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Einrichtung zum Abbilden von Gegenständen.
Da Elektronenstrahlen im feldfreien Raum ähnlich den Lichtstrahlen geradlinig verlaufen, erhält man auf einem Leuchtschirm ein vergrössertes Schattenbild, wenn man einen für die Strahlen undurch- dringlichen Gegenstand in ein divergentes Strahlenbündel bringt.
Bei Kathodenstrahloszillographen wendet man häufig elektromagnetische Felder an, die den Strahl konzentrisch umgeben und eine Striktion des Strahles bewirken sollen. Diese Felder wirken auf den Strahl ähnlich ein wie eine optische Linse auf einen Lichtstrahl ; sie können das Strahlenbündel konvergent oder divergent machen. Infolgedessen erhält man bei Anwendung derartiger Striktionsfelder auf dem Leuchtschirm unter Umständen ebenfalls ein vergrössertes oder auch ein verkleinertes Leuchtbild des Kathodenstrahles.
Diese Vergrösserung von Schattenbildern ist bisher nur als technisch weniger wichtige Nebenerscheinung der Elektronenstrahlen betrachtet worden. Die Verkleinerung hat man bisher nur dazu ausgenutzt, einen scharfen Leuchtfleck (Brennpunkt) zu erhalten.
Nach der Erfindung wird die den Linsen der Optik ähnliche Wirkung von Kraftfelder, die einen Elektrodenstrahl konzentrisch umgeben und radial beeinflussen, dazu ausgenutzt, Gegenstände entsprechend dem Zweck der optischen Lupen und Mikroskope zu vergrössern. Dazu wird der zu vergrössernde Gegenstand einem Elektronenstrahl bzw. einem Strahlenbündel ausgesetzt und das Bündel entweder vor oder hinter dem Gegenstand durch linsenähnlich wirkende Felder konvergent oder divergent gemacht.
An sich ist es bereits bekannt, die Laufbahn der Elektronen eines Kathodenstrahls durch magnetische Spulen oder elektrostatische Blenden zu beeinflussen. Dies geschah aber vorwiegend zu dem Zwecke, eine Konzentration des Elektronenstrahls, insbesondere zur Erzielung scharfer Linien beim Kathodenstrahloszillographen, zu erzielen. Demgegenüber sollen bei der Erfindung die Spulen oder Blenden zur Erzeugung einer ruhenden Abbildung eines bestimmten Gegenstandes in der Art, wie dies in der Optik mit Hilfe von Linsen geschieht, benutzt werden.
Auf der Zeichnung ist in den Fig. 1-5 das Prinzip der Erfindung erläutert. In den Fig. 6-11 sind verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine magnetische Striktionsspule, deren Breite klein ist gegenüber der Bahnlänge des Kathodenstrahlbündels. Die Strahlen werden durch das magnetische Feld zu der mit der Spulenachse zusammenfallenden Strahlenachse gedrängt, so dass die Strahlen in einem Brennfleck oder in einer Brennlinie, bei homogenen Strahlen in einem Brennpunkt zusammenlaufen.
Die gleiche Wirkung kann man aber auch erfindungsgemäss durch statisch aufgeladene Blenden erzielen, die im wesentlichen symmetrisch um die Strahlriel. tung verlaufen. In Fig. 2 ist eine derartige Blende dargestellt. Das elektrostatische Feld ist durch seine Kraftlinien wiedergegeben. Die Aufladung der Blende a ist negativ angenommen. Wenn die Elektronen eines Kathodenstrahlbündels durch die Blende strömen, so werden sie von ihr abgestossen. Sie werden daher aus ihrer ursprünglichen Bahn, die parallel verlaufend angenommen ist, nach innen abgelenkt und zu einem konvergenten Bündel mit
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dem Brennpunkt o vereinigt, den sie'divergent wieder verlassen.
Da die radiale Komponente der Feld- stärke der Blende in ihrer Achse Null ist und nach aussen zunächst linear zunimmt, so werden die Elektronenstrahlen um so stärker abgelenkt, je weiter sie von der Strahlen-und Blendenachse entfernt sind.
Hiedurch wird bewirkt, dass sich sämtliche Strahlen an der gleichen Brennstelle vereinigen. Um diese Proportionalität der radialen Feldstärke vom Aehsenabstand mit ausreichender Genauigkeit zu verwirklichen, ist es zweckmässig, die Blendenöffnung erheblich grösser als die ursprüngliche Strahlenstärke zu machen oder dem Feld durch eine bestimmte Elektrodenform die geeignete Gestalt zu geben.
Wenn man die Spannung der Blende nicht negativ, sondern positiv wählt, so werden die Elektronenstrahlen zur Blende hingezogen. Man erhält dann, wie Fig. 3 zeigt, aus einem parallel verlaufen- den Strahlenbündel ein divergentes Bündel. Während also die negative Blende wie eine Kovexlinse der Optik wirkt, arbeitet die positive Blende wie eine Konkavlinse. Durch Zusammenstellen derartiger
Blenden kann man alle in der Optik bekannten Vorrichtungen, die auf konvergenten oder divergenten
Strahlenbündeln beruhen, für Elektronenstrahlen nachbilden. Es ist beispielsweise möglich, auf diese Weise ein Mikroskop oder Fernrohr aufzubauen, das direkte oder reflektierte Elektronenstrahlen auf- nimmt.
Auf diese Weise ausgebildete Lupen, Mikroskope und Fernrohre ermöglichen Beobachtungen, die der optischen Untersuchung nicht zugänglich sind, sie lassen ferner eine in der Grössenordnung beträchtlich stärkere Vergrösserung zu als die optischen. Instrumente, deren Auflösungsvermögen durch die Wellenlänge des Lichts eingeschränkt ist. Diese Einschränkung fehlt bei Lupen, die mit Elektronenstrahlen arbeiten, da deren Wellenlänge um mehrere Grössenordnungen kleiner ist.
Da die Ablenkung der Elektronenstrahlen von ihrer Geschwindigkeit abhängt, so erhält man nur dann einen scharfen Brennpunkt, wenn man mit homogenen Kathodenstrahlen arbeitet. Es empfiehlt sich daher, das Strahlenbündel homogen zu machen, bevor man den zu vergrössernden Gegenstand dem
Strahl aussetzt. Die Homogenität des Strahls kann man auf bekannte Weise erzielen, z. B. indem man den Strahl durch mehrere auf gleichem Potential befindliche Geschwindigkeitsblenden schickt. Erfindungsgemäss lässt sich jedoch auch für das Erzielen der Homogenität die Linsenwirkung radial wirkender magnetischer oder elektrostatischer Felder ausnutzen.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 4 dargestellt. Von der Kathode k geht ein divergentes und inhomogenes Strahlenbündel aus. Dieses Bündel wird durch eine elektrostatische Blende Si aufgefangen und nahezu parallel gerichtet. Die geladene Blende az konzentriert das Strahlenbündel.
An der Brennstelle 01'die den Strahlen des Bündels mit gewünschter Geschwindigkeit entspricht, ist eine Lochblende c angeordnet. Die Blende c kann aufgeladen oder auf Nullpotential gehalten sein. Da das Strahlenbündel auch Strahlen änderer Geschwindigkeit enthält, würde sich beim Fehlen der Blende c kein scharfer Brennpunkt o ausbilden ; vielmehr würden die einzelnen zu den Strahlen verschiedener Geschwindigkeit gehörenden Brennpunkte längs einer grösseren Strecke der Strahlenachse verteilt sein.
Durch die enge Lochblende c werden jedoch sämtliche Strahlen abgefangen, deren Brennpunkt an einer andern Stelle als bei o liegt. Infolgedessen tritt durch die Blende c ein divergentes Bündel, das nur oder vorwiegend Strahlen einer bestimmten Geschwindigkeit enthält.
Das die Blende c verlassende divergente, homogene Strahlenbündel wird durch eine weitere Blende o ; g parallel gerichtet. Hinter der Blende < wird der zu vergrössernde Gegenstand d in den Strahlengang gebracht und durch eine vierte geladene Blende a4 gemäss Fig. 2 vergrössert.
Des besseren Verständnisses halber ist bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel für jede Beeinflussung des Strahles je eine besondere Blende verwendet. Man kann jedoch auch die Zahl der Blenden verringern oder gegebenenfalls vergrössern. Ferner kann man hinter der Blende a4 weitere Blenden anordnen, die zusammen mit der als Lupe wirkenden Blende a4 eine Vergrösserung ergeben, wie sie mit einem Mikroskop oder einem Fernrohr erreicht wird. Ein Beispiel dieser Art ist in Fig. 5 dargestellt. Der homogene, parallel gerichtete Elektronenstrahl fällt durch den zu beobachtende Körper d. Er geht
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des vergrösserten Strahlenquerschnittes ein und vergrössert diesen wiederum usw. Auf diese Weise erhält man eine kaskadenartige Vergrösserung.
Nimmt man an, dass alle Blenden den gleichen Vergrösserungsfaktor haben, so ist die durch n-Blenden erzielte Vergrösserung gleich der n-ten Potenz des Vergrösserungsfaktors. Durch derartige Kaskadenanordnungen lassen sich starke Vergrösserungen erzielen, ohne dass das Feld der einzelnen Blenden eine unbequeme hohe Feldstärke haben muss.
Ähnliche Ergebnisse lassen sich auch mit Konvergenzblenden oder mit Anordnungen erzielen, die sowohl Konvergenz-oder Divergenzblenden enthalten.
Der zu vergrössernde Gegenstand d kann z. B. aus einer zu beobachtende dünnen Schicht bestehen, die den Elektrodenstrahl mehr oder weniger geschwächt hindurchlässt.
Anordnungen nach der Erfindung sind auch für Fälle anwendbar, in denen der zu beobachtende Gegenstand selbst die Quelle von Elektronenstrahlen ist, die Strahlen also direkt erzeugt oder reflektiert.
Ferner kann auch der zu untersuchende Gegenstand die Quelle von Sekundärstrahlen darstellen. In allen dipsen Fällen ist es möglich, mit Hilfe von geladenen Blenden Bilder zu erzielen, die den reellen
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oder virtuellen Bildern der Optik entsprechen. Es lassen sich auch Mikroskope im Sinne der Erfindung ausführen, die auf derartigen Abbildungen beruhen.
Die Prinzipien der Optik lassen sich also weitgehend auf Einrichtungen anwenden, die eine Vergrösserung eines zu beobachtende Gegenstandes mit Hilfe von Elektronenstrahlen bewirken. Das gilt sowohl für die in den Beispielen beschriebenen elektrostatisch wirkenden Anordnungen als auch für solche mit magnetischen Konvergenz-oder Divergenzfeldern.
Unter Umständen empfiehlt es sich, das Vakuum an den verschiedenen Stellen des Strahlengangs verschieden zu machen. Ferner kann es vorteilhaft sein, dem Elektronenstrahl an den verschiedenen Stellen des Strahlengangs eine verschiedene Geschwindigkeit zu geben zur Erzielung einer möglichst grossen Intensität des erzeugten Bildes und einer weitgehenden Unabhängigkeit von störenden Einflüssen. Z. B. empfiehlt es sich, Strahlen hoher Geschwindigkeit zu benutzen. Das erschwert aber anderseits in manchen Fällen die Anwendung der Einrichtung zum Untersuchen lebender Substanzen. In solchen Fällen können langsame Elektronen und ein geringeres Vakuum vorteilhafter sein, um Zerstörungen des zu untersuchenden Objektes zu vermeiden und gute Kontraste zu erzielen.
Fig. 6 zeigt ein Ausführnngsbeispiel der Erfindung, bei dem diese Schwierigkeiten vermieden werden können. 1 ist das Gehäuse der Einrichtung, 2 die darin untergebrachte Kathode, 3 das zu vergrössernde Objekt und 4 der Leuchtschirm. Mit 5 ist eine Sammelspule bezeichnet, die den von der Kathode 2 ausgehenden Elektronenstrahl parallel richtet oder konvergent macht. Die zwischen der Kathode und der Blende 6 liegende Anodenspannung ist bei dem dargestellten Beispiel hoch angenommen, um eine möglichst grosse Anzahl von Elektronen zu erzeugen. Die Elektronen haben infolgedessen eine ziemlich grosse Geschwindigkeit.
Um zu verhindern, dass die Strahlen mit dieser Geschwindigkeit auf das zu vergrössernde Objekt 3 auftreffen und es zerstören und um bessere Kontraste zu erzielen, ist eine weitere Blende 7 vorgesehen, die gegenüber der Blende 6 und dem Elektronenstrahl negativ aufgeladen ist. Zwischen den Blenden 6 und 7 besteht infolgedessen ein in Längsrichtung des Strahles wirkendes elektrostatisches Feld, das die Strahlgeschwindigkeit verzögert. Der Strahl hat daher bei seinem Durchtritt durch das Objekt 3 eine verhältnismässig geringe Geschwindigkeit.
Hinter dem Objekt sitzen zwei weitere Blenden 8 und 9, von denen die Blende 8 negativ und die Blende 9 positiv geladen ist. Beide Blenden erzeugen zwischen sich ein Längsfeld, das den Strahl wieder beschleunigt. Hinter der Blende 9 sind die zum Vergrössern notwendigen Blenden oder Spulen 10 und 11 angeordnet, die zum Vergrössern des erzeugten Abbildes dienen.
Das Vakuum kann in den verschiedenen Abschnitten der Einrichtung versel ieden sein. Im Raum 12, der die Kathode 2 aufnimmt und durch die Blende 6 gegen den übrigen Teil des Entladunggefässes begrenzt ist, wird z. B. ein für die Erzeugung des Elektronenstrahles günstiges hohes Vakuum aufrechterhalten. In dem zwischen den Blenden 6 und 7 liegenden Verzögerungsraum 13 herrscht ein mittleres Vakuum. In dem Raum 14 zwischen den Blenden 7 und 8, worin sich das abzubildende Objekt 3 befindet, wird ein möglichst niedriges Vakuum angewandt, im Beschleunigungsraum 15 zwischen den Blenden 8 und 9 ein mittleres Vakuum und in den zwischen der Blende 9 und dem Leuchtschirm 4 befindlichen Raum 16 zur Aufnahme des Abbildung-und Vergrösserungssatzes ein hohes Vakuum.
Das Vakuum in den einzelnen Raumabschnitte kann dabei durch dauerndes Auspumpen hergestellt und konstant gehalten werden.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung, bei der sich das zu untersuchende Objekt in Luft normalen Druckes befindet und durch ein Fenster (Lenard-Fenster) beobachtet wird. Der zu untersuchende Gegenstand wird durch eine Glühkathode oder mit Hilfe einer radioaktiven Substanz od. dgl. bestrahlt. Das Vakuumrohr 21 mit dem Leuchtschirm 22 ist durch ein Lenard-Fenster 23 zum Objekt 24 hin abgeschlossen.
Mit 25 und 26 sind Magnetspulen bezeichnet, die auf den Elektronenstrahl einwirken. Mit 27 ist die Elektronenquelle bezeichnet. Das von ihr ausgehende Strahlenbündel kann durch eine Striktionsspule 28 od. dgl. konvergent gemacht oder parallel gerichtet werden.
Bei Anwendung eines elektrisch erzeugten Kathodenstrahls kann man den Strahl ebenfalls durch ein Fenster aus dem Erzeugungsraum auf das zu vergrössernde Objekt übertreten lassen. Eine derartige Anordnung ist durch Fig. 8 wiedergegeben. In dem Vakuumrohr 29 ist eine Glühkathode 30 angeordnet. Der von dort ausgehende Strahl wird durch eine elektrostatische Blende 31 od. dgl. konvergent gemacht. Er fällt durch das Fenster 32 auf das Objekt 24. Die Beeinflussung des im Gehäuse 21 befindlichen Strahlenganges erfolgt bei diesem Beispiel durch elektrostatische Blenden 33 und 34.
Den Abstand zwischen dem Objekt und den Ein-oder Austrittsfenstern wird man so gering wie möglich halten, um die Absorption der Kathodenstrahlen in der Luft möglichst zu vermeiden. Man kann auch zur Verminderung der Absorption diese Teile des Raumes in einem Gefäss mit so niedrigem Vakuum anordnen, wie es das Objekt eben noch verträgt. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 9 dargestellt.
Der zwischen den Vakuumgebäusen 29 und 21 liegende Objektraum ist von einem Gehäuse 35 umgeben, in welchem ein niedriges Vakuum erzeugt wird.
Wenn das Strahlenbündel für die Abbildung des Objekts sehr eng ist, kann man unter Umständen auch ohne das Lenardsche Fenster auskommen, indem man die Elektronen lediglich durch ein feines
Loch in den Vakuumlaum ein-oder austreten lässt. Man ordnet dann nach Fig. 10 unmittelbar hinter
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dem Loch 36 eine kräftige Saugvorrichtung an, um die durch das Loch in das Vakuum ziehende Luft in einer oder mehreren Stufen zu beseitigen. In Fig. 10 sind zwei Stufen mit je einem Saugrohr 37 und 38 angegeben.
Das Objekt, das man durch Elektronenstrahlen vergrössert abbilden will, wird man beim Arbeiten mit durchfallenden Elektronen möglichst dünn ausführen. Damit es die nötige Konsistenz und Haltbarkeit besitzt, ordnet man es zweckmässig zwischen zwei Folien an, deren Dicke nur sehr geringe Bruchteile eines Millimeters beträgt und deren Mateiialdichte möglichst gering sein muss, um die Elektronenstrahlen nicht Übermässig zu bremsen. Zweckmässig verwendet man feinste Plättchen aus Metall, wie Gold, Silber oder Aluminium.
Wie bereits erwähnt, kann man mit Hilfe von Einrichtungen nach der Erfindung Feinheiten sichtbar machen, die weit jenseits des durch die Wellenlänge des Lichts bedingten optischen Auflösungs- vermögen liegen. Wegen der Unvollkommenheit der Linsenwirkung der magnetischen und elektrischen Felder ist es jedoch häufig schwierig, die Vergrösserung über einen gewissen Betrag zu steigern, der bei niedrigen Zehnerpotenzen liegt. In diesem Fall kann man die Vergrösserung in zwei Stufen vornehmen, indem man ausser dem Elektronenmikroskop noch ein optisches Mikroskop anwendet. In Fig. 11 ist eine derartige Anordnung dargestellt. Das Elektronenmikroskop ist mit 40 und das optische Mikroskop mit 41 bezeichnet.
Das auf dem Lichtschirm des Elektronenmikroskops erzeugte Bild besitzt eine Vergrösserung, wie sie durch Elektronenstrahlen bequem erreichbar ist, z. B. eine Vergrösserung, die in der Grössenanordnung des 100fachen liegt.
Um auf dem Leuchtschirm ein klares Bila zu erzielen, muss das Korn des Leuchtschirms möglichst fein sein. Vorteilhaft verwendet man eine geschliffene homogene Platte aus Einkristall, die beim Auftreffen des Strahlenbündels dessen Bild verzerrungsfrei darstellt.
Der elektrische und der optische Teil der Einrichtung kann zu einem einzigen Gerät zusammengebaut sein.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Abbilden von Gegenständen durch Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass vom abzubildenden, insbesondere zu vergrössernden Gegenstand direkt oder indirekt ausgehende oder ihn durchdringende Strahlen durch ein oder mehrere elektrostatische oder magnetische Felder koveigent, divergent oder parallel gerichtet und zur Erzeugung eines ruhenden (d. h. seinen Standort während der Beobachtung nicht wechselnden) Abbildes gebracht werden und dieses Bild selbst einer Beobachtung oder Messung oder Vergrösserung unterzogen wird.
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Device for imaging objects.
Since electron beams run in a straight line similar to light beams in field-free space, an enlarged shadow image is obtained on a fluorescent screen if an object that is impenetrable to the rays is brought into a divergent bundle of rays.
In cathode ray oscilloscopes, electromagnetic fields are often used, which surround the beam concentrically and are intended to cause the beam to be restricted. These fields act on the beam in a similar way to an optical lens on a light beam; they can make the beam convergent or divergent. As a result, when such strict fields are used on the luminescent screen, an enlarged or reduced luminous image of the cathode ray may also be obtained.
This enlargement of shadow images has so far only been regarded as a technically less important side effect of electron beams. The reduction has so far only been used to obtain a sharp light spot (focal point).
According to the invention, the effect of force fields, which are similar to lenses in optics and which concentrically surround an electrode beam and influence it radially, is used to enlarge objects in accordance with the purpose of optical magnifiers and microscopes. For this purpose, the object to be enlarged is exposed to an electron beam or a bundle of rays and the bundle is made convergent or divergent either in front of or behind the object by fields that act like lenses.
It is already known per se to influence the path of the electrons of a cathode ray by means of magnetic coils or electrostatic diaphragms. However, this was mainly done for the purpose of concentrating the electron beam, in particular to achieve sharp lines in the cathode ray oscilloscope. In contrast, in the invention, the coils or diaphragms are intended to be used to generate a stationary image of a certain object in the way that is done in optics with the aid of lenses.
In the drawing, the principle of the invention is explained in FIGS. 1-5. Various exemplary embodiments are shown in FIGS. 6-11.
Fig. 1 shows a magnetic striction coil, the width of which is small compared to the path length of the cathode ray beam. The beams are forced by the magnetic field to the beam axis coinciding with the coil axis, so that the beams converge in a focal point or in a focal line, in the case of homogeneous beams in a focal point.
The same effect can, however, also be achieved according to the invention by statically charged diaphragms which are essentially symmetrical around the radiation beam. run. Such a diaphragm is shown in FIG. The electrostatic field is represented by its lines of force. The charging of the diaphragm a is assumed to be negative. When the electrons of a cathode ray beam flow through the diaphragm, they are repelled by it. They are therefore deflected inward from their original path, which is assumed to run parallel, and form a convergent bundle with them
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united to the focus o which they'divergent leave again.
Since the radial component of the field strength of the diaphragm is zero in its axis and initially increases linearly towards the outside, the more the electron beams are deflected the further away they are from the beam and diaphragm axis.
This causes all rays to unite at the same focal point. In order to achieve this proportionality of the radial field strength from the axis distance with sufficient accuracy, it is advisable to make the aperture considerably larger than the original radiation strength or to give the field the appropriate shape using a specific electrode shape.
If one chooses the voltage of the diaphragm not negative but positive, the electron beams are drawn towards the diaphragm. As FIG. 3 shows, a divergent bundle is then obtained from a bundle of rays running in parallel. So while the negative diaphragm works like a covex lens of the optics, the positive diaphragm works like a concave lens. By putting together such
You can diaphragm all devices known in optics that are based on convergent or divergent
Beams based on emulate electron beams. For example, it is possible in this way to set up a microscope or telescope that records direct or reflected electron beams.
Magnifying glasses, microscopes and telescopes designed in this way enable observations that are not accessible to optical examination; they also allow a magnification that is considerably greater than the optical one. Instruments whose resolution is limited by the wavelength of the light. This restriction is absent with magnifying glasses that work with electron beams, as their wavelength is several orders of magnitude smaller.
Since the deflection of the electron beams depends on their speed, a sharp focus is only obtained when working with homogeneous cathode rays. It is therefore advisable to make the beam homogeneous before the object to be magnified
Beam exposes. The homogeneity of the jet can be achieved in known ways, e.g. B. by sending the beam through several speed apertures at the same potential. According to the invention, however, the lens effect of radially acting magnetic or electrostatic fields can also be used to achieve homogeneity.
An embodiment of this kind is shown in FIG. A divergent and inhomogeneous bundle of rays emanates from the cathode k. This bundle is caught by an electrostatic diaphragm Si and directed almost parallel. The charged diaphragm az concentrates the beam.
A perforated diaphragm c is arranged at the focal point 01 ′, which corresponds to the rays of the bundle at the desired speed. The diaphragm c can be charged or kept at zero potential. Since the bundle of rays also contains rays of different speed, no sharp focal point o would be formed in the absence of the diaphragm c; rather, the individual focal points belonging to the rays of different velocities would be distributed along a greater distance of the ray axis.
However, the narrow perforated diaphragm c intercepts all rays whose focal point is at a point other than at o. As a result, a divergent beam passes through the diaphragm c and contains only or predominantly rays of a certain speed.
The divergent, homogeneous bundle of rays leaving the diaphragm c is passed through a further diaphragm o; g directed parallel. Behind the diaphragm <the object d to be enlarged is brought into the beam path and enlarged by a fourth charged diaphragm a4 according to FIG.
For the sake of better understanding, in the example shown in FIG. 4, a special diaphragm is used for each influencing of the beam. However, the number of apertures can also be reduced or, if necessary, increased. Furthermore, further diaphragms can be arranged behind the diaphragm a4 which, together with the diaphragm a4 acting as a magnifying glass, result in an enlargement, as can be achieved with a microscope or a telescope. An example of this type is shown in FIG. The homogeneous, parallel electron beam falls through the body to be observed d. He goes
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of the enlarged beam cross-section and enlarges it in turn, etc. In this way, a cascade-like enlargement is obtained.
If one assumes that all diaphragms have the same magnification factor, the magnification achieved by n diaphragms is equal to the nth power of the magnification factor. With such cascade arrangements, strong enlargements can be achieved without the field of the individual diaphragms having to have an uncomfortably high field strength.
Similar results can also be achieved with convergence diaphragms or with arrangements that contain both convergence or divergence diaphragms.
The object to be enlarged d can, for. B. consist of a thin layer to be observed, which allows the electrode beam to pass through more or less weakened.
Arrangements according to the invention can also be used for cases in which the object to be observed is itself the source of electron beams, that is to say directly generates or reflects the beams.
Furthermore, the object to be examined can also represent the source of secondary rays. In all dipsy cases it is possible to use loaded diaphragms to obtain images that are real
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or virtual images of the optics. Microscopes based on such images can also be implemented within the meaning of the invention.
The principles of optics can therefore be largely applied to devices that use electron beams to enlarge an object to be observed. This applies both to the electrostatically acting arrangements described in the examples and to those with magnetic convergence or divergence fields.
It may be advisable to make the vacuum different at the various points in the beam path. Furthermore, it can be advantageous to give the electron beam a different speed at the different points of the beam path in order to achieve the greatest possible intensity of the image generated and an extensive independence from interfering influences. For example, it is recommended to use high speed jets. On the other hand, this makes it more difficult in some cases to use the device for examining living substances. In such cases slow electrons and a lower vacuum can be more advantageous in order to avoid destruction of the object to be examined and to achieve good contrasts.
Fig. 6 shows an embodiment of the invention in which these difficulties can be avoided. 1 is the housing of the device, 2 the cathode housed in it, 3 the object to be enlarged and 4 the fluorescent screen. 5 with a collecting coil is designated, which directs the electron beam emanating from the cathode 2 in parallel or makes it convergent. The anode voltage between the cathode and the diaphragm 6 is assumed to be high in the example shown in order to generate the largest possible number of electrons. As a result, the electrons have a fairly high speed.
In order to prevent the rays from hitting the object 3 to be enlarged at this speed and destroying it and in order to achieve better contrasts, a further diaphragm 7 is provided which is negatively charged with respect to the diaphragm 6 and the electron beam. As a result, between the diaphragms 6 and 7 there is an electrostatic field which acts in the longitudinal direction of the beam and delays the beam speed. The beam therefore has a relatively low speed when it passes through the object 3.
Behind the object are two further diaphragms 8 and 9, of which diaphragm 8 is negatively charged and diaphragm 9 is positively charged. Both diaphragms create a longitudinal field between them that accelerates the beam again. The diaphragms or coils 10 and 11 which are necessary for enlarging and which serve to enlarge the image produced are arranged behind the diaphragm 9.
The vacuum can be different in the different sections of the facility. In the space 12, which receives the cathode 2 and is delimited by the diaphragm 6 against the remaining part of the discharge vessel, z. B. maintain a favorable high vacuum for generating the electron beam. In the delay space 13 located between the diaphragms 6 and 7, there is a medium vacuum. In the space 14 between the diaphragms 7 and 8, in which the object 3 to be imaged is located, the lowest possible vacuum is used, in the acceleration space 15 between the diaphragms 8 and 9 a medium vacuum and in the one between the diaphragm 9 and the luminescent screen 4 Space 16 for accommodating the imaging and enlargement set has a high vacuum.
The vacuum in the individual room sections can be created and kept constant by constant pumping out.
7 shows an arrangement in which the object to be examined is in air of normal pressure and is observed through a window (Lenard window). The object to be examined is irradiated through a hot cathode or with the aid of a radioactive substance or the like. The vacuum tube 21 with the fluorescent screen 22 is closed off from the object 24 by a Lenard window 23.
With 25 and 26 magnetic coils are referred to, which act on the electron beam. The electron source is designated by 27. The bundle of rays emanating from it can be made convergent or directed parallel by a striction coil 28 or the like.
When using an electrically generated cathode beam, the beam can also be allowed to pass through a window from the generation space onto the object to be enlarged. Such an arrangement is shown by FIG. A hot cathode 30 is arranged in the vacuum tube 29. The beam emanating from there is made convergent by an electrostatic diaphragm 31 or the like. It falls through the window 32 onto the object 24. The beam path in the housing 21 is influenced in this example by electrostatic diaphragms 33 and 34.
The distance between the object and the entry or exit windows will be kept as small as possible in order to avoid absorption of the cathode rays in the air as much as possible. In order to reduce absorption, these parts of the room can also be arranged in a vessel with as low a vacuum as the object can tolerate. Such an arrangement is shown in FIG.
The object space lying between the vacuum buildings 29 and 21 is surrounded by a housing 35 in which a low vacuum is generated.
If the bundle of rays for imaging the object is very narrow, it may be possible to manage without Lenard's window by simply passing the electrons through a fine
Hole in the vacuum chamber in or out. Then, according to FIG. 10, the order is placed immediately behind
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a powerful suction device is attached to the hole 36 to remove the air being drawn into the vacuum through the hole in one or more stages. In Fig. 10, two stages, each with a suction pipe 37 and 38 are indicated.
The object that you want to enlarge with the help of electron beams is made as thin as possible when working with electrons that have passed through. So that it has the necessary consistency and durability, it is best placed between two foils whose thickness is only a very small fraction of a millimeter and whose material density must be as low as possible in order not to excessively slow down the electron beams. It is advisable to use the finest metal platelets, such as gold, silver or aluminum.
As already mentioned, with the help of devices according to the invention, subtleties can be made visible which are far beyond the optical resolution due to the wavelength of the light. However, because of the imperfection of the lens action of the magnetic and electric fields, it is often difficult to increase the magnification beyond a certain amount, which is as low as powers of ten. In this case, the magnification can be carried out in two stages by using an optical microscope in addition to the electron microscope. Such an arrangement is shown in FIG. The electron microscope is designated by 40 and the optical microscope by 41.
The image generated on the light screen of the electron microscope has a magnification that can be easily achieved by electron beams, e.g. B. an enlargement that is 100 times the size.
In order to achieve a clear bila on the screen, the grain of the screen must be as fine as possible. It is advantageous to use a ground, homogeneous plate made of single crystal which, when the beam strikes it, displays its image without distortion.
The electrical and the optical part of the device can be assembled into a single device.
PATENT CLAIMS:
1. Device for imaging objects by electron beams, characterized in that from the object to be imaged, in particular to be enlarged, rays emanating directly or indirectly or penetrating it through one or more electrostatic or magnetic fields koveigent, divergent or parallel and directed to generate a stationary (ie its location not changing) during the observation and this image itself is subjected to an observation or measurement or magnification.