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Die
Erfindung betrifft einen abbildenden und um einen Winkel von π<α≤2π ablenkenden Energiefilter von
Elektronen und anderen geladenen Teilchen, der ein durch diese Teilchen
geformtes Objekt am Filtereingang filtert, durch eine energetische
Selektion geladener Teilchen im Bereich der Dispersionsblende, dank
der Rückübertragung
der Teilchen zum ursprünglichen
Objektort, den diese Teilchen verlassen haben, ohne Verlust von
der Information über
ihre Lage.
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Die
elektronenoptische Wirkung des zusätzlichen Elementes, das ein
die geladenen Teilchen um einen Winkel von π-α/2 ablenkendes Feld generiert, verursacht,
dass auch die Winkel der Achsen am Energiefiltereingang und Ausgang
im Bezug zur Hauptachse erhalten bleiben, dank dem die Eingangs-
und Ausgangsachse kollinear sind.
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Die
Anwendung dieses Elementes führt
zu einem gesamten Ablenkwinkel von 2π.
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Die
Erfindung betrifft auch mögliche
Anwendungen von diesem abbildenden Energiefilter.
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Abbildende
Energiefilter haben eine kurze Geschichte und besitzen im Vergleich
mit Methoden der Signalfilterung z. B. im abbremsenden Feld (das sog.
Retarding Field Analyzer) oder mit der klassischen Spektroskopie
geladener Teilchen, eine relativ bescheidene Bibliographie, was
sich in der Arbeit von H. Ibach: „Electron Spectroscopy for
Surface Analysis" (Springer
Verlag, 1977, Berlin) widerspiegelt.
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So
viel im ersten Fall die Abbildung mit Teilchen, deren Energien über einem
durch die Gitter bestimmten Potential liegen (z.B. in Low Energy
Electron Diffraction) nur unvollständig möglich ist, so weit erlauben
die Eigenschaften der Energiefilter, die in den integrierenden spektroskopischen
Messungen angewendet sind, keine direkte Adaptation zu Gunsten der
zweidimensionalen Abbildung.
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Die
ersten Entwicklungen in den spektroskopischen Abbildungstechniken,
die auf der Anwendung magnetischer Felder basieren, sind mit der Elektronentransmissionsmikroskopie
verbunden. Es sind hier viele innovative Lösungen entstanden, die zu monoenergetischen
Bildern geführt
haben. Die Anwendung von elektrostatischen Filtern ist in diesem
Fall erschwert aufgrund von hohen Energien der Elektronen.
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Erst
die dynamische Entwicklung von Emissions- und Reflexionselektronenmikroskopie
(z.B. PEEM, LEEM) führte
zu vielen neuen Aktivitäten
auf dem Feld der abbildenden Energiefilterung.
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Die
Kombination der Abbildungs- und Filterungstechniken, die als Spektromikroskopie
bezeichnet wird, ist hier besonders erwünscht, da in der Emissionsmikroskopie, ähnlich wie
in der klassischen, optischen Mikroskopie, alle Objektpunkte gleichzeitig
in der realen Zeit abgebildet werden. Um in diesem Fall, auch in
der realen Zeit, einen chemischen Kontrast, d. h. die laterale Verteilung
der verschiedenen Elemente zu erzielen (unter der Bedingung das
die Energie der Beleuchtung der Probe ausreichend ist), sollte man
mit Hilfe des abbildenden Energiefilters, eine für das bestimmte Element charakteristische
Linie aus dem Elektronenspektrum auswählen und die Abbildungsfehler
minimalisierend, die Probe, mit aus diesem schmalen Bereich des
Energiespektrums stammenden Elektronen abbilden.
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Die
mit dieser Thematik verbundenen Aspekte sind in der Arbeit „The development
of electron spectromicroscopy",
B.P. Tonner et al, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 75 (1995)
309 diskutiert worden.
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Die
Mehrzahl solcher Geräte,
die mit der Absicht einen chemischen Kontrast zu erzielen, erfunden
und hergestellt wurden, verwenden die Vorteile der hemisphärischen
(180°) Energiefilter
oder ihre Segmente. Solch ein Energiefiltertyp wurde zum ersten
mal von E.M. Purcell in Phys. Rev. 54 (1938) 8 beschrieben. Allerdings
wurden die Abbildungseigenschaften unter anderen auch dieses Filters
erst in der Arbeit von B.Wannberg'a, G.Engdahl'a i A.Skoellermo: „Imaging properties of electrostatic
energy analyzers with toroidal fields", J. Electron Spectr. Rel. Phenomen.
9 (1976), 111, beschrieben.
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Ein
Sonderfall der in diesem Artikel besprochenen Filter, ist der Energiefilter
mit zylindrischen Elektroden, der auf die geladenen Teilchen nur
in einer Ebenein- wirkt, was bei der abbildenden Energiefilterung
seine Erweiterung um zusätzliche
elektronenoptische Elemente, die nur in der zu der ersten vertikalen
Ebene wirken, erfordert.
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Die
neue Lösung,
die die Funktion der abbildenden hemisphärischen Filter erweitert, wurde
in
US 5,185,52 A ,
vorgeschlagen. In der inneren Halbkugel wurden abgeschirmte Freimachungen
angebracht, durch die Elektronen in den Raum des abbremsenden Feldes
eindringen und dadurch die Auflösung
des Systems verbessern. Der Nachteil dieser Erfindung ist sowohl
die Reduzierung der Transmission, als auch die Erhöhung des
Elektronenuntergrunds durch die sekundäre Emission.
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Die
Kombination zweier Filter, die Fragmente der Sphären sind, wurde in einem Spektromikroskop angewendet,
das in
US 6,667,477
B2 beschrieben ist. Dank einer symmetrischen Linse, die
das Bild von einem Filter zum anderen überträgt, erhält man eine Reduzierung der
Abbildungsfehler am Ausgang vom gesamten System.
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Da
die geladenen Teilchen in diesem System zuerst um einen Winkel α und dann
um einen Winkel -α abgelenkt
werden, ist nicht die Kollinerität
der Achsen am Systemeingang und Ausgang erfüllt, sondern lediglich eine
Parallelität.
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Der
abbildende Energiefilter, beschrieben in
DE 69027602 T2 , besteht
aus 4 hemisphärischen Energiefiltern,
die in der Form des Ω so
angeordnet sind, das der Gesamtwinkel 4π beträgt.
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Obwohl
die in den Energiefilter ein- und ausgehenden Teilchen sich entlang
derselben Achse bewegen, ist das System kompliziert und besitzt
keine kompakte Konstruktion, was seinen Aufbau und Anwendung erschwert.
Vorteilhaft ist allerdings die Minimalisierung der Abbildungsfehler.
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Eine ähnliche
Lösung
wurde in
DE 19633496 A1 angewendet.
Der Elektronenstrahl wird auch hier vor der Dispersionsblende zweifach
abgelenkt. Vorteilhaft werden auch bei dieser Lösung die Abbildungsfehler minimiert.
Dadurch aber, dass der Ablenkwinkel sein Vorzeichen dabei wechselt,
verringert sich die gesamte Energiedispersion und der Abstand zwischen
der Elektronenstrahlachse und Dispersionsblende wächst. Als
Folge wird der kompakte Aufbau des Monochromators in der Ablenkebene
erschwert.
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Die
Kollinearität
der Eingangs- und Ausgangsachsen des abbildenden Energiefilters
und der gesamte Ablenkwinkel von 3π wurden auch in der Idee gemäß
DE 69705227 T2 erzielt.
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Die
Ablenkung der Teilchen erfolgt in zwei geneigten Ebenen: in einer
zweifach um den Winkel π/2,
in der anderen um 2π.
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Eine ähnliche
Lösung,
in der die Kombination der magnetischen Felder verwendet wurde,
kann man in
DE 695
29987 T2 finden.
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In
diesem Instrument sind einige Varianten der Ablenkung von Teilchen;
die zur gesamten Ablenkung um 2π und
der Überlappung
der Eingangs- und Ausgangsachse führen, möglich.
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Die
eine der Möglichkeiten
ist, die zweifache Ablenkung der Teilchen im ersten Sektor des magnetischen
Feldes um einen Winkel von π/2
und die einfache Ablenkung um einen Winkel von π im zweiten Sektor des Magnetfeldes.
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In
all diesen Varianten des Systems erfolgt die Ablenkung in einer
für alle
Elemente gemeinsamen Ebene.
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Ein
elektrostatischer Energieanalysator mit zwei konzentrischen Elektroden
und einem gesamten Ablenkwinkel größer als 180° wird in
EP 0 185 789 A1 beschrieben.
Sowohl die Eingangsblende wie die Dispersionsblende am Ausgang des
Analysators, sind mit zusätzlichen
Elektroden abgeschirmt, um die Randfelder zu korrigieren. Allerdings
ist im System eine Kompensation der chromatischen Abberationen,
die für
die Energieanalyse genutzt werden, nicht möglich. Als Konsequenz geht
die zweidimensionale Information im System verloren. Es ist auch
nicht möglich
eine Kollinerität
der Eingangs- und Ausgangsachsen zu erzielen.
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Das
Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung eines abbildenden Energiefilters
für geladene
Teilchen, der aus möglichst
wenigen elektronenoptischen Elementen kompakt aufgebaut ist, der
dank der Verstärkung
des chemischen Kontrastes ohne die laterale Auflösung zu verschlechtern, zu
einem „elemental
mapping" der beobachteten
Oberfläche führt.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist ein abbildender Energiefilter für Elektronen
und andere geladene Teilchen, deren Gesamtablenkwinkel 2π beträgt, der
zwei konzentrische und sphärische
Elektroden mit Radien von R1 und R2 enthält und ein elektrostatisches,
die Teilchen um Winkel α:
2π>α>π ablenkendes
Feld generiert und der die Verteilung, der am Eingang auftretenden
Teilchen, am Ausgang wiederspiegelt.
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In
der bevorzugten Weise als zentrale Trajektorie wird ein Kreis mit
dem Radius Ro = (R1 + R2)/2 für
die Elektronen und anderen geladenen Teilchen mit der so genannten „pass energy" gewählt.
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Der
Energiefilter zeichnet sich dadurch aus, dass im Schnittpunkt der
Ausgangsachse, die eine Tangente zur zentralen Trajektorie ist,
entlang deren sich die Teilchen am Ausgang vom Bereich der konzentrischen
Elektroden bewegen, mit der Eingangsachse, die eine Tangente zur
zentralen kreisförmigen Trajektorie
ist, entlang deren sich Teilchen am Eingang vom Bereich der konzentrischen
Elektroden bewegen, und in der Symmetrieebene des Winkels ☐, die
gleichzeitig eine elektrooptische Bildebene ist, ein gemeinsames
für die
ein und ausgehenden Teilchen ein elektrostatisches, magnetisches oder
kombiniertes Ablenkfeld generierendes Ablenkelement angebracht ist.
Der Abstand zwischen dem Ablenkelement und Zentrum der sphärischen
und konzentrischen Elektroden beträgt Ro/cos(π – α/2).
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Dieses
Feld lenkt die geladenen Teilchen, die sich in Richtung dieses Elementes
von der Quelle entlang der Achse, die durch den Schnittpunkt der Eingangs-
und Ausgangsachse der konzentrischen Elektroden verläuft und
die zur Symmetrieebene des Winkels α senkrecht ist, bewegen und
die in dieser Ebene ein Bild hervorgeben, das gleichzeitig ein Objekt
der Filterung ist, um einen Winkel π – α/2 ab, so dass diese Teilchen
sich weiter entlang der Eingangsachse zum Bereich der konzentrischen
Elektroden bewegen, und nach der Ablenkung um einen Winkel α entlang
der Ausgangsachse vom Bereich der konzentrischen Elektroden zu dem
selben, ein Ablenkfeld generierenden Ablenkelement, zurück kehren
und in ihm ein energetisch gefiltertes Bild an der Stelle des ursprünglichen
Objektes in der Symmetrieebene geben, wobei das durch das Ablenkelement
generierte Ablenkfeld, die geladenen Teilchen wieder um einen Winkel π – α/2 ablenkt,
was zu einem gesamten Ablenkwinkel 2π im abbildenden Energiefilter
führt und
dadurch zur Kollinearität
der Eingangs- und Ausgangsachse des abbildenden Energiefilters.
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Um
eine hohe Energieauflösung
des beschriebenen Systems zu erreichen, ist der abbildende Energiefilter
mit einer Dispersionsblende, die den Energiebereich definiert, der
der bevorzugten Weise das Potential der zentralen Trajektorie besitzt
und auf ihren beiden Seiten mit den das Feld der konzentrischen
und sphärischen
Elektroden simulierenden Elektroden abgeschirmt ist, an der Stelle
der zentralen Trajektorie ausgerüstet.
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Die
Dispersionsblende, die in der Bildebene lokalisiert ist, definiert
auch gleichzeitig die Größe des Bildes.
Wenn die Dispersionsblende in einer der Ebenen der Winkelverteilung
lokalisiert ist, bestimmt sie die Öffnungswinkel, und dadurch
die Helligkeit des Bildes am Energiefilterausgang.
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Das
Ablenkelement, das im Schnittpunkt der Ausgangsachse, die eine Tangente
zur zentralen Trajektorie ist, entlang deren sich Teilchen am Ausgang
vom Bereich der konzentrischen und sphärischen Elektroden bewegen,
mit der Eingangsachse, die eine Tangente zur zentralen Trajektorie
ist, entlang deren sich Teilchen am Eingang vom Bereich der konzentrischen
und sphärischen
Elektroden bewegen, und in der Symmetrieebene des Ablenkwinkels α, die gleichzeitig
eine elektronenoptische Bildebene ist, erzeugt ein elektrostatisches
oder magnetisches oder elektrostatisch- magnetisch kombiniertes Ablenkfeld.
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Um
die lokalen spektroskopischen Messungen, oder die Abbildung der
energetisch gefilterten Winkelverteilung zu ermöglichen, ist eine Bohrung in der äußeren sphärischen
Elektrode, auf der Verlängerung
der zur Dispersionsblende senkrechten und zur zentralen Trajektorie
tangentialen Achse, hinter der Dispersionsblende, angebracht, durch
die die geladenen Teilchen zum Detektionssystem driften, wenn die
konzentrischen und sphärischen
Elektroden hinter der Dispersionsblende dasselbe Potential haben.
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In
den Elektronenmikroskopen werden, bei der Visualisierung der Probe
reflektierte oder emittierte Elektronen mit einem für die Probe
charakteristischen meistens breiten Energiespektrum genutzt.
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Die
chromatischen Aberrationen des abbildenden Systems verursachen ohne
den abbildenden Energiefilter eine deutliche Verschlechterung der
lateralen Auflösung
und der Qualität
des Bildes.
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Die
Anwendung der Methode der abbildenden Energiefilterung für Elektronen
und andere geladenen Teilchen führt
zu einer selektiven Wahl der Energien aus schmalen Bereichen. Die
Wahl der Energie ist durch die charakteristischen elektronischen Übergänge determiniert.
Durch die Zulassung nur dieser ausgewählten Elektronen oder anderer
geladenen Teilchen, erhält
man bei der Abbildung eine selektive, zweidimensionale Information über die
laterale Verteilung dieser Übergänge.
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In
Monochromatoren wird als Objekt der Energiefilterung ein Emitter
für Elektronen
oder andere elektrisch geladenen Teilchen, dessen Bild oder Zwischenbild
aber auch dessen Winkelverteilung oder Zwischenbild der Winkelverteilung
eingesetzt, was zu einer Monochromatisierung und dadurch zur Verbesserung
der Qualität
des Strahles im elektronenoptischen System führt.
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Die
Erfindung ist in den Ausführungsbeispielen
in den folgenden Abbildungen illustriert:
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1 Schematische
Illustration des abbildenden Energiefilters mit totalem Ablenkwinkel
von 2π und
einem elektrostatischen Ablenkelement.
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2 Schematische
Darstellung der Trajektorien α:
(8), (9), (21) und γ: (8a), (9a),
(27) der geladenen Teilchen im Bereich des Ablenkfeldes
mit möglichen
Lokalisierungen der elektrooptischen Systeme S1 und S2.
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3 Zweifache
Ablenkung der geladenen Teilchen: Trajektorien und Potentialverteilung
berechnet für
ein reelles, elektrostatisches Ablenksystem mit flachen Ablenkelektroden.
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4 Schematische
Darstellung des abbildenden Energiefilters mit totalem Ablenkwinkel
von 2π und
einem magnetischen Ablenkelement.
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5 Trajektorienfragmente
der geladenen Teilchen hinter der Dispersionsblende (18)
mit Startwinkeln –1.5°, 0°, 1.5° und Energien ΔE/E: –0.025, 0.0,
0.025, die drei um Δx/ro = 0.028 voneinander entfernte Objektpunkte
repräsentieren.
- A) Trajektorien der geladenen Teilchen nach
der Dispersionsblende (18)
- B) Trajektorien der geladenen Teilchen um die Dispersionsblende
(16), die in der Ebene (23) der Winkelverteilung
des Objektes (22) lokalisiert ist – elektronenoptisch analoge
Situation zur Lokalisierung der Dispersionsblende (20)
in der Ebene (24) der Winkelverteilung des Objektes (22).
- C) Trajektorien der geladenen Teilchen nach dem Verlassen des
Bereiches der konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2), die drei Bildpunkte in der Symmetrieebene (13)
vorgeben.
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Die
Erfindung stellt einen abbildenden Energiefilter für Elektronen
und andere elektrisch geladene Teilchen und die Anwendung der Methode
der Energiefilterung dar.
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Diese
Funktion wird in der Form des abbildenden Energiefilters der geladenen
Teilchen, wie Elektronen und Ionen erfüllt (1), deren
Gesamtablenkwinkel 2π beträgt, der
zwei konzentrische und sphärische
Elektroden (1) und (2) mit Radien von R1 und R2
enthält
und ein elektrostatisches, die Teilchen um Winkel α: 2π>α>π ablenkendes
Feld generiert, der die Verteilung der am Eingang auftretenden elektrisch
geladenen Teilchen am Ausgang energetisch gefiltert wiederspiegelt.
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Der
Energiefilter zeichnet sich dadurch aus, dass im Schnittpunkt der
Ausgangsachse (11), die eine Tangente zur zentralen Trajektorie
(14) ist, entlang deren sich die Teilchen am Ausgang vom
Bereich der konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2) bewegen, mit der Eingangsachse (12), die eine
Tangente zur zentralen Trajektorie (14) ist, entlang deren
sich die Teilchen am Eingang vom Bereich der konzentrischen und
sphärischen
Elektroden bewegen, und in der Symmetrieebene (13) des
Winkels α,
die gleichzeitig eine elektronenoptische Bildebene (25)
ist, ein gemeinsames für
die ein und ausgehenden Teilchen (8, 8a, 9, 9a)
ein elektrostatisches oder ein magnetisches oder ein elektrostatisch-
magnetisch kombiniertes Ablenkfeld generierendes Ablenkelement (4, 31)
angebracht ist. Der Abstand zwischen dem Ablenkelement und Zentrum
der sphärischen
und konzentrischen Elektroden (1) und (2) beträgt Ro/cos(π – α/2), mit
Ro = (R1 + R2)/2.
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Dieses
Feld lenkt die geladenen Teilchen (8), (8a), die
sich in Richtung dieses Elementes (4, 31) von
der Quelle entlang der Achse (7) bewegen, die durch den
Schnittpunkt der Eingangs (12) und Ausgangsachse (11)
im Bereich der konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2) verläuft
und die zur Symmetrieebene des Winkels α (13) senkrecht ist, und
die in dieser Ebene ein Bild hervorrufen das gleichzeitig ein Objekt
(22) der Energiefilterung ist, um einen Winkel π – α/2 ab, so
dass diese Teilchen sich weiter entlang der Eingangsachse (12)
zum Bereich der konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2) bewegen, und nach der Ablenkung um einen Winkel α entlang
der Ausgangsachse (11) vom Bereich der konzentrischen und
sphärischen
Elektroden (1) und (2) zu dem selben ein Ablenkfeld
generierenden Ablenkelement (4, 31), zurück kehren
und in ihm ein energetisch gefiltertes Bild (22a) an der Stelle
des ursprünglichen
Objektes (22) in der Ebene (13) geben, wobei das
durch das Ablenkelement (4, 31) zurück generierte
Ablenkfeld, die geladenen Teilchen wiederum um einen Winkel π – α/2 ablenkt,
was zu einem gesamten Ablenkwinkel 2π im abbildenden Energiefilter
führt und
dadurch zur Kollinearität
der Eingangs- (7) und Ausgangsachse (10) des abbildenden
Energiefilters.
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Um
eine hohe Energieauflösung
des beschriebenen Systems zu erreichen, ist eine Dispersionsblende
in wenigstens einer der drei Ebenen (23), (24),
(25) erforderlich.
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Falls
die Dispersionsblende an diesen Orten fehlt, wird die Energieauflösung des
Systems durch den Abstand zwischen den konzentrischen und sphärischen
Elektroden (1) und (2) definiert.
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Bedingt
durch die Geometrie des abbildenden Energiefilters, wird die Dispersionsblende,
die in der bevorzugten Weise das Potential der zentralen Trajektorie
(14) besitzt, in diesen drei Fällen innerhalb des durch die
zwei konzentrischen und sphärischen
Elektroden (1) und (2) generierten Feldes angebracht,
was seine präzise
Simulation mit zusätzlichen
Elektroden (5, 6) an beiden Seiten der Dispersionsblende
erfordert.
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Das
bietet gleichzeitig die Möglichkeit
einer elektrischen Isolation der Fragmente der konzentrischen und
sphärischen
Elektroden (1) und (2) an diesen Orten und einer
Umschaltung des Energiefilterpotentials, um dadurch das Elektronenspektrum
lokal zu messen oder die Winkelverteilung in der Ebene (23)
abzubilden (in diesem Fall ist ein Linsensystem hinter der Dispersionsblende
(18) notwendig), so weit auf der Verlängerung der zur Dispersionsblende senkrechten
und zur zentralen Trajektorie tangentialen Achse sich eine Öffnung befindet,
eine Drift der geladenen Teilchen zum Detektorsystem ermöglicht, wenn
die Fragmente der Elektroden (1) und (2) hinter der
Dispersionsblende das selbe Potential (in der bevorzugten Weise
das Potential der zentralen Trajektorie) haben.
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Ein
Beispiel dieser Situation ist in der 1 dargestellt
(28, 29, 30).
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Die
optimale Lösung,
die die Entscheidungsfreiheit während
des Experimentes gewährt
ist die Anordnung einer Dispersionsblende in der Bildebene (25)
wie auch in der Ebene des Bildes der Winkelverteilung (23)
oder (24).
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Im
ersten Fall der Ebene (25), begrenzt die Dispersionsblende
die Winkel nicht, was die Helligkeit des Bildes (22a) sichert,
aber gleichzeitig seine Größe und Verschmierung
der Energie determiniert, so dass die Erzeugung der Bilder mit hoher
Energieauflösung
bei niedrigen Vergrößerungen
nicht möglich
ist.
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Im
zweiten Fall (Dispersionsblende in der Ebene (23) oder
(24)) kann eine maximale, durch das System zugelassene
Größe des Bildes,
bei der beliebigen, durch die Größe der Dispersionsblende
bestimmten Auflösung
erreicht werden, aber die Erzeugung heller Bilder bei hoher Energieauflösung ist nicht
möglich,
aufgrund der gleichzeitigen Reduktion der Öffnungswinkel durch die Dispersionsblende.
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Das
letzte Problem scheint weniger kritisch zu sein, wenn der abbildende
Energiefilter in der Elektronenmikroskopie angewendet wird.
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Eine
hohe Vergrößerung des
Mikroskopobjektives (M=50÷100)
verursacht, dass die Offnungswinkel in der Bildebene (13)
am Energiefiltereingang gering sind, ähnlich wie die Breite des Strahls
in der Ebene (23) oder (24), so dass die in einer
dieser Ebenen angebrachte Dispersionsblende, die größer als die
kritische Größe ist,
die Energieverschmierung ohne Einfluss auf die Winkel und Bildgröße reduziert.
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Die
Situation ist genau umgekehrt, wenn eine elektronenoptische Linse
(oder ein Linsensystem), die zwischen dem Objektiv und dem Energiefilter
lokalisiert ist, die das in der Brennebene des Objektivs entstehende
Bild zur Ebene (13) am Eingang des Energiefilters überträgt.
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Die
Dispersionsblende (18) der Ebene (25) übernimmt
die Funktion der Blende oder (20) der Ebene (23)
oder (24) und umgekehrt.
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Diese
Konfiguration ist günstiger,
wenn die Information aus den schmalen Energiebereichen über die
Winkelverteilung der von der Probe emittierten oder reflektierten
geladenen Teilchen gewünscht ist.
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Der
Einsatz der Dispersionsblende in einer der Ebenen (23)
oder (24) erlaubt eine auf der Probe selektiv lokalisierte
Messung solcher Winkelverteilungen.
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Die
geladenen Teilchen im abbildenden Energiefilter unterliegen einer
energetischen Separation schon im Bereich des Ablenkelementes (4, 31).
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Die
Ablenkelektroden des Ablenkelementes in der 1, 2,
oder 3 nehmen im einfachsten Fall die Form einer flachen,
rechteckigen Platte an, mit einer (in der Zeichnungsebene liegenden
Seite, die wesentlich kürter
als die andere Seite ist (das sichert die Erfüllung der Bedingung der Eindimensionalität des Ablenkfeldes).
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Aus
den selben Gründen
sollten die Öffnungen
in der elektrostatischen Abschirmung (3) die Form langer „Schlitzen" annehmen. Dadurch
wird die „eindimensionale" Ablenkung der geladenen
Teilchen garantiert. Die elektronenoptische Wirkung des Ablenkfeldes
kann durch die Form und Orientierung der Ablenkelektroden (oder
magnetischen Polschuhen) optimiert werden.
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Nach
der Ablenkung um einen Winkel von π – α/2 im Ablenkelement (4, 31)
bewegen sich die geladenen Teilchen mit den „richtigen" Energien weiter entlang der Achse (12),
zum Eingang der konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2).
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Im
System befinden sich allerdings geladene Teilchen mit sowohl höheren wie
niedrigeren Energien.
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Die
Teilchen mit der niedrigeren Energie stellen bei der Detektion kein
Problem dar, da sie im Ablenkelement (4, 31) stärker von
der Hauptachse in die Richtung der Abschirmung abgelenkt und dort
neutralisiert werden.
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Ein
Problem bilden aber die geladenen Teilchen mit höheren Energien, die deswegen
schwächer
abgelenkt werden und in den Detektionsbereich als Falschsignal,
den Energiefilter umgehend, eingehen.
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Um
diesen Effekt zu vermeiden, wird am Ausgang des abbildenden Energiefilters
eine Blende (26), die die geladenen Teilchen versperrt
und neutralisiert, angebracht.
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Die
geladenen Teichen (8), (8a) mit einer „richtigen" Energie, die durch
die elektrische Spannung zwischen den Ablenkelektroden (4a),
(4b), (1), (2) und/oder das Potential
der Probe bestimmt ist, durchlaufen den Bereich der konzentrischen
und sphärischen
Elektroden (1) und (2) und treten wiederholt den
Bereich des Ablenkelementes (4, 31) ein.
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Auf
diese Art und Weise kehren die geladenen Teilchen (9),
(9a) auf die Achse (10), die sie vorher verlassen
haben, zurück.
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Da
deren räumliche
Divergenz gering ist, bildet die Blende (26) für sie kein
Hindernis auf dem Weg zum Detektor.
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Die 2 stellt
schematisch die Trajektorien α:
(8), (9), (21) und γ: (8a), (9a),
(27) der geladenen Teilchen, die in der Ebene (13)
ein reelles oder ein Beugungsbild (Winkelverteilung) vorgeben, das gleichzeitig
als Objekt der Energiefilterung (22) durch den Energiefilter übernommen
wird, dar.
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Dank
der Lokalisierung eines elektronenoptischen Systems S1 vor dem abbildenden
Energiefilter wird die Auswahl und der Transfer zur Ebene (13)
einer dieser zwei Bilder als Objekt (22) für den Enegiefilter,
ermöglicht.
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Zusätzlich erlaubt
solch ein elektronenoptisches System S1 (im Fall des reellen Bildes
als Objekt (22)) die Lokalisierung des Bildes der Winkelverteilung
(zu dem die geladenen Teilchen (8a), (27) mit Trajektorien γ beitragen)
in der Ebene (23), die mit der Ebene 13a) am Eingang zum
Bereich der konzentrischen Elektroden (1) und (2)
einen Winkel β = α/2 – π/2 bildet.
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Und
umgekehrt erlaubt solch ein elektronenoptisches System S1 (im Fall
der Winkelverteilung als Objekt (22), die Lokalisierung
des reellen Bildes in der Ebene (23), die mit der Ebene
(13a) am Eingang zum Bereich der konzentrischen Elekttroden
(1) und (2) einen Winkel β = α/2 – π/2 bildet
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Das
elektronenoptische System ist notwendig, um die Symmetriebedingungen
für den
Energiefilter zu erfüllen,
und dadurch den optimalen Arbeitspunkt zu erreichen, was zu der
vollen Minimalisierung der Abbildungsfehler des Energiefilters in
der Ebene (13) führt.
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In
der Ebene (13) entsteht also ein reelles, achromatisches
Bild (22a) der Probe, das durch die geladenen Teilchen
mit der durch die Größe der Dispersionsblende
(16; 18, 20) und Potentiale des Systems
bestimmter Energie hervorgerufen gegeben wird.
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Die
gleiche Symmetriebedingung muss erfüllt werden, wenn die elektronenoptische
Linse (oder ein Linsensystem), die zwischen Objektiv und Energiefilter
lokalisiert ist, das Bild der Winkelverteilung, das in der Brennebene
des Objektives entsteht, in die Ebene (13) am Energiefiltereingang überträgt.
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Ein
reelles Bild der Probe muss in diesem Fall in der Ebene (23),
die mit der Ebene (13a) am Eingang zum Bereich der konzentrischen
Elektroden (1) und (2) einen Winkel β = α/2 – π/2 bildet,
entstehen.
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Solch
ein Verfahren ist notwendig, um eine Symmetrie im Energiefilter
und dadurch die volle Minimalisierung der Abbildungsfehler in der
Ebene (13), die jetzt eine Beugungsebene enthält, zu erzeugen.
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In
der Ebene (13) entsteht also ein achromatisches Bild der
Winkelverteilung (22a) der Probe, das durch die geladenen
Teilchen mit der durch die Größe der Dispersionsblende
(16, 18, oder 20) und Potentiale des
Systems bestimmter Energie, hervorgerufen wird, wobei die Größe des visualisierten
Bereiches durch die Blende (16) oder (20) definiert
ist.
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Ein
elektronenoptisches System S2, das hinter dem Energiefilter lokalisiert
ist, ermöglicht
abhängig
von der Anwendung des Energiefilters, die Vergrößerung und Projektion des Bildes
(22a) auf einen Bildwandler oder Verkleinerung/Übertragung
des Bildes (22a), das in der Symmetrieebene (13)
am Energiefilterausgang entsteht.
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Ein
drittes, elektronenoptisches System, das zwischen der Öffnung (28)
und dem Signalverstärker (29)
(der in diesem Fall zur Bilderfassung dient) lokalisiert ist, ermöglicht die
Vergrößerung und
Projektion des in der Ebene (23) entstehendes Bildes, wenn
die Fragmente der konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2) hinter der Bohrung (28) dasselbe Potential
(in der bevorzugten Weise das Potential der zentralen Trajektorie)
haben.
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Die 3 stellt
ein Beispiel eines feldgenerierendes Ablenkelemente dar, das die
geladenen Teilchen von der Achse (7) zur Achse (12)
am Eingang zu den konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2) und von der Achse (11) zur Achse (10)
am Ausgang von den konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2) ablenkt.
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Die
Symmetrie des gesamten Systems in Bezug auf die Ebene (13)
führt zur erwünschten
Eigenschaft der Unveränderlichkeit
der Winkel, was sich in der Überlappung
der Eingangs- (7) und Ausgangsachse (10) des Energiefilters,
widerspiegelt.
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In
einer idealen Darstellung (2) verschwindet
das Ablenkfeld außerhalb
der Ebene (13), und führt
dadurch keine winkel- und ortabhängigen zusätzlichen
Aberrationen ein.
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In
der Wirklichkeit aber, wie es am Beispiel eines Ablenkelementes
in der 3 zu sehen ist, dehnt sich der Wirkungsbereich
des Ablenkfeldes wenigstens auf den durch die Maße der Ablenkelektroden (4a)
und (4b) definierten Raum aus.
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Als
Folge bewegt sich das geladene Teilchen im Bereich des Ablenkelementes
(4) auf einer Parabel, die von der Mitte des Feldes abweicht.
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Durch
die Extrapolation des linearen Teiles der Trajektorie (im feldfreien
Bereich nach dem Verlassen des Ablenkelementes (4, 31))
bis zur Ebene (13) im Inneren des Ablenkelementes bestimmt
man einen virtuellen Punkt, der auf Grund der Aberrationen des Ablenkelementes
(4, 31) mit Abbildungsfehlern belastet ist.
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Wegen
der Spiegelsymmetrie (bezogen auf die Symmetrieebene (13))
des Systems mit einem Gesamtablenkwinkel von 2π, das aus den konzentrischen
und sphärischen
Elektroden (1) und (2) (Ablenkwinkel α: π<α<2π)
und einem Ablenkelement (4, 31), (Ablenkwinkel β = π – α/2) besteht, ändert der Abbildungsfehler
am Energiefilterausgang das Vorzeichen, was zu einer Kompensation
der Abbildungsfehler in der Symmetrieebene (13) führt der
das achromatische Bild (22a) am Ausgang des Energiefilters
entsteht.
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Die
beschriebene Symmetrie des Systems ermöglicht wegen der Gleichheit
der Flugzeiten, dessen Anwendung in Meßsystemen für schnelle Prozesse, die hohe
Zeitauflösung
erfordern.
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Die 4 illustriert
einen abbildenden Energiefilter, der dadurch gekennzeichnet ist,
dass im Schnittpunkt der Ausgangsachse (11), die eine Tangente
zur zentralen Trajektorie (14) ist, entlang deren sich
die geladenen Teilchen am Ausgang vom Bereich der konzentrischen
und sphärischen
Elektroden (1) und (2) bewegen, mit der Eingangsachse
(12), die eine Tangente zur zentralen Trajektorie (14)
ist, entlang deren sich die geladene Teilchen am Eingang vom Bereich
der konzentrischen und sphärischen Elektroden
(1) und (2) bewegen, und in der Symmetrieebene
(13) des Winkels α,
die gleichzeitig eine elektrooptische Bildebene (25) ist,
ein gemeinsames für
die ein und ausgehenden Teilchen (8), (8a), (9), (9a)
und ein magnetisches Ablenkfeld generierendes Ablenkelement (31)
angebracht ist.
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Dieses
Feld lenkt die geladenen Teilchen (8), (8a), die
sich in Richtung dieses Elementes (31) von der Quelle entlang
der Achse (7) bewegen, die durch den Schnittpunkt der Eingangs-
(12) und Ausgangsachse (11) im Bereich der konzentrischen
und sphärischen
Elektroden (1) und (2) verläuft und die zur Symmetrieebene
(13) des Winkels α senkrecht
ist und die ein Bild in dieser Ebene hervorrufen, das gleichzeitig
ein Objekt (22) der Energiefilterung ist, um einen Winkel π – α/2 ab, so
dass diese Teilchen sich weiter entlang der Eingangsachse (12)
zum Bereich der konzentrischen Elektroden (1) und (2)
bewegen und nach der Ablenkung um einen Winkel α entlang der Ausgangsachse (11)
vom Bereich der konzentrischen und sphärischen Elektroden (1)
und (2) zu dem selben, ein Ablenkfeld generierenden Element
(31)zurück
kehren und in ihm ein energetisch gefiltertes Bild (22a)
der Stelle des ursprünglichen Objektes
(22) in der Ebene (13) hervorrufen, wobei das
durch das Element (31) generierte magnetische Ablenkfeld
die geladenen Teilchen um einen Winkel π – α/2. ablenkt, was zu einem gesamten
Ablenkwinkel 2π im
abbildenden Energiefilter führt
und dadurch zur Kollinearität
der Eingangs (7) und Ausgangsachse (10) des abbildenden
Energiefilters.
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Vorteilhaft
im Fall der magnetischen Ablenkung ist die Möglichkeit der Platzierung des
Ablenkelementes außerhalb
des Vakuumsystems.
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Der
Nachteil aber hängt
mit den Eigenschaften des magnetischen Feldes zusammen: die Lösung der
Bewegungsgleichung ist nicht invariant beim Wechseln des Vorzeichens
der Bewegung.
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Deshalb
zeigen die Abbildungsfehler im Fall der magnetischen Ablenkung additiven
Charakter: die Abbildungsfehler in der Ebene (13) am Eingang summieren
sich mit den Abbildungsfehler am Ausgang- anders als im Fall des
elektrostatischen Feldes.
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Die
Problematik der Auslöschung
der Abbildungsfehler spielt hier eine geringere Rolle, da die Qualität des virtuellen
Bildes im Zentrum des Magnetfeldes (31) höher ist
als im elektrostatischen Ablenkfeld (4), was im Endeffekt
auch diese Methode zulässt.
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In
der 5 ist eine genaue analytische Lösung der
Bewegungsgleichung im elektrostatischen Zentralfeld für bestimmte
Randbedingungen im abbildenden Energiefilter an seinen drei ausgewählten Orten
illustriert mit der Annahme, dass die Potentialverteilung an den
Rändern
der sphärischen
und konzentrischen Elektroden (1) und (2) ideal
ist, der feldfreie Bereich ein Potential der zentralen Trajektorie (14)
mit ro = 1 aufweist und der Ablenkwinkel
der konzentrischen und sphärischen
Elektroden (1) und (2) 22/12π beträgt.
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Es
wurde auch angenommen, dass das Objekt (22), aus dem die
geladenen Teilchen mit den gewählten
Energien ΔE/E: –0.025,
0.0, 0.025 und Winkeln: –1.5°, 0°, 1.5° starten,
in der Ebene (13) mit drei Punkten (Δx = 0.028) repräsentiert
wird.
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Die 5A stellt die Fragmente der Trajektorien
der geladenen Teilchen in der für
die Energieanalyse günstigen
Ebene (25) dar, in der allerdings die Qualität des Bildes
wegen der sphärischen
und chromatischen Aberrationen niedrig ist.
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In
der Abbildung wurde auch die Dispersionsblende (18) angezeigt,
um den Effekt der Reduzierung der Größe des Bildes mit der steigenden
Energieauflösung
zu illustrieren.
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Die 5B zeigt eine alternative Methode der
Energiefilterung.
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Die
Dispersionsblende (16) ist in diesem Fall in der Ebene
(23) der Winkelverteilung des Objektes (22) lokalisiert-
es ist eine elektronenoptisch analoge Situation zu der Lokalisierung
der Dispersionsblende (20) in der Ebene (24) der
Winkelverteilung des Objektes (22) (für die Energiefilterung ist
aber die Verwendung der Dispersionsblende (20) am günstigsten,
da die Energiedispersion in der Ebene (24) im Vergleich
zu den Ebenen (23) und (25) am größten ist).
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In
diesen beiden Fällen
zeigt die Dispersionsblende ((16), (20)) keine
Wirkung auf die Größe des Bildes;
sie kann aber die Öffnungswinkel
limitieren und auf Kosten der Helligkeit die Energieauflösung steigern.
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Die 5C illustriert den Effekt der Auslöschung der
chromatischen und sphärischen
Abbildungsfehler in der Ebene (13) – die geladenen Teilchen werden
nach der Energieselektion in einer der Ebenen: (23), (24)
oder (25) unabhängig
von Energie und Winkel perfekt zu den drei Punkten fokussiert, die
ein achromatisches Bild geben.
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Die 5C erläutert
auch schematisch die Ablenkung in Richtung der Hauptachse (10)
um einen Winkel π – α/2.
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In
den Abbildungstechniken ist es häufig
erwünscht,
dass das Messinstrument gleichzeitig ein energetisch gefiltertes
reelles Bild und ein energetisch gefiltertes Bild der Winkelverteilung
erfasst. In diesem Fall, abgesehen von zwei, schematisch in der 2 dargestellten
elektronenoptischen Systemen, ist ein zusätzliches Linsensystem hinter
der Dispersionsebene (18) und Bohrung (28) notwendig.
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In
den Abbildungstechniken ist es auch häufig erwünscht, dass das Messinstrument
die Möglichkeit
bietet, zwei Bilder zu erfassen: das Bild (reelles oder Bild der
Winkelverteilung), das energetisch selektiv gefiltert ist und das
Bild (reelles oder Bild der Winkelverteilung), das von allen Teilchen
hervorgerufen wird.
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Dieses
Ziel wird erreicht, wenn die Eingangsachse (7) des Energiefilters
sich nicht mit deren Ausgangsachse (11) überlappt-
in solcher Konfiguration besteht der Bedarf nicht, ein elektrostatisches
oder magnetisches Ablenkelement einzusetzen. Als Folge werden die
Eingangsachse (7) und Ausgangsachse (11) mit einem
Winkel 2π – α geneigt,
was die Ausrüstung
des Mikroskops mit zwei unabhängigen
Linsensystemen ermöglicht.
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Auf
dem Gebiet der elektronenoptischen Geräte bestehen viele Möglichkeiten,
die Erfindung des abbildenden Energiefilters anzuwenden. Einer der wichtigsten
Bereiche ist die Elektronenmikroskopie.
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In
der Visualisierung der Probe werden durch sie reflektierte oder
emittiert Elektronen, mit einem für die Probe charakteristischen
Energiespektrum, genutzt.
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Chromatische
Aberrationen im Elektronenmikroskop ohne den abbildenden Energiefilter
verursachen eine deutliche Verschlechterung der lateralen Auflösung und
der Qualität
des Bildes. Die Ausrüstung
des Elektronenmikroskops mit dem hier dargestellten Energiefilter
erlaubt die energieselektive Abbildung der Probe. Die Wahl der Energie
ist durch die charakteristischen Elektronenübergänge der Probe determiniert.
Durch die Zulassung nur der charakteristischen Elektronen zur Abbildung
wird die energieselektive, zweidimensionale Information des Energiespektrums
visualisiert.
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Die
Anwendung der Erfindung in der Elektronenmikroskopie eröffnet auch
die Möglichkeit
lokaler Messungen aus den mit der Bildblende präzise definierten Bereichen.
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Das
Anwendungsfeld der Erfindung kann aber wesentlich breiter sein und
enthält
viele andere elektronenoptische Instrumente.
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Der
abbildende Energiefilter überträgt ein beliebiges,
durch die geladenen Teilchen vorgegebenes Bild vom Eingang des Filters
zu dessen Ausgang ohne Verlust der lateralen Information. Durch
eine bestimmte Einstellung der Dispersionsblende in einer der beschriebenen
Ebenen ist das Bild am Ausgang nur durch geladene Teilchen mit definierten
Energien gegeben.
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Als
Objekt dient hier eine beliebige Verteilung der geladenen Teilchen
in der Symmetrieebene (13) am Energiefiltereingang. Vornehmlich
kann es ein Bild der Probe, deren Zwischenbild, ein Bild der Winkelverteilung
oder ein Zwischenbild der Winkelverteilung sein.
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Objekt
des Energiefilterns kann auch ein Emitter der geladenen Teilchen,
dessen Bild oder Zwischenbild, aber auch dessen Winkelverteilung oder
Zwischenbild der Winkelverteilung sein, was zu einer Monochromatisierung
und dadurch zur Verbesserung der Qualität des Strahles im elektronenoptischen
System führt.