①根据Feigenbaum分叉间距等比关系(见M.J.Feigenbaum，J.Stat. Phys.，19，25(1978)；21，669(1979))。
Δn/Δn+1→δ＝4.669201609…… 则N级分叉光子的速度应为
②N级分叉波的频率和波长应为
2、成像原理
以上述科学肉容为基础，本发明人提出光电子演化处理显微镜成像原理 如下。
附图2为光电子演化处理显微镜成像原理图。通过聚光镜L0的作用， 电子束在样品X上发生散射。在样品下方，设一与非线性振荡电路相接的 光电阴极P1。在电位差的初步控制作用下，散射后的电子流被加速。在光电 阴极下方的适当位置上设一金属靶M。被加速的电子流与金属靶碰撞后产 生高频辐射。在电位差的继续控制作用下，与金属靶M碰撞的电子流发生 级联簇射，从而形成级联簇射图象。在金属靶M一侧斜上方设一反射镜 L1。而在L1下方设一光电阴极P2。经L1反射后，级联簇射转向P2。在P2 的作用下，级联簇射图象变为载有样品演化信息的电子级联图象，在P2下 方周围设有一物镜L2。电子级联图象经物镜L2成一个放大倒立的像。放大 后的电子像在荧光屏AB1上显示出来，位于底部的照相底板AB2可用于记 录放大图象。
3、基本构成
本发明是主要由电子透射系统、样品台、光电子演化信息处理器、光电 放大系统和成像系统构成的光电子演化处理显微镜。如附图3所示。
这里的电子透射系统与现有透射电镜(TEM)的电子透射系统基本类 似，也是由电子、高压绝缘和聚光镜组成。
样品必须制成电子能穿透的，厚度为100～2000的薄膜。通过电子透 射系统和样品可形成电子图象。
光电子演化信息处理器由光电阴极、非线性振荡电路、金属靶和反射镜 构成。利用此处理器，可将电子图象较换为高频辐射图象，进而转换为载有 样品演化信息的级联簇射图象。
光电放大系统由光电阴极、物镜和投影镜构成。利用光电阴极，可将级 联簇射图象转换为电子级联图象。利用物镜和投影镜，可将电子级联图象放 大。
成像系统由荧光屏和照相底板组成。利用荧光屏可将电子级联图象转换 为可观察的辐射图象。利用照相底板可记录放大图象。
此餐，还开有一观察窗和一个真空系统。利用真空系统，可将最后的放 大图象的辐射吸收掉。
(六)本发明的优点
除了具有现有显微镜技术的所有主要优点外，本发明特有的最大优点 是：(1)将光电成像器件引入到电子显微镜中，从而将光学显微技术与电子 显微技术结合起来，形成技术“共振”效应；(2)通过创造光电子演化信息处 理器而将电子图像转换为级联簇射图象，从而由放大的图象可提取样品的演 化信息。
由于具有这两个主要优点，本发明既拓展了光学显微镜应用范围，也拓 展了电子显微镜应用范围。
(七)附图说明如下：
附图1--本说明书前面对此图已有说明。现进一步指出。图1所给的实 验，在许多实验室都不难做到，而且三十年代就有人发现过非线性电路中的 倍周期分叉现象。然而曾有五十年时间科学家对非线性电路进行了不知多少 研究，即漏过了这里的分频现象。
表1--美国物理学家Feigenbaum对许多非线性函数进行过叠代试验， 都得到分叉间距之比δ和分叉宽度之比α为
δ＝4.669201609……；α＝2.502907875……
这并不是巧合，而是自然界的普适常数。
另外，本说明书第(五)部分对附图2-3有说明。
(八)实现本发明的最好方式如下：
第一步，我们可运用现有电子显微技术来设置电子透射系统。电子的穿 透能力随β2＝v2/c2(电子速度与光速之比)而增。由于相对论效应，β2在 500kV以上就增加得很慢了。目前有200kV、300kV和1000kV的商品电 镜。超高压电镜(HVEM)除加速筒以外与一般TEM相似，只是尺寸放大 了。
第二步。我们可在电子透射系统之下运用现有电子显微技术设置样品 台。适当放大电子透射系统的尺寸后。样品周围空间增大，便于安置各种处 理样品的附件，如拉伸、加热、冷却、化学反应等副件，并能把它们与倾斜 样品结合起来。样品上厚的部分或重元素多的部分对电子散射的几率大。透 过这些部分的电子在后焦面上分布在轴外的多。散射吸收(指被光阑挡住) 衬度是最早被人们所认识和利用的衬度机制。就表面复型技术面言，它的分 辨本领可达几十埃。
第三步，我们可以在样品台之下用本发明特有的方式建立光电演化信息 处理器。先平置一纤维光学输入窗，紧挨此窗设一与非线性振荡电路相接的 光电阴极。光电阴极可采用III-V族化合物P型半导体单晶，由液相延或汽 相外延生成，然后在超高真空中清洁表面并用铯氧进行处理，使其真能级位 于半导体导带底之下，从而形成负电子亲和势。它的突出优点是灵敏度高、 光谱响应向长波阈延伸、光电子的能量分布集中和暗发射小。通过光电阴极 可将辐射图象转换为电子流。对整个光电演化信息处理器可用电位差作为控 制参量。在一定的有效时间内，可通过对电位差的控制并通过金属靶而将加 速的电子流转换为高频辐射图象。进而通过对电位差的继续控制而将高频辐 射图象转换为载有样品演化信息的级联簇射图象。为了能够从辐射图象提取 演化信息，光电演化处理器发射的最初演化级上的光波的频率应较高而波长 应较短。例如，发射的最初演化级上的光为硬X射线，其波长应在10-2～ 100之间。对于级联簇射图象所包含的当前信息，光电演化处理器发射的 当前演化级上的光波的频率应较低而波长应较长，例如，发射的当前演化有 上的光为通常的可见光。为了将级联簇射图象向下传送出去，可在金属靶一 侧斜上方置一反射镜。
第四步。在光电演化信息处理器下方用纤维光学输入窗、光电阴级、物 镜和投影镜组建光电放大系统。通过与线性电路相接的光电阴级，将级联簇 射图象转换成电子图象。进而利用物镜和投影镜，将电子图象放大。
第五步，在光电放大系统下方用荧光屏和照相底板建立成像系统。
第六步，在荧光屏斜上方开一个观察窗，在荧光屏另一侧加一个真空系 统。
本文发布于:2024-09-23 10:18:11，感谢您对本站的认可！
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