利用六极场和四极场进行色差和球差校正

《Ultramicroscopy》：Chromatic and Spherical Aberration Correction with Hexapole and Quadrupole Fields

校正色差与球差的六极-四极组合透镜系统设计，通过厚六极场补偿第三阶球差并校正残余几何像差，替代传统圆透镜转移双合透镜，采用四极多极体叠加电磁场实现色差校正，显著提升低能电子显微镜分辨率。

　　

森下茂之（Shigeyuki Morishita）|泽田英隆（Hidetaka Sawada）|奥科希纪宏（Norihiro Okoshi）|脇顺作（Shunsaku Waki）|田中宏典（Hironori Tanaka）|市川勝則（Katsunori Ichikawa）|安格斯·柯克兰（Angus Kirkland）

JEOL有限公司，日本东京昭岛市武藏野3-1-2，邮编196-8558

摘要

我们报告了一种基于六极场和四极场组合的色差和球差校正器的开发。厚六极场用于产生负的三阶球差，并校正残余的轴向和离轴像差。作为在六极场之间使用圆形传输透镜的替代方案，采用了一个产生叠加的电四极场和磁四极场的四极多极体来产生负的色差。该四极多极体同时在校正器中起到传输透镜的作用。本文描述了使用这种校正器设计同时校正色差和球差的方法，并展示了在能量扩散成为限制因素的情况下分辨率的提升。

引言

校正圆形电磁物镜固有的球差和色差[1]对于使用透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）进行高分辨率成像非常重要。已经提出了多种球差校正器的光学几何结构，并通过实验验证，这些结构显著提高了TEM和STEM[2,3]以及STEM EELS/EDS成像[4,5]的空间分辨率。它们尤其在低加速电压下[7]和无磁场环境中的样品[8]下显著提升了分辨率。根据六极元件[2,9]和四极-八极组合[3]，已经报道了两种基本类型的球差校正器。在六极校正器中，厚六极场通过每个六极元件的三次像差产生负的三阶球差。在四极-八极校正器中，通过八极场作用于四极场形成的椭圆形束流来产生负的球差。这两种类型的校正器都已成功商业化，初始设计也得到了改进，能够校正更高阶的轴向和离轴几何像差[[10], [11], [12]]。

除了三阶球差（C_s?=?C_3,0）和残余的轴向几何像差外，为了实现高分辨率TEM成像，还需要校正一阶色差焦距（C_c?=?C_c1,1,0）和像差（C_c1,1,2），因为在入射束的固有能量宽度导致的部分时间相干性成为限制因素[13]。一种减少色差限制效应的方法是对主束进行单色化[14,15]。然而，单色化后的束流电流会减小，而且这种方法无法补偿由于在较厚样品中的非弹性散射引起的能量扩散所导致的色差效应。通过安装色差校正器来补偿圆形电磁物镜的固有正色差可以克服这些缺点。已有几个项目报道了同时校正几何像差和色差的方法，适用于明场相位对比TEM成像和高分辨率能量过滤TEM[16,17]。对于低能量电子，色差的影响更为明显，使用带有色差校正器的仪器在低加速电压下已经实现了二维材料的原子分辨率TEM成像[18,19]。对于厚样品的TEM成像，色差校正也很重要，因为非弹性电子散射会降低图像质量，这在冷冻状态下生物样品的高分辨率成像中尤为重要[20,21]。

迄今为止开发的所有色差校正器都由四极场和八极场的组合构成[13,22]，因此在此将其称为QO校正器。在这些设计中，叠加的电四极场和磁四极场产生负的C_c1,1,0和C_c1,1,2，而八极场在椭圆形束流上产生负的C_3,0。然而，与六极校正器相比，QO校正器的残余高阶几何像差和离轴像差通常更大[23]。因此，之前已经报道了将六极C_s校正器和四极C_c校正器串联使用的方案，并进行了原理验证实验[24,25]。

在这项研究中，我们提出了一种单一校正器的设计，该校正器可以同时校正C_c和C_s，而不是将六极C_s校正器和四极C_c校正器串联连接。在所描述的光学布置中，还可以在校正器内的每个多极元件上叠加八极场。这些八极场、六极场和四极场的组合像差可以进一步用于补偿剩余的残余轴向像差。

章节摘录

光学概念

在六极C_s校正器中，使用两个或多个厚多极体（由六极或十二极元件组成）产生六极场，这些六极场通过由圆形透镜对形成的传输透镜对进行连接[26,27]。通过将六极体放置在共轭平面上，可以消除六极场产生的三次像差，从而使得厚六极场产生负的C_3,0。在这项研究中，我们也使用了厚六极场，但是替换了传输用的圆形透镜对。

像差评估

上述HQ型C_c/C_s校正器的结构如图5所示。校正器的高度约为72厘米，物镜和校正器通过传统的圆形透镜对连接。通常，每个光学元件的功率随电子能量而变化，对于这种校正器，在200 kV和300 kV时所需的电极电压分别约为100 kV时所需电压的2.5倍和4.6倍。该校正器被设计为在

总结与结论

我们报告了一种新型的六极-四极C_c/C_s校正器设计，用于透射电子显微镜，并展示了对其一阶色差和三阶几何像差的校正效果。重要的是，包括C_3,0在内的几何像差的校正表明，可以使用这种设计中的四极多极体代替传统的圆形透镜传输透镜对。此外，所需的六极元件可以放置在共轭位置

CRediT作者贡献声明

森下茂之（Shigeyuki Morishita）：撰写原始草稿、项目管理、方法论研究、数据整理、概念构思。泽田英隆（Hidetaka Sawada）：撰写与编辑、项目管理、研究、概念构思。奥科希纪宏（Norihiro Okoshi）：研究。脇顺作（Shunsaku Waki）：研究。田中宏典（Hironori Tanaka）：研究。市川胜则（Katsunori Ichikawa）：软件开发。安格斯·柯克兰（Angus Kirkland）：撰写与编辑、监督、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：森下茂之拥有JEOL有限公司颁发的专利。泽田英隆拥有JEOL有限公司颁发的专利。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢工程与物理科学研究委员会对罗莎琳德·富兰克林研究所（Rosalind Franklin Institute）的资助。作者感谢O Krivanek和N Dellby在适当的一般像差命名法[3]（包括色差术语）方面提供的有益讨论。