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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Ladungsteilchenstrahlvorrichtungen und Probenbewegungsvorrichtungen und insbesondere auf einen Probenmikrobewegungstisch zur Verringerung der Probendrift, um dadurch das Fotografieren oder Aufnehmen von Bildern mit geringerer Verzerrung bei hohem Durchsatz zu ermöglichen.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Verwendung einer Ladungsteilchenstrahlvorrichtung, insbesondere eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM), ist die Beobachtung bei Vergrößerungen durchgeführt worden, die geeignet sind, Atome direkt zu beobachten. Eine zu untersuchende Probe wird mit einer fokussierten Ionenstrahlvorrichtung oder dergleichen zu einem dünnen Stück in der Größenordnung von mehreren zig Nanometern bearbeitet, das dann auf einem Probentisch befestigt wird. Dieser Probentisch wird an einem Probenhalter angebracht und durch eine Vorevakuierungskammer (Luftschleuse) in eine Säule eingesetzt, die auf ca. 105 Pa evakuiert worden ist. Um die Position dieser Untersuchungsprobe zu bestimmen, wird eine Probenbewegungsvorrichtung in drei jeweiligen Achsenrichtungen bewegt oder verfahren, wobei die senkrechte Richtung als Z-Achse und die Ebenenachsen in rechten Winkeln zu der Achse als X-Achse bzw. Y-Achse definiert werden. Um die Kristallorientierung der Probe zu bestimmen, wird diese darüber hinaus in Drehrichtungen (α-Richtung bzw. β-Richtung) bewegt oder verfahren, wobei die Richtungen der X- und Y-Achsen die jeweiligen Achsen sind. In der Regel wird die X-Achse als die Längsrichtung des Probenhalters definiert, während die Y-Richtung als eine Richtung senkrecht zur X-Achse und Z-Achse definiert wird.
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Um einen Beobachtungsbereich auf atomarer Ebene zu bestimmen, ist ein Antriebsmechanismus gewählt worden, der in der Lage ist, Schrittbewegungen von mehreren Nanometern für jede Achse auszuführen.
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Bezüglich eines Halterbewegungsverfahrens für die Probenbewegungsvorrichtung ist eine Technik zum Bewegen in X-Richtung entwickelt worden, während der Kontakt mit dem vorderen Ende des Probenhalters erhalten bleibt, wie in Patentliteratur 1 beschrieben. Außerdem ist, wie in Patentliteratur 2 beschrieben, auch eine Technik entwickelt worden, um eine stufenartige Differenz an einem Teil des Probenhalters vorzusehen und zu bewirken, dass diese stufenartige Differenz mit einem X-Achsen-Antriebsmechanismus in Kontakt kommt.
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Obwohl jeder Achsen-Antriebsmechanismus betätigt wird, um die Probenbeobachtungsposition zu bestimmen, kann, was die Driftfaktoren angeht, das so genannte Probendriftphänomen auftreten, das heißt die Probe verhält sich so, dass sie unerwünschte Bewegungen ausführt, auch nachdem der Antriebsmechanismus deaktiviert worden ist, wobei diese Bewegung auf das Getriebespiel des Antriebsmechanismus und die Verformung des Antriebsmechanismus an sich zurückzuführen ist.
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Zu den weiteren Faktoren für das Phänomen der Probendrift gehört die thermische Verformung des Halters in einem Temperaturrelaxationsprozess, wobei die Verformung auf einen Temperaturunterschied zwischen dem Halter und der Säule beim Einsetzen des Halters zurückzuführen ist. Als Abhilfemaßnahme für diesen Faktor ist eine Technik vorgesehen, bei der ein Material mit niedriger Wärmeausdehnung verwendet wird, wie in Patentliteratur 3 beschrieben.
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ZITIERLISTE
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: JP-A-2004-214087
- Patentliteratur 2: JP3736772 (B2)
- Patentliteratur 3: JP-A-2010-165649
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Technisches Problem
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Bei der Durchführung einer Beobachtung bei hoher Vergrößerung mit einer Ladungsteilchenvorrichtung tritt das folgende Problem auf: Es kommt zu einer Bildverzerrung mit einer winzigen Bewegung (Drift) der Probe, die vom Bediener der Vorrichtung nicht beabsichtigt ist. Im Allgemeinen wird der Driftbetrag unmittelbar nach dem Einsetzen einer Probe, die in den Probenhalter eingelegt worden ist, in die Ladungsteilchenvorrichtung am größten. Dieser Faktor ergibt sich wie folgt: Durch die thermische Verformung aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem Probenhalter und der Säule der Ladungsteilchenvorrichtung und die Verformung des O-Rings in dem Probenhalter zum Abdichten einer im Vakuum gehaltenen Probenkammer und der Atmosphäre wirkt eine elastische Kraft auf den Halter ein, was bedingt durch das Lösen der elastischen Kraft zur Verformung des Probenhalters führt.
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Außerdem ist zu beachten, dass auch bei dem Prozess der Probenbeobachtung mit der Bewegung eines Probenmikrobewegungsmechanismus in der Probenhalter-Längsrichtung der in dem Probenhalter vorgesehene O-Ring einer elastischen Verformung aufgrund des Vorliegen von Reibungskraft unterliegt, die in Folge des ständigen gegenseitigen Reibens des O-Rings an einer Vakuumdichtebene erzeugt wird.
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Lösung für das Problem
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Ein Elektronenmikroskop mit einem Probenhalter, der in eine Säule eingesetzt wird, das Elektronenmikroskop aufweisend einen O-Ring, der die Säule des Elektronenmikroskops und den Probenhalter luftdicht macht, ein Gleitrohr, das in Längsrichtung des Probenhalters gleitet und die Positionierung des Probenhalters in Längsrichtung vornimmt, einen Faltenbalg, der das Gleitrohr und die Säule luftdicht macht, eine Einrichtung zum Bewegen des Gleitrohrs in Längsrichtung des Probenhalters und ein Berührungselement, das die Positionsbestimmung für den Probenhalter in Längsrichtung durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter eine Probenbewegungsvorrichtung aufweist, die ein elastisches Material zur Verbindung des Berührungselements und des Gleitrohrs aufweist.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Bei der Beobachtung mit hoher Vergrößerung mit dem Elektronenmikroskop wird es dank der Fähigkeit zu Verringerung der Probendrift möglich, gute Bilder zu erfassen. Es ist auch möglich, die Länge einer Wartezeit bis zur Abnahme der Probendrift zu verkürzen; daher ist es möglich, den Durchsatz zu verbessern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Probenbewegungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Probenbewegungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine Probenbewegungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt die Form des O-Rings in einem Probenhalter.
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5 zeigt die Bewegung des Probenhalters bei der Beseitigung der Verformung des O-Rings.
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6 zeigt eine Ausführungsform des Halter-Prallelements.
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7 zeigt eine Ausführungsform des Halter-Prallelements.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Aufbau nach der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Elektronenmikroskops beschrieben, das das Einsetzen eines in 1 gezeigten Probenhalters des Typs zum seitlichen Einsetzen gestattet. 1 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer Probenbewegungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Ein Gleitrohr 30 ist über einen Faltenbalg 32 mit einer Säule 1 des Elektronenmikroskops verbunden. Das Gleitrohr 30 und das Halter-Prallelement 40 sind mit einem elastischen Material 31 befestigt. Beim Bewegen eines Probenhalters 2 in dessen Längsrichtung wird ein linearer X-Antriebsmechanismus 10 betätigt, der an der Säule 1 befestigt ist.
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Beim Einsetzen des Probenhalters 2 in die Säule 1 zeigt ein O-Ring 4, der in dem Probenhalter 2 vorgesehen ist, eine gleitende Bewegung mit einer Innenwand des Gleitrohrs 30 und wird dann in seiner Position in der Längsrichtung durch das Halter-Prallelement 40 fixiert. Der gleitend eingeschobene O-Ring 4 verformt sich und wird die Ursache von Probendrift. Nach dem Einsetzen des Probenhalters in die Säule 1 und dem anschließenden Fixieren in einer Endposition wird der Probenhalter zur X-Richtungs-Minusseite in 1 gedrückt; danach wird eine Position, die durch die Federkraft des elastischen Materials 31 zurückgedrückt worden ist, als die endgültige Halterposition bestimmt, wodurch die Verformung des O-Rings verringert wird.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von 2 erläutert. Ein Anschlagwinkel 36 mit sphärischer Oberfläche, der in der Säule 1 befestigt ist, ist in Kontakt mit einem sphärischen Auflagerpunkt 37. Ein Luftschleusenzylinder mit dem sphärischen Auflagerpunkt 37 darin führt ruckartige Kopfbewegungen mit dem Mittelpunkt des sphärischen Auflagerpunkts 37 als Achse aus; als Folge wird es möglich, eine Probe 3 zu veranlassen, sich in Z-Richtung (senkrechte Richtung) und Y-Richtung (Richtung rechtwinklig zur Blattoberfläche) zu bewegen. Um die Probe in Z-Richtung zu bewegen, wird ein linearer Z-Antriebsmechanismus 21 aktiviert, der an dem Drehrohr 20 befestigt ist. Der lineare Z-Antriebsmechanismus 21 erfährt immer eine Abstoßungskraft durch eine Z-Feder 22, die an ihrem Gegenpol angeordnet ist. Ein weiterer Linearmechanismus (nicht gezeigt), der in einer Richtung senkrecht zur Blattoberfläche verfahren werden kann, wird verwendet, um den Probenhalter 2 in Y-Richtung zu bewegen.
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Installation des X-Mikrobewegungsmechanismus
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Nachstehend wird die Installation eines X-Mikrobewegungsmechanismus erläutert. Wie in 2 gezeigt, ist der lineare X-Antriebsmechanismus 10 an dem Drehrohr 20 angebracht, das über ein Lager 23 mit einem Träger 24 verbunden ist. Die Antriebskraft des linearen X-Antriebsmechanismus 10 wird durch einen Hebelmechanismus 25, der einen Auflagerpunkt auf dem Drehrohr aufweist, auf das Gleitrohr 30 übertragen, wodurch der Probenhalter 2 in X-Richtung bewegt wird. Das Gleitrohr ist durch einen Faltenbalg mit einem inneren Zylinder 33 verbunden. Ein Kontaktbereich des Hebelmechanismus 25 und des Gleitrohrs 30 erfordert einen Gleitmechanismus für die Z-Achse und die Y-Achse zum Bewegen des Probenhalters.
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Auch wenn in 2 der X-Mikrobewegungsmechanismus auf dem Drehrohr 20 installiert ist, kann ein ähnlicher Mechanismus auch auf oder über dem äußeren Zylinder 38 eingerichtet werden. In diesem Fall ist der vorstehend genannte Gleitmechanismus nicht mehr nötig, weil der X-Mikrobewegungsmechanismus sich integral bezogen auf die Z- und Y-Achsenbewegung bewegt.
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Einsetzen des Probenhalters in die Säule
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Ein Vorgang zum Einsetzen des Probenhalters 2 in die Säule 1 wird nachstehend beschrieben. Der Probenhalter 2 mit einer daran angebrachten Probe 3 wird bis zu einer in 3 gezeigten Position eingesetzt. Diese Position wird durch einen Positionierungsstift 5 bestimmt, der an dem Probenhalter 3 angebracht ist. An dieser Position wird eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) verwendet, um das Innere des inneren Zylinders 33 zu evakuieren. Nachdem der Druck in dem inneren Zylinder 33 im Wesentlich gleich dem Druck in der Säule 1 ist, erfolgt ein Drehen, wobei die Längsrichtung des Probenhalters 2 eine Achse dafür darstellt. Dabei drehen sich auch der innere Zylinder 33 und das Gleitrohr 30 zusammen, wodurch ein Kegelrad, das auf der linken Seite des inneren Zylinders 33 vorgesehen ist, veranlasst wird, ein Ventil 34 zu öffnen. Danach wird, wie in 2 gezeigt, der Probenhalter 2 verfahren, um ihn zur X-Richtungs-Minusseite zu bewegen, bis das Halter-Stufendifferenzteil und das Halter-Prallelement in Kontakt kommen. Normalerweise liegt diese Position etwa am Ursprungspunkt des Probenbewegungsmechanismus.
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Verformung des O-Rings
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Nachstehend wird der O-Ring, der in dem Probenhalter vorgesehen ist, beim Einsetzen des Probenhalters 2 erläutert. Der O-Ring muss einen festgelegten Druckbetrag sicher aufnehmen, um das Vakuum gegenüber dem Atmosphärendruck zu isolieren. Durch die elastische Kraft, die beinahe proportional zu diesem Druckbetrag ist, wirkt eine Reibungskraft auf den O-Ring und die Innenwand des Gleitrohrs 30, so dass der O-Ring sich verformt und eine Form annimmt, die zur X-Richtungs-Plusseite hin gezogen und gespannt ist, wie in 4 gezeigt. Die Verformung des O-Rings in X-Richtung dient dazu, den Halter 2 infolge des Einwirkens der Kraft zu verformen, die den Probenhalter in X-Richtung drückt. Obwohl diese Verformung in der Größenordnung von Nanometern liegt, führt sie zu dem Probendriftphänomen, das heißt die Probe verhält sich so, dass sie sich bei Vergrößerungen, die für die direkte Beobachtung von Atomen mit dem Elektronenmikroskop geeignet sind, in vom Bediener unerwünschten Richtungen bewegt.
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Zu den Verfahren zur Beseitigung der Verformung des O-Rings gehört eine denkbare Methode, die nachstehend erläutert wird. Der verformte O-Ring wird dazu veranlasst, sich in der durch den Pfeil x in 3 angegebenen Richtung zu bewegen, und dann in einem Zustand fixiert, bei dem der Verformungsbetrag null wird. In diesem Zustand tritt die elastische Kraft aufgrund der Verformung des O-Rings isotrop in senkrechter Richtung zur Achse der Längsrichtung des Halters auf; daher hat die elastische Kraft, die Probendrift hervorruft, keine Wirkung mehr.
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Verfahren zur Beseitigung der Verformung des O-Rings
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Wie in 5 gezeigt, ist ein Verfahren effektiv, das zum Bewegen des Probenhalters in der Weise dient, dass es eine Sinuswellendämpfung aufweist, wobei der Ursprung in X-Richtung der Probenbewegungsvorrichtung der Mittelpunkt ist. Diese Bewegung des Probenhalters kann durch den Bediener der Halter-Einsetzvorrichtung ausgeführt werden. Um den Probenhalter mit höherer Genauigkeit zu bewegen, wie in 5 gezeigt, sind die folgenden beiden Techniken denkbar. (1) Ein Verfahren zum Bereitstellen eines anderen Linearmechanismus getrennt von dem Linearmechanismus für die Bewegung in X-Richtung, wie in 2 gezeigt, und zu seiner Anwendung, um die Kraft direkt auf den Halter auszuüben, und (2) ein Verfahren zum Betätigen des Linearmechanismus, der ihn in X-Richtung bewegt, wie in 2 gezeigt, um dadurch den Probenhalter mit einer Beschleunigung in X-Richtung zu bewegen, die der Kraft des Hineingezogen-Werdens in die Säule bei Atmosphärendruck standhält oder entgegenwirkt. In diesem Fall, während das Halter-Prallelement und der Halter in Kontakt bleiben können, bewegt er sich in einer Richtung, die das Halter-Prallelement und das Gleitrohr relativ voneinander trennen. Folglich verformen sich der Halter und das Gleitrohr relativ, wodurch die Verformung des O-Rings gelöst wird.
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Durch Stützen des Halter-Prallelements 40 durch das elastische Material 31 auf diese Weise wird es möglich, in eine X-Achsen-Minusrichtung als die endgültig bestimmte Position zu drücken, wodurch es möglich wird, die Verformung des O-Rings durch die vorstehend genannte Technik zu verringern. Das elastische Material 31 muss eine ausreichend große Federkonstante aufweisen, um der Kraft entgegenzuwirken, die dazu führt, dass der Probenhalter in die Säule unter Atmosphärendruck hineingezogen wird.
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Gleitrohr und Halter-Prallelement
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Eine weitere Ausführungsform des Halter-Prallelements 40 für das Gleitrohr 30 wird anhand von 6 erläutert. Erhöhte Abschnitte 50 sind an einem Ende des Gleitrohrs 30 vorgesehen. Das elastische Material 31 ist so angeordnet, dass es bewirkt, dass das Halter-Prallelement 40 gegen die erhöhten Abschnitte 50 gedrückt wird. Dadurch wird es möglich, dass die endgültig bestimmte Position des Halters immer mit dem Gleitrohr übereinstimmt. Im Falle der Bewegung des Probenhalters in der X-Achse bewegen sich das Gleitrohr 30 und das elastische Material 31 plus der Probenhalter 2 zusammen in einer integrierten Weise, weil das elastische Material 31 eine ausreichend große Federkonstante aufweist, um dem Atmosphärendruck entgegenzuwirken. Die erhöhten Abschnitte 50 sind so angeordnet, dass sie einen Punktkontakt mit dem Halter-Prallelement herstellen, wobei ein bestimmtes Material wie etwa Saphir oder dergleichen verwendet wird, um die Steifigkeit zu erhalten.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 7 gezeigt. Das Halter-Prallelement ist auf der Atmosphärenseite installiert und durch das elastische Material 31 eng gekoppelt. In dieser 7 wirkt das elastische Material 31 so, dass es gegen einen Anschlag drückt, der in das Gleitrohr 30 integriert ist. Alternativ kann das Prallelement selbst ein elastisches Material sein.
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Auch wenn bisher der Mechanismus zum Stützen des Halter-Prallelements 40 durch das elastische Material 31 beschrieben worden ist, wird es möglich, wenn die Positionsbeziehung des Halter-Prallelements 40 und des Gleitrohrs 30 änderbar ist, die Verformung des O-Rings zu verringern. Daher kann das in 1 gezeigte elastische Material alternativ ein Betätigungselement sein, das ein Ändern der Positionsbeziehung des Halter-Prallelements 40 und des Gleitrohrs 30 zulässt. Beispiele für dieses Betätigungselement sind unter anderem ein Linearantrieb und ein Ultraschallmotor.
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Halterbefestigungsrichtung
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Der Probenhalter 2 ist in senkrechter Richtung zur Längsrichtung des Halters mit einem Element an dem sphärischen Auflagerpunkt 37 befestigt, das am vorderen Ende des äußeren Zylinders 38 in X-Richtungs-Minusseite befestigt ist. Dieses Element besteht aus Saphir und weist eine erhöhte Abriebfestigkeit auf. Vorzugsweise ist das Element dazu eingerichtet, den Probenhalter 2 an drei oder mehr Punkten zu fixieren. Das hintere Ende des Halters in X-Richtungs-Plusseite ist ebenfalls mit einem ähnlichen Verfahren mit einem Element befestigt, das an dem äußeren Zylinder 38 vorgesehen ist.
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Was den (die) Kontaktpunkt(e) des Halters und auch des Halter-Prallelements 40 angeht, ist es aus der Sicht der Wärmeisolierung des Halters 2 wünschenswert, sie über Saphir-Halbkugeln oder dergleichen in Punktkontakt kommen zu lassen. Vorzugsweise ist mehr als ein Kontaktpunkt vorgesehen.
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
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- 1 Säule, 2 Halter, 3 Probe, 4 O-Ring für den Halter, 5 Halterpositionierungsstift, 10 Linearer X-Antriebsmechanismus, 20 Drehrohr, 21 Linearer Z-Antriebsmechanismus, 22 Z-Feder, 23 Lager, 24 Träger, 25 Hebelmechanismus, 30 Gleitrohr, 31 Elastisches Material, 32 Faltenbalg, 33 Innerer Zylinder, 34 Ventil, 35 Ventilbefestigungsteil, 36 Anschlagwinkel mit sphärischer Oberfläche, 37 Sphärischer Auflagerpunkt, 38 Äußerer Zylinder, 39 Halterführung, 40 Halter-Prallelement, 41 Stift, 50 Erhöhter Abschnitt
