Brevet FR2499314A1 — publié le 19820806

La présente invention concerne les microscopes élec- troniques à balayage et, plus particulièrement, un microsco- pe électronique à balayage à fonctionnement in situ. L'utilisation des microscopes électroniques à bala- yage a connu, ces dernières années, un développement fou- droyant en raison de leur souplesse d'utilisation, en asso- ciation notamment avec des écrans cathodiques de visualisa- tion, et de leurs performances extrêmement appréciables d'ob- servation, notamment en ce qui concerne la profondeur de champ. Ces caractéristiques rendent les microscopes électroniques à balayage particulièrement avantageux, au plan industriel, pour le contrôle de surfaces de pièces structurelles ou opération- nelles, notamment pour le contrôle de procédés de fabrication ou l'étude de déformations de surfaces lors d'essais de con- traintes. Jusqu'à présent,l'étude de telles surfaces était fai- te par des procédés optiques classiques utilisant des loupes ou des microscopes optiques, avec les inconvénients afférents de faible grandissement, et surtout de profondeur de champ limitée. Il apparaît donc particulièrement tentant de mettre en oeuvre,pour de tels contrôles, des microscopes 4lectroni- ques à balayage en raison de leurs avantages évoqués ci-des- sus.or, on le sait,en microscopie électronique, il est néces- saire d'introduire l'objet à observer sur un support spécial pour le placer dans une enceinte sous vide formant chambre 2. d'observation pour le microscope.De ce fait, l'utilisation de microscopes électroniques imposait jusqu'à présent le recours à des techniques de préparation destructive des pièces,néces- sitant le prélèvement d'un échantillon susceptible d'être placé dans la chambre d'observation,au prix, le plus souvent, d'une détérioration ou d'une déformation rédhibitoire de la zone à étudier. Pour obvier cet inconvénient, il a été proposé une technique d'observation au microscope électronique, utilisant 1O une enceinte sous vide intermédiaire de faibles dimensions reliée à un dispositif de pompage puissant et débouchant au droit de la zone à observer par un diaphragme de très petite ouverture (de l'ordre de 30 microns) et de faible épaisseur, afin de limiter autant que faire se peut le débit de fuite d'air à compenser en permanence par le dispositif de pompage. La technique ainsi proposée souffre de nombreuses limitations, tenant notamment au champ très limité d'observation, du fait de la dimension microscopique du diaphragme, à la non-homogé- néité du vide au niveau de l'axe optique ainsi qu'à la dif- fusion des électrons rétrodiffusés par l'objet entraînant des images de qualité médiocre. La présente invention a précisément pour objet d'ob- vier à ces inconvénients en proposant un ensemble de microsco- pe électronique à balayage fonctionnant in situ, de construc- tion légère et transportable, qui puisse être posé directement sur l'objet à examiner sans préparation particulière de celui- ci, en autorisant une observation directe de l'objet en ques- tion dans son environnement naturel, en permettant d'obtenir de forts grandissements avec une profondeur de champ impor- tante (par exemple de l'ordre de mille fois plus grande qu'avec un microscope optique) pour une étude rapide, sou- ple et non destructive in situ par exemple d'ailes d'avion,ou pour le contrôle de pièces usinées ou travaillées avec préci- sion, telles que des lentilles de verre ou des miroirs de systèmes optiques. Pour ce faire, selon une caractéristique de la pré- sente invention, l'ensemble de microscope électronique à 3. balayage à fonctionnement in situ, comprenant une colonne de microscope électronique unitaire, des moyens de connexion à une installation de commande et de contrôle du microscope et à une installation de pompage, comporte un moyen de sup- port de la colonne, relié à la partie inférieure de celle-ci, et définissant une chambre intérieure présentant une partie ouverte inférieure destinée à être placée en appui étanche sur une surface périphérique solidaire de la zone à observer, des moyens étant prévus pour mettre en communication la cham- bre intérieure avec une installation de pompage transporta- ble. Selon une caractéristique plus particulière de l'invention, le moyen de support comprend une paroi ou jupe périphérique résistant à la pression définissant la chambre intérieure et des moyens d'étanchéité souples délimitant la partie ouverte inférieure de la chambre et destinés à être appliqués sur la surface support à observer. D'autres caractéristiques et avantages de la présen- te invention ressortiront de la description suivante d'un mo- de de réalisation, donné à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec le dessin annexé sur lequel: La figure unique est une vue schématique d'un ensem- ble de microscope électronique à balayage à fonctionnement in situ selon la présente invention positionné en appui étanche sur une surface à observer. Comme représenté sur la figure 1, l'ensemble de mi- croscope électronique à balayage à fonctionnement in situ selon l'invention comprend essentiellement une colonne de microscope électronique 1, de faibles dimensions et de poids réduit, reliée à une installation de commande et de contrôle électronique adéquate 2, un moyen de support de colonne 3 dé- finissant une chambre intérieure 4, reliée ainsi que la co- WtN) lonne 1, à un dispositif de pompage puissant et portatif 40. De façon plus spécifique, la colonne 1 comprend un châssis tubulaire hermétique 5 renfermant, successivement, un canon à électron 6,un étage 7 de deux condenseurs 71 et 72' un éta- ge de lentille objectif 8 avec un stigmateur 9 et des bobines 4. de balayage 10 dans un conduit tubulaire 11 se prolongeant jusqu'au voisinage du fond d'un capot tronconique 12 conver- geant vers le bas, fermant la colonne 1 et muni d'une ouver- ture centrale 13 de passage du faisceau électronique autour de laquelle est disposé le détecteur d'électron annulaire 14 concentrique à l'axe optique 15 de la colonne 1. Conformément à la présente invention, le moyen sup- port 3 de la colonne 1 comprend une paroi ou jupe périphé- rique à résistance de forme 16, résistant à la pression par exemple une virole en acier inoxydable, définissant la cham- bre intérieure 4, dans laquelle-fait saillie le capot tronco- nique inférieur 12 et sur le bord de l'extrémité ouverte de laquelle est fixé un joint élastique périphérique 17, par exemple en matériau élastomère plein ou sélectivement gonfla- ble. Le moyen de support comprend, en outre, un système de réglage en hauteur ou de vérins 18, 18', permettant de régler avec précision sur une plage déterminée la distance entre le détecteur 14 et la zone à observer A de la surface 19' du corps 19 à étudier. Un connecteur 20,monté dans la paroi 16, permet le raccordement du détecteur 14 à l'installation de commande et de contrôle 2. La paroi 16 comporte en outrela- téralement, un manchon 21 de raccordement au dispositif de pompage 4. Dans un mode de réalisation particulier, pour per- mettre un débattement angulaire de la colonne 1 et couvrir ainsi une surface d'observation A plus grande, la colonne 1 est reliée à l'extrémité supérieure de la paroi support 16 par un système à rotule 22, par exemple à surfaces toriques coopérantes en téflon, l'étanchéité au niveau de la rotule 22 étant assurée par une membrane souple 23 en un alliage métalli- que connu sous l'appellation "Tombac" reliant de façon étanche la partie supérieure de la paroi 16 à une couronne adjacente du capot tronconique 12. On comprendra donc que, pour l'observation in situ d'une pièce quelconque, on amène la colonne de microscope 1 avec son support 16 à l'aplomb de la zone A à étudier, l'en- semble prenant appui sur la pièce à étudier 19 par le joint 5. souple 17, l'application du vide dans la chambre intérieure 4 du moyen de support par le dispositif de pompage4o assurant -4 dans celle-ci, le degré de vide (de l'ordre de 104 mm de mercure) nécessaire pour le fonctionnement du microscope tout en plaquant en outre de façon parfaite le joint 17 sur la sur- face 19', assurant ainsi l'étanchéité requise pendant le temps nécessaire à l'observation. Ce dispositif permet ainsi l'étu- de, sur place, sans préparation préalable, d'ailes d'avion ou d'autres surfaces avec un pouvoir de résolution de l'ordre de 10 à 20 nanomètres. La colonne de microscope 1, d'une hauteur approxima- tive de 50 centimètres, est par exemple du type MIEL bis mis au point par le laboratoire d'optique électronique du CNRS à Toulouse, fonctionnant sous une basse tension de l'ordre de 10 à 15 kilovolts. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, pour l'observation de détails sur des surfaces d'aires limitées, la paroi 16 du moyen support peut être prolongée radialement vers l'intérieur par une couronne, elle-même terminée par le joint étanche 17, pour limiter l'ouverture de la chambre intérieure 4. 6. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de microscope électronique à balayage à fonctionnement in situ comprenant: une colonne de micros- cope unitaire; et des moyens de connexion â'une installation de commande et de contrôle du microscope et à une installa- tion de pompage, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de support (16, 18) de la colonne (1), relié à la partie inférieure de celle-ci et définissant une chambre intérieure (4) présentant une partie ouverte inférieure destinée à être placée en appui étanche sur une surface (19') solidaire de la zone (A) à observer, des moyens (21) étant prévus pour mettre en communication la chambre intérieure (4) avec une installa- tion de pompage transportable (4). 2 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de support comprend une paroi périphérique résistant à la pression (16) définissant la chambre inté- rieure (4) et desmoyens d'étanchéité souples (17) délimitant la partie ouverte inférieure de la chambre. 3 - Ensemble selon la revendication 2,caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité souples comprennent un moyen de joint élastique périphérique (17). 4 - Ensemble selon la revendication 2 ou la revendi- cation 3,caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réglage en hauteur (18, 18') pour régler la distance entre l'extrémi- té inférieure de la colonne (1) et la surface à observer (A). - Ensemble selon la revendication 3 ou la revendi- cation 4,caractérisé en ce qu'il comprend une jupe à résistan- ce de forme (16) formant ladite paroi périphérique, reliée de façon articulée (22) à la base de la colonne (1), une mem- brane souple étanche (23) reliant la partie supérieure de la jupe à la base tronconique (12) de la colonne (1). 6 - Ensemble selon la revendication 5,caractérisé en ce que la membrane (23) est réalisée en un alliage métal- lique. 7 - Ensemble selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un détec- teur d'électrons annulaires (14) monté à l'extrémité infé- 7. rieure tronconique (12) de la colonne qui fait saillie dans la chambre intérieure (4). 8 - Ensemble selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 7, caractérisé en ce que le moyen de joint élasti- que périphérique (17) est réalisé en un matériau élastomère.