CN219017575U - 一种球差校正器系统以及扫描电子显微镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种球差校正器系统以及扫描电子显微镜，其中球差校正器系统包括沿光轴方向依次布设的第一透镜、传递透镜以及第二透镜；所述传递透镜包括至少一对同极性相对放置的永磁体，用于沿光轴方向产生磁场方向相反的轴向磁场；电子束平行于光轴经过所述第一透镜后到达所述传递透镜，电子束在所述轴向磁场中发生多次偏转后通过所述第二透镜射出。本实用新型将强永磁体的传递透镜应用在六极球差校正器系统中，替代常规的使用磁线圈的传递透镜，极大程度上减小了传递透镜的体积，进一步可用于小型化扫描电子显微镜。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子显微镜领域，尤其涉及一种球差校正器系统以及扫描电子显微镜。
背景技术
电子显微镜利用电子作为介质来观察微小样品区域，从而达到数万甚至数百万的放大倍率。其中，电子显微镜通常利用圆形磁透镜来会聚电子，类似光学显微镜中的凸透镜。因电子显微镜中电子的运动特性和光学显微镜中光线的特性高度相似，通常将研究电子在电磁场作用下运动特性的学科称之为电子光学。
光学中实际成像和理论成像之间的偏差称为像差，如球面透镜会产生球差，非近轴的光线会产生较大偏折，最终导致光线不能完美的会聚到一点，产生正球差系数Cs。为了校正球差，通常使用凹透镜和凸透镜的组合来抵消球差。电子光学中同样存在球差，圆形磁透镜产生的非近轴磁场强于轴上磁场，导致非近轴电子受到更强偏转力，会聚到更近的焦点。然而，电子光学中没有部件可以像凹透镜一样发散电子，所以，电子光学中的球差校正器更加复杂。
为了实现球差校正功能，H.Rose在1981年提出了六极球差校正器(可参考文献Rose,H.(1981).Correction of aperture aberrations in magnetic systems withthreefold symmetry.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,187(1),187-199.)，该校正器产生的三阶像差可抵消物镜产生的球差，使得电子束能会聚到更小的点，进一步可以提供电子显微镜的空间分辨率。但是传统的六极球差校正器通常使用磁线圈激励产生强磁场，为了得到足够强的磁场，改善散热，提高稳定性等，增大了整个球差校正器的体积，使得常规六极球差校正器的体积难以集成到小型化的仪器中。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的之一在于提供一种球差校正器系统
本实用新型的目的之二在于提供一种包含上述球差校正器系统的小型化扫描电子显微镜。
本实用新型的目的之一采用如下技术方案实现：
一种球差校正器系统，包括沿光轴方向依次布设的第一透镜、传递透镜以及第二透镜；所述传递透镜包括至少一对同极性相对放置的永磁体，用于沿光轴方向产生磁场方向相反的轴向磁场；
电子束平行于光轴经过所述第一透镜后到达所述传递透镜，电子束在所述轴向磁场中发生多次偏转后通过所述第二透镜射出，利用所述第二透镜抵消电子束经过所述第一透镜时所产生的像差。
进一步地，所述传递透镜还包括两个外壳以及中间垫片，所述外壳以及所述中间垫片上均设有用于通过电子束的导向通孔；所述中间垫片设在两个所述外壳之间，且所述中间垫片的两侧突起有卡位块，一对圆环型的所述永磁体分别卡入所述中间垫片两侧的卡位块上，用于将所述永磁体限制在所述中间垫片与所述外壳之间。
进一步地，两个所述外壳与所述中间垫片间留有气隙。
进一步地，所述外壳为金属壳体，所述中间垫片为金属垫片，两个所述永磁体与所述外壳、所述中间垫片相互吸引。
进一步地，所述传递透镜还包括设在所述永磁体与所述外壳之间的限位环，所述限位环上设有内径大于或等于所述卡位块外径的限位通孔，所述中间垫片任一侧的卡位块套上所述永磁体后卡入所述限位环的限位通孔中，并利用所述限位环与所述外壳固定。
进一步地，所述传递透镜还包括辅助垫片，所述辅助垫片布设在所述外壳的内壁上，用于加固所述传递透镜内部结构。
进一步地，平行于光轴方向的电子束经过所述传递透镜时发生两次偏转，最终放大倍率为M＝-1。
进一步地，所述第一透镜为第一六极子透镜，电子束经所述第一六极子透镜产生的像差包括二阶三次对称的像差和三阶旋转对称的像差。
进一步地，所述第二透镜为第二六极子透镜，所述第二六极子透镜用于抵消所述第一六极子透镜产生的二阶三次对称像差，所述第一六极子透镜以及第二六极子透镜产生三阶旋转对称像差相叠加，用于抵消扫描电子显微镜中物镜的球差。
本实用新型的目的之二采用如下技术方案实现：
一种扫描电子显微镜，包括如上述的球差校正器系统。
相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型将强永磁体的传递透镜应用在六极球差校正器系统中，传递透镜直径不超过8cm，同时能提供稳定的磁场并且无发热效应，从而替代常规的使用磁线圈的传递透镜，极大程度上减小了传递透镜的体积，让所述传递透镜可适用于小型六极球差校正器，进一步可用于小型化扫描电子显微镜。
附图说明
图1为本实用新型所适用的六极球差校正器系统和电子光学行为示意图；
图2是本实用新型所述的传递透镜结构示意图。
图中：1、第一六极子透镜；2、传递透镜；201、第一外壳；202、第一辅助垫片；203、限位环；204、第一永磁体；205、中间垫片；206、第二永磁体；207、第二辅助垫片；208、第二外壳；3、第二六极子透镜；4、物镜。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一
本实施例提供一种小型六极球差校正器系统，参阅图1所示，光轴是电子束前进的方向，即Z轴。所述小型六极球差校正器系统包括沿光轴方向依次布设的第一透镜、传递透镜2以及第二透镜，且所述第一透镜、所述传递透镜2以及第二透镜共轴。
其中，所述第一透镜可以是第一六极子透镜1，非近轴电子束平行于光轴进入第一六极子透镜1，在第一六极子透镜1的作用下产生二阶三次对称的像差和三阶旋转对称的像差。
随后电子束进入所述传递透镜2，所述传递透镜2在电子光学中等效于两个圆透镜，电子束在所述传递透镜2中发生两次偏转，最后以放大率M＝-1离开所述传递透镜2并进入所述第二透镜。
本实施例中，如图2所示，所述传递透镜2包括至少一对同极性相对放置的永磁体，用于沿光轴方向产生磁场方向相反的轴向磁场。
为了固定永磁体，本实施例的所述传递透镜2还包括两个外壳以及中间垫片205，两个所述外壳分别命名为第一外壳201和第二外壳208，所述第一外壳201、所述第二外壳208以及所述中间垫片205上均设有用于通过电子束的导向通孔，且导向通孔与光轴同轴，用于通过电子束。
所述中间垫片205设在所述第一外壳201以及所述第二外壳208之间，且所述中间垫片205的两侧突起有用于固定所述永磁体的卡位块；本实施例以一对所述永磁体为例，说明所述传递透镜2的内部结构：
一对所述永磁体设为圆环型结构，分别为第一永磁体204和第二永磁体206，两个所述永磁体分别卡入所述中间垫片205两侧的卡位块上，用于将两个所述永磁体限制在所述中间垫片205与所述外壳之间。
其中，所述第一永磁体204和所述第二永磁体206同极性相对设置，使得在光轴处产生两个轴向磁场，且两个轴向磁场方向相反，并且会在两个所述永磁体中间某一Z轴位置磁场强度为0。
同时，两个所述外壳与所述中间垫片205间留有两个间隙作为气隙。通过改变气隙大小、气隙间距、以及中间垫片205厚度等，可找到合适的磁感应强度和分布，使其可让一定能量的平行于光轴方向的电子束经过所述传递透镜2时发生两次偏转，且最终放大倍率为M＝-1。值得注意的是，该传递透镜2只能用于针对单一能量的六极球差校正器。
本实施例中两个所述外壳设为金属壳体，具体可采用铁材质制成的圆环型包覆铁壳；而所述中间垫片205同样设为金属垫片，具体可采用铁材质的铁垫片；两个所述永磁体同极性相对放置，因中间夹有铁垫片，两个所述永磁体和铁垫片会相吸引，进一步稳定所述传递透镜2的内部结构。
在一些实施例中，所述传递透镜2还包括设在所述永磁体与所述外壳之间的限位环203，所述限位环203上设有内径大于或等于所述卡位块外径的限位通孔，所述中间垫片205任一侧的卡位块套上所述永磁体后卡入所述限位环203的限位通孔中，并利用所述限位环203与所述外壳固定。如图2所示，所述中间垫片205利用其卡位块套上第一永磁体204后与限位环203相接，限位环203再与第一外壳201相接，所述限位环203的存在可加固所述中间垫片205在两个所述外壳之间的位置，同时使得所述永磁体所产生的轴向磁场更加稳定。
在一些实施例中，所述传递透镜2还包括两个辅助垫片，两个所述辅助垫片分别布设在两个所述外壳的内壁上，即第一辅助垫片202位于所述第一外壳201和所述限制环之间，第二辅助垫片207则位于第二永磁体206与第二外壳208之间，两个辅助垫片同样设为圆环型结构，用于填充所述传递透镜2的内部空间，加固所述传递透镜2内部结构。
电子束在所述轴向磁场中发生两次偏转后通过所述第二透镜射出，利用所述第二透镜抵消电子束经过所述第一透镜时所产生的初阶像差。本实施例中所述第二透镜可以是第二六极子透镜3，所述传递透镜2出射的电子束经过所述第二六极子透镜3，电子束在所述第二六极子透镜3的作用下，抵消前述第一六极子透镜1产生的二阶三次对称像差，但三阶旋转对称的像差叠加；电子束从第二六极子透镜3射出后携带叠加后等于扫描电子显微镜中物镜4球差Cs的三阶旋转对称像差，随后进入物镜4，和物镜4的球差Cs抵消，从而降低球差对电子束的影响，让电子束最终会聚到更小的点，进而提升电子显微镜的空间分辨率。
需要注意的是，上述“第一透镜”并不局限于单个透镜，可以是一个透镜组，相似地，“第二透镜”可以是另一个透镜组。
本实施例中，使用基于强永磁体的传递透镜2，其直径不超过8cm，同时能提供稳定的磁场并且无发热效应，从而替代常规的使用磁线圈的传递透镜2，极大程度上减小了传递透镜2的体积，让所述传递透镜2可适用于小型六极球差校正器，进一步可用于小型化扫描电子显微镜。
实施例二
本实施例提供一种扫描电子显微镜，包括了实施例一所述的小型六极球差校正器系统。其中扫描电子显微镜中所包含的物镜、信号收集装置等部件在现有技术中已经公开，在此不再详细描述。
且本实施例中的电子显微镜与前述实施例中所描述的校正器系统是基于同一发明构思下的另一方面，在前面已经对校正器系统的结构及实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施例中的显微镜的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。
上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种球差校正器系统，其特征在于，包括沿光轴方向依次布设的第一透镜、传递透镜以及第二透镜；所述传递透镜包括至少一对同极性相对放置的永磁体，用于沿光轴方向产生磁场方向相反的轴向磁场；
电子束平行于光轴经过所述第一透镜后到达所述传递透镜，电子束在所述轴向磁场中发生多次偏转后通过所述第二透镜射出。
2.根据权利要求1所述的球差校正器系统，其特征在于，所述传递透镜还包括两个外壳以及中间垫片，所述外壳以及所述中间垫片上均设有用于通过电子束的导向通孔；所述中间垫片设在两个所述外壳之间，且所述中间垫片的两侧突起有卡位块，一对圆环型的所述永磁体分别卡入所述中间垫片两侧的卡位块上，用于将所述永磁体限制在所述中间垫片与所述外壳之间。
3.根据权利要求2所述的球差校正器系统，其特征在于，两个所述外壳与所述中间垫片间留有气隙。
4.根据权利要求2所述的球差校正器系统，其特征在于，所述外壳为金属壳体，所述中间垫片为金属垫片，两个所述永磁体与所述外壳、所述中间垫片相互吸引。
5.根据权利要求2所述的球差校正器系统，其特征在于，所述传递透镜还包括设在所述永磁体与所述外壳之间的限位环，所述限位环上设有内径大于或等于所述卡位块外径的限位通孔，所述中间垫片任一侧的卡位块套上所述永磁体后卡入所述限位环的限位通孔中，并利用所述限位环与所述外壳固定。
6.根据权利要求5所述的球差校正器系统，其特征在于，所述传递透镜还包括辅助垫片，所述辅助垫片布设在所述外壳的内壁上，用于加固所述传递透镜内部结构。
7.根据权利要求1所述的球差校正器系统，其特征在于，平行于光轴方向的电子束经过所述传递透镜时发生两次偏转，最终放大倍率为M＝-1。
8.根据权利要求1所述的球差校正器系统，其特征在于，所述第一透镜为第一六极子透镜，电子束经所述第一六极子透镜产生的像差包括二阶三次对称的像差和三阶旋转对称的像差。
9.根据权利要求8所述的球差校正器系统，其特征在于，所述第二透镜为第二六极子透镜，所述第二六极子透镜用于抵消所述第一六极子透镜产生的二阶三次对称像差；所述第一六极子透镜以及第二六极子透镜产生三阶旋转对称像差相叠加，用于抵消扫描电子显微镜中物镜的球差。
10.一种扫描电子显微镜，其特征在于，包括如权利要求1～9任一所述的球差校正器系统。
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