DE1260048B

DE1260048B - Elektronenstrahlgeraet mit elektromagnetischer Linse

Info

Publication number: DE1260048B
Application number: DEN26822A
Authority: DE
Inventors: Jan Bart Le Poole
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1964-06-06
Filing date: 1965-06-02
Publication date: 1968-02-01
Also published as: AT256197B; US3394254A; GB1098865A; NL145716B; BE664970A; SE332466B; CH437562A; NL6406449A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl:

HOIj

Deutsche Kl.: 21g-37/20

Nummer: 1260 048

Aktenzeichen: N 26822 VIII c/21 g

Anmeldetag: 2. Juni 1965

Auslegetag: 1. Februar 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenstrahlgerät mit mindestens einer den Elektronenstrahl fokussierenden und diesen in seiner axialen Ausdehnung nur zu einem geringen Teil umgebenden elektromagnetischen Linse.

Als Beispiele für Geräte dieser Art seien Elektronenmikroskope, Mikroanalysengeräte und Geräte zum Bearbeiten (Bohren, Verdampfen, Gravieren, Schweißen) von Gegenständen mit einem Elektronenstrahl genannt.

Die in solchen Geräten verwendeten magnetischen Linsen bestehen üblicherweise aus mit einem Eisenmantel versehenen Spulen, wobei an den Eisenmantel innerhalb der Spule zwei in verhältnismäßig geringem Abstand voneinander angeordnete magnetische Pole anschließen. Mit Linsen dieser Art können Brennweiten in der Größenordnung von wenigen Millimetern erreicht werden. Magnetische Linsen weisen analog zu optischen Linsen die Erscheinung der sphärischen Aberration auf. Im großen und ganzen kann man sägen, daß die sphärische Aberration einer magnetischen Linse vom Verhältnis /³/C² bestimmt wird, wobei / die Brennweite und C die Diagonale des Polabstandes, d. h. des Abstandes zwischen einem Punkt des einen Pols und dem gegenüberliegenden Punkt des anderen Pols, 1st. Es ist üblich, den Durchmesser der Öffnung in den Polen und den Polabstand etwa gleich zu bemessen.

Es gibt Umstände, unter denen es nicht nötig und sogar unerwünscht ist, eine Linse mit einer so geririgen Brennweite als die obenerwähnte zu haben. Bei den erwähnten bekannten Linsen kann dies dadurch verwirklicht werden, daß sie schwächer erregt werden, aber dies ist mit einer starken Zunahme der sphärischen Aberration verbunden, die nur dadurch begrenzt werden kann, daß der Elektronenstrahl durch stärkeres Abblenden abgeschwächt wird. Bei der Mikroanalyse, bei der der Elektronenstrahl auf das Material fokussiert wird, das an Hand der von den Elektronen in ihm erzeugten Röntgenstrahlen untersucht werden soll, ist es vorteilhaft, wenn die Elektronen auf eine möglichst kleine Fläche konzentriert werden. Um die unter einem möglichst großen Winkel aus dem zu untersuchenden Objekt austretenden Röntgenstrahlen auffangen zu können, ist selbstverständlich ein gewisser Raum zwischen dem Objekt und der den Elektronenstrahl auf das Objekt fokussierenden Linse erforderlich. Diese Linse soll daher außer einer verhältnismäßig großen Brennweite und einer möglichst geringen sphärischen Aberration auch einen verhältnismäßig geringen Außendurchmesser haben.

Elektronenstrahlgerät mit elektromagnetischer
Linse

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt,.

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Jan Bart le Poole, Delft (Niederlande)

Beanspruchte Priorität-Niederlande vom 6. Junilo6,4(6406 449)

Auch bei anderen Anwendungen, bei denen ein verkleinertes Bild erwünscht ist, wie bei der Kondensorlinse eines Elektronenmikroskops oder bei einer zur Beugungsuntersuchung manchmal zwischen Objektivlinse und Projektionslinse eines Elektronenmikroskops angebrachten Zwischenlinse, ist es vorteilhaft, eine Elektronenlinse mit verhältnismäßig großer Brennweite in Verbindung mit geringer sphärischer Aberration und einem wenig ausgedehnten magnetischen Streufeld zur Verfügung zu haben.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Elektronenstrahlgerät der eingangs erwähnten Art zu schaffen, in dem eine magnetische Linse vorhanden ist, die diese Anforderungen in größerem Maß als die üblichen, mit einem in in geringer Entfernung voneinander angeordnete magnetische Pole übergehenden Eisenmantel versehenen Linsen erfüllt und darüber hinaus weitere Vorteile bietet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einer magnetischen Linse mit einem deutlich in einigem Abstand von der Linse liegenden Brennpunkt eine annehmbare sphärische Aberration dann erhalten wird, wenn die Halbwertslänge des magnetischen Feldes längs der Achse der Linse erheblich größer

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gewählt wird, als bei den üblichen Linsen mit Man- sungen der Spule der Linse und somit auch der

telpolen der Fall ist. Linse selbst können um so kleiner sein, je größer der

Unter »Halbwertslänge« ist hier der Abstand zwi- Kupferfüllfaktor der Spule und die Stromdichte in

sehen denjenigen Punkten auf der Achse zu ver- der Spule je Flächeninhalt des Längsschnittes sind, stehen, in denen die Kurve, die die Stärke des magne- 5 sofern die Spule mit Hilfe des Kühlkörpers ausrei-

tischen Feldes entlang der Achse darstellt, einen chend gekühlt werden kann. Bei einer vorteilhaften

Wendepunkt hat.' Wenn die Halbwertslänge erheblich Ausführungsform der Linse ist der Kupferfüllfaktor

größer als üblich gewählt wird, hat man die Freiheit, , der Spule größer als 0,5 und die Stromdichte in der

den Durchmesser der Zentralöffnung der Linse so Spule größer als 15 A/mm².

klein zu wählen, wie in Hinsicht auf das durch die io Weil die Linse eine den Elektronenstrahl konzen-Linse hindurchgehende Elektronenbündel gestattet trierende Wirkung hat, kann der freie Innendurchist. Es hat sich herausgestellt, daß die sphärische messer der Linse an der Seite, an der der Elektronen-Aberration einer Linse, die hinter sich in einem Ab- strahl austritt, unbedenklich kleiner als an der andestand α jenseits des Punktes, in dem der Verlauf ren Seite sein. Daher kann die Windungszahl je Länder abnehmenden axialen Feldstärke einen Wende- 15 geneinheit der Spule an dem Ende, an dem der Elekpunkt aufweist, eine Brennebene hat, verhältnismäßig tronenstrahl aus der Linse austritt, größer als an dem niedrig und somit annehmbar ist, wenn die Halb- Ende, an dem der Elektronenstrahl in die Linse einwertslänge dieser Linse zwischen 1,5 g und 4,5 g tritt, bemessen werden, ohne daß dadurch der Außenliegt, durchmesser der Linse vergrößert wird. Der sich da-Gemäß der Erfindung ist ein Elektronenstrahlgerät so durch ergebende Feldverlauf längs der Achse, bei der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dem das Feld in der Nähe desjenigen Endes der daß als Linse eine im Verhältnis zum mittleren Spule, an dem der Elektronenstrahl aus der Linse Durchmesser lange dicht gewickelte Spule mit einer heraustritt, einen Höchstwert aufweist, ist hinsichtlich in der Bewegungsrichtung des Elektronenstrahls und der sphärischen Aberration günstiger als das homoin einigem Abstand von der Spule liegenden Brenn- 25 genere Feld, das bei einer völlig gleichmäßig gewikebene vorgesehen ist, daß die Länge des von der kelten Spule mit konstantem Innendurchmesser entSpule erzeugten Magnetfeldes, gemessen zwischen steht,

den beiden Stellen nahe den Enden der Spule, an Eine vorteilhafte Ausfuhrungsform des Elektro-

denen die die Stärke des axialen Magnetfeldes dar- nenstrahlgerätes besteht aus einem Röntgenanalysa-

stellende Kurve einen Wendepunkt hat, mindestens 30 tor mit einer Mikroelektronenstrahlsonde, bei dem

das Eineinhalbfache und höchstens das Viereinhalb- die Linse den Elektronenstrahl auf das zu analysie-

fache des Abstandes zwischen der Brennebene und rende Objekt fokussiert.

dem benachbarten Ende der Spule beträgt und daß Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des ferner der Innendurchmesser der Spule nicht größer Elektronenstrahlgerätes besteht aus einem Elektroals ein Drittel der Länge zwischen den Wendepunk- 35 nenmikroskop, das mit mindestens einer Kondensorten des axialen Magnetfeldes ist. linse und einer mit einem Eisenmantel mit PoI-Ein nicht unwichtiger Nebenvorteil eines solchen schuhen ausgestatteten Objektivlinse versehen ist, Elektronenstrahlgerätes besteht darin, daß es infolge wobei die Linse als die den Elektronenstrahl auf das der verhältnismäßig großen Halbwertslänge der Objekt fokussierende Kondensorlinse wirksam und Linse in der Regel wenig nutzt, die Spule dieser Linse 40 in einem der Elektronenquelle zugekehrten, von im Innern mit aus magnetisch leitendem Material einem inneren Teil des Eisenmantels der Objektivbestehenden Polen zu versehen. Demzufolge kann linse gebildeten und mit dem Elektronenstrahl kovon der Anordnung von magnetischem Material in- axialen Hohlraum angeordnet ist und ringsum mit nerhalb der Linse fast immer abgesehen werden. Dies deren Mantel in wärmeleitender Berührung steht,
bedeutet, daß im Gegensatz zu den üblichen Spulen 45 Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht mit einem innerhalb der Spule in Pole auslaufenden aus einem Elektronenmikroskop, das mit einer von Eisenmantel nicht nur keine Schwierigkeiten infolge einer Linse im Sinne der Erfindung gebildeten, dem von Hysterese auftreten, sondern auch die der Achse Objektiv folgenden Beugungslinse versehen ist,
am nächsten liegenden Windungen der Spule der Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung durch Linse einen Durchmesser haben können, der nur 50 einige Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der wenig größer als der freie Innendurchmesser der Zeichnung stellt

Linse bzw. der Durchmesser des durch die Linse hin- F i g. 1 schematisch einen Röntgenanalysator mit

durchgehenden Elektronenbündels ist, wodurch die Mikroelektronenstrahlsonde nach der Erfindung dar,

Kupferverluste, die bei gegebener Windungszahl mit während

zunehmendem Windungsdurchmesser ansteigen, ge- 55 Fig, 2 in vergrößertem Maßstab einen Querringer sind. Daher kann auch die Spule mit einem schnitt durch eine im Röntgenanalysator der F i g. 1 Kühlkörper umgeben werden, ohne daß der Außen- zu verwendende Linse zeigt;

durchmesser der Linse übermäßig groß wird. Ein F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Objek-

anderer Vorteil des verhältnismäßig geringen Durch- tivlinse eines Elektronenmikroskops, in die eine Linse

messers der freien Öffnung der Linse ist, daß der 60 gemäß der Erfindung eingebaut ist, und

Gesamtmagnetfluß dieser Linse gering ist, so daß F i g. 4 stellt schematisch ein Elektronenmikro-

außerhalb der Linse magnetische Streufelder sich skop dar, das mit einer Beugungslinse versehen ist,

wenig bemerkbar machen. die als Linse gemäß der Erfindung ausgebildet ist;

Die Linse wird vorzugsweise mit einem die Spule Fig. 5 und 6 zeigen schematisch im Querschnitt

umgebenden und mit ihr in wärmeleitender Verbin- 65 zwei andere Ausführungsformen der Spule der gemäß

dung stehenden Kühlkörper aus gut wärmeleitendem der Erfindung zu verwendenden Linse.

Material versehen, der dabei möglichst ringsum an F i g. 1 stellt schematisch einen Röntgenanalysator

der ganzen Außenseite der Spule anliegt. Die Abmes- mit Elektronenstrahlsonde dar. Ein von einem EIek-

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tronenstrahlerzeuger 1 erzeugtes, auf etwa 50 kV be- Es kann erwünscht sein, den Kühlmantel· 23 mit schleunigtes Elektronenbündel 2 wird mit zwei elek- einem weiteren Mantel aus magnetisch gut leitendem tromagnetischen Linsen 3 und 4 nahezu punktförmig Material, z. B. Eisen, zu umgeben, um z. B. das Streuauf die Oberfläche eines zu untersuchenden Objek- feld der Linse, das infolge des kleinen mittleren tes 5 fokussiert. Infolge des Elektronenaufpralls ent- 5 Durchmessers der Spule 11 und des davon abhängistehen in der Oberfläche des Objektes Röntgenstrah- gen verhältnismäßig niedrigen Gesamtmagnetflusses len 6, die Strahlen auf einer oder mehreren Wellen- bereits nicht stark ist, auf ein Mindestmaß zu belangen enthalten, die für das Material dieser Ober- schränken. Ein solcher Mantel ist in F i g. 2 mit 26 fläche kennzeichnend sind. Diese Röntgenstrahlen 6 bezeichnet; seine Außenseite ist durch eine gestriwerden mit einem Röntgenspektrographen 7 unter- to chelte Linie angegeben. Gemäß der Erfindung soll sucht, der wie üblich einen Analysatorkristall und die Halbwertslänge des axialen Magnetfeldes der einen an einem Goniometerarm befestigten Strahlen- Linse 4 mindestens das Anderthalbfache und höchauffänger enthalten kann, stens das Viereinhalbfache des Abstandes zwischen.

Die Linse 3 ist eine übliche elektromagnetische der jenseits der Linse liegenden Brennebene dersel-Linse, bei der eine Erregerspule 8 von einem Eisen- 15 ben und dem dieser Ebene zunächst liegenden Ende mantel 9 umgeben ist, der in der Spule mit zwei der Spule betragen. Der Verlauf des axialen Magnetdurchbohrten Magnetpolen 10 versehen ist. Die feldes B₀ der Spule 11 ist in F i g. 2 für den Fall, daß Linse 4 dagegen ist als Linse im Sinne der Erfindung kein Eisenmantel 26 vorhanden ist, rechts angegeben, ausgebildet. Die Linse 4 besteht im wesentlichen aus Die mit I bezeichnete Halbwertslänge ist hier gleich einer Erregerspule 11 mit geringen Querabmessun- ao der axialen Länge der Spule 11. Ist ein Eisenmantel gen, deren Länge einige Male den mittleren Durch- der beschriebenen Art vorgesehen, ist die Halbwertsmesser beträgt, und einem die Spule 11 umgebenden länge etwas, jedoch verhältnismäßig wenig größer. Kühlmantel 12. Infolge dieses Aufbaus hat die Beim in Fig. 1 dargestellten Analysator muß das Linse 4 einen verhältnismäßig geringen Durchmesser, Elektronenbündel an der Oberfläche des Objektes 5 wodurch es für den Röntgenspektrographen 7 mög- 35 einen möglichst geringen Querschnitt haben, was belich ist, Röntgenstrahlen aus dem Bündel 6 aufzufan- deutet, daß sie praktisch in der jenseits der Linse 4 gen, die mit der Richtung des Bündels 2 einen Win- liegenden Brennebene dieser Linse liegt,
kel von nicht viel mehr als etwa 30° einschließen. Der Abstand α zwischen dem unteren Ende der Ein solcher kleiner Winkel ist in Hinblick auf die In- Spule 11 und der Oberfläche des zu untersuchenden tensität günstig. 30 Objektes ist beim geschilderten Gerät etwa 10,6 mm,

Ein Querschnitt einer Ausführungsform der so daß das Verhältnis l/a praktisch gleich 2 ist. Um

Linse 4 ist in F i g. 2 ausführlicher dargestellt. Auf zu erreichen, daß die Brennebene der Linse 4 mit der

ein aus nichtferromagnetisehem Metall, z. B. Kupfer, Spule 11 an der Stelle des Objektes 5 zu liegen

bestehendes Rohr 21 mit einem Außendurchmesser kommt, wird die Spule 11 mit einem Strom von etwa

von etwa 3 mm und einer Wandstärke von etwa 35 2,5 bis 3 A erregt (es sind 1500 bis 1800 Ampere-

0,35 mm ist eine Spule 11 aus mit einer Kunststoff- windungen erforderlieh). Infolge der Kühlung über

schicht versehenem Draht mit einem Durchmesser den Kühlmantel läßt sich der Strom in der Spule 11

von 0,25 mm gewickelt. Die Spule 11, die eine Länge unbedenklich auf etwa 4 A steigern, was eine Strom-

von etwa 22 mm und einen Außendurehmesser von dichte im Draht der Spule von fast 80 A/mm² und,

6 mm hat, enthält gut 500 Windungen. Der Kupfer- 40 auf die Fläche des Querschnittes der Spule bezogen,

füllfaktor der Spule 11 ist verhältnismäßig hoch, eine Stromdichte von etwa 50 A/mm² des Spulen-

etwa 60%. Dieser Füllfaktor ist dadurch erreicht querschnittes bedeutet. Es sind gerade der geringe

worden, daß nach dem Wickelvorgang die Spule axial Innendurchmesser und die verhältnismäßig geringe

zusammengepreßt worden ist, wobei durch Hilfs- Dicke der Spule 11 (d. h. die Hälfte der Differenz

stücke eine seitliche Ausdehnung verhindert worden 45 zwischen Außen- und Innendurchmesser), die eine

ist. Dabei nimmt der ursprünglich kreisförmige Quer- derartige hohe spezifische elektrische Belastung der

schnitt des Drahtes eine mehr oder weniger sechs- Spule 11 ermöglichen. Insbesondere die geringe

eckige Gestalt an. Die Spule ist außen versilbert und Dicke der Spule trägt dazu bei, daß die Spule eine

dann galvanisch mit einer Kupferschicht 22 versehen gleichmäßige Temperatur behält, so daß uner-

worden. Die Kupferschicht 22 ist genau abgedreht, 50 wünschte örtliche Widerstandsänderungen nicht ein-

derart, daß das Ganze genau in die zentrale Bohrung treten. Eben diese von den üblichen mit Eisenmantel

eines ebenfalls aus Kupfer bestehenden Kühlmantels und Polen versehenen Spulen abweichenden Abmes-

23 paßt. Dieser Kühlmantel hat eine etwas konische sungen machen die erfindungsgemäß angewandte

Gestalt und ist am unteren Ende der Linse, d. h. an Rohrlinse für verschiedene Zwecke sehr geeignet,

dem dem Objekt 5 zugekehrten Ende, zusätzlich ab- 55 Zum Beispiel geht auch aus F i g. 2 hervor, daß

geschrägt. Am oberen Ende ist der Kühlmantel 23 beim Analysator nach F i g. 1 es infolge des geringen

mit einer ringsumlaufenden Nut 24 versehen, in die Querschnittes der Linse 4 möglich ist, im Spektrogra-

eine Metallrohrleitung 25 eingelötet ist. Durch die phen 7 die vom Objekt 5 ausgehenden Röntgenstrah-

Leitung 25 wird eine Kühlflüssigkeit, ζ. B. Wasser, len 6 aufzufangen, die einen Winkel von 60° mit der

hindurchgeleitet. 60 Oberfläche des Objektes einschließen, was im Hin-

Das die Spule 11 tragende Rohr 21 hat unmittel- blick auf die bei kleineren Winkeln im Objekt selbst bar oberhalb der Spule, d. h. an dem Ende der Linse, auftretende Absorption günstig ist.
an dem das Elektronenbündel 2 eintritt (Strahlrich- Es ist zweckmäßig, den Innendurchmesser der tung Z), eine erheblich größere Wandstärke; mit die- Spule 11 der Rohrlinse bzw. des Trägers (des Rohres sem Teil kann die Linse im Gerät nach F i g. 1 mon- 65 21) möglichst klein zu machen, weil mit abnehmentiert sein. Dieser Teil mit größerem Durchmesser dem Durchmesser erstens die bei gegebener Stromfördert ferner die Ableitung der in der Spule ent- stärke entwickelte Wärme abnimmt und zweitens wickelten Wärme zum Kühlmantel 23. wegen der Abnahme des Gesamtflusses auch das

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Streufeld kleiner wird. Dadurch eignet sich die erfin- des Kühlmantels 43 angebrachten Nuten angeordne dungsgemäß anzuwendende Linse für Verwendungs- ist. Der Stigmator kann z. B. aus zwei einandei zwecke, wie sie bei den üblichen Linsen mit Eisen- gegenüber angeordneten Spulen bestehen, derer mantel und Polen nicht recht möglich sind. Ein Bei- Ebenen sich parallel zur Z-Richtung erstrecken, wöbe: spiel ist in Fi g. 3 ..dargestellt. Es. wird bemerkt, daß 5 die zur Z-Richtung parallelen Teile einer solchen der Innendurchmesser der Spule bzw. ihres Trägers Spule in einem Abstand von einem Viertel des Umnicht unbeschränkt verkleinert werden kann. Eine fanges des Kühlmantels 43 voneinander entfernt sind, untere Grenze ist selbstverständlich durch den Durch- F i g. 4 zeigt schematisch ein Elektronenmikroskop,

messer des von der Linse hindurchzulassenden Elek- mit dem auch Beugungsbilder erzeugt, werden köntronenbündels gegeben, aber in der Regel wird die ^₀ nen. Zu diesem Zweck ist auf bekannte Weise zwifreie Öffnung etwas größer bemessen, um eine Ver- sehen der Objektivlinse 45 und der Projektionslinse schmutzung der Innenwand der Linse im Betrieb zu 46 eine schwache Linse 47 angebracht, die das in der verhindern. . * Brennebene 48 der Objektivlinse 45 entworfene Beu-

-F ig. 3 zeigt einen Querschnitt durch denjenigen gungsbild vorzugsweise verkleinert in der Gegenstands-Teil eines Elektronenmikroskops nach der Erfindung, 15 ebene 49 der Projektionslinse 46 abbildet. Das Mider eine elektromagnetische Objektivlinse enthält. kroskop enthält weiter einen Elektronenstrahlerzeu-Diese Objektivünse besteht aus zwei Spulen 31 und ger 50, eine Kondensorlinse 51 und einen das am 32, die in einem Eisenmantel 33 eingeschlossen sind. Ende erzeugte Beugungsbild auffangenden Schirm 52. Die nach innen gekehrten und in einigem Abstand Die Beugungslinse 47 besteht aus einer Linse im Sinn voneinander endenden Teile34 und 35 dieses Man- 20 der Erfindung, z.B. einer Linse, wie sie in Fig. 2 fels "tragen je einen sich konisch verjüngenden und dargestellt ist. Der Vorteil der Verwendung einer solzentral durchbohrten Pol 36. Mittels eines Objekt- chen Linse als Beugungslinse liegt außer in der mit halters 37 kann ein mit Hilfe eines sich in der Rieh- dem ■. geringen Innendurchmesser verbundenen, im tang Z bewegenden Elektronenbündels abzubilden- Vergleich mit einer üblichen Linse niedrigen Eriäes Objekt 38 zwischen diese Pole gebracht werden. 25 regungsenergie. auch im niedrigen Wert des Streu-Ihnerhälb des .oberen Teiles der Objektivlinse, d. h. feldes, wodurch sonst manchmal auftretende Störunan der Seite, an der das Elektronenbündel· eintritt, gen vermieden werden.

und in der vom Teil34 des Eisenmantels umgebenen ,-Bei den iii den Fig. 1 bis 4 dargestellten Linsen Bohrung der Objektivünse ist eine Linse 39 angeord- nach der Erfindung sind· die Spulen auf ein Kupfernet. Diese Linse besteht, wie die in F i g. 2 darge- 30 rohr mit konstantem Durchmesser gewickelt und ist stellte Linse, aus einem dünnwandigen Kupferrohr die Windungszahl je Längeneinheit der Achsenlänge ' QO, auf dem eine Spule 41 angebracht ist,. die von konstant. Weder das eine noch das andere ist noteiner galvanisch auf eine Silberschicht aufgebrachten wendige sondern es ist sogar vorteilhaft·, in Richtung Kupferschicht 42 umgeben ist. Die Kupferschicht ist des ,durch.die Linse hindurchgehenden Elektronenso abgedreht; "daß das Ganze in einen aus Kupfer 35 Strahles den Innendurchmesser der Spule und,, wenn bestehenden,· größtenteils zylindrischen Kühlmantel diese auf einen Träger gewickelt ist, dessen Durch-43 paßt, dpi wieder genau in die. obere zentrale Boh- messer zu verringern und die Windungszahl je Zentirung der öbjejrtMinse paßt. Die Spule 41 ist etwa meter Achsenlänge zu steigern. Der Innendurch-20 mm.lang und enthält etwa 2500 Windungen in messer der Spule bzw-, des Trägers kann innerhalb 16 Wicklungslägen. Sie ist nach dem ,Wickeln-axial 40 gewisser Grenzen unbedenklich verringert werden, zusammengepreßt; Bei Erregung mit,einem Strom weil das Feld der Spule den Durchmesser des Elekyon etwa 0J8Ä, d.h. etwa 2000Amperewindungen, tronenstrahles allmählich verkleinert. Der- Vorteil hat das Feld in der Spule 41 eine Stärke von etwa dieser Maßnahme ist eine Herabsetzung der bei einem 1000 Gauß,, Die freie Öffnung der Rohrlmse 39, d. h; gegebenen,, die Spule durchfließenden Erregungs·? der Flächeninhalt der Öffnung des Rohres 40, ist 45 strom.frei werdenden Wärme. Die Steigerung der etwa 10 mm³,'der Außendurchmesser .der Spule 41 ** Windungszahl je Zentimeter Achsenlänge zu dem beträgt etwa 6 mm und der Außendurchmesser· des Ende der Spule hin, an dem der Elektronenstrahl ausKühlmantels 43 .am oberen Ende, etwa 15 mm. In tritt, hat den Vorteil, daß der Feldverlauf etwas gün-Fig. 3 sind die verschiedenen Abmessungen nicht stiger ist, um die sphärische Aberration klein zu im richtigen Verhältnis dargestellt,, namentlich sind 50 halten. ,

der Deutlichkeit halber die Querabmessungen der Bei der in Fig.5 im Querschnitt dargestellten

Rohrlinse 39 verhältnismäßig zu groß gezeichnet; Linse ist die Spule 55 mit einer konstanten Windungsauch sind die Abmessungen der Linse 39 und der zahl je Zentimeter Ächsenlänge auf ein sich etwas Objektivlinse in der Z-Richtung nicht ganz im rieh- kegelförmig verjüngendes, aus magnetisch nichtleitigen Verhältnis dargestellt. Die in der Z-Richtung 55 tendem Metall bestehendes Rohr 56 gewickelt. Die jenseits der Linse 39 liegende Brennebene dieser Spule 55 hat infolgedessen auch eine etwas kegel-Linse Hegt in einem Abstand von etwa einem Drittel förmige Gestalt. Ebenso wie bei der Linse der F i g. 2 der Länge der Spule 41 jenseits des unteren Endes ist auch hier die Spule 55 mit einer auf einer Silberdieser Spule und vor dem Objekt, so daß die Linse 39 schicht galvanisch niedergeschlagenen Metallschicht als verkleinernde Kondensorlinse wirkt. Die Objek- 60 57, z. B. einer Kupferschicht, versehen. Das Ganze tivlinse wird auf bekannte Weise mit Wasser gekühlt wird von einem sich unten an die Schicht 57 an-(diesistin Fig. 3 nicht dargestellt); infolge der inni- schließenden hohlen metallenen Kühlmantel 58 umgen wärmeleitenden Berührung der Spule 41 mit dem geben, der größtenteils mit einer leicht siedenden Eisenmantel 33 über die Kupferschicht 42 und den Flüssigkeit 59, z. B. Benzol, gefüllt ist. Durch nicht Kühlmantel 43 ist keine gesonderte Kühlung der 65 dargestellte Mittel wird der beim Sieden erzeugte Linse 39 erforderlich. Dampf abgeleitet und an einer günstigen Stelle kon-

Die Linse 39 kann mit einem (nicht dargestellten) densiert, wonach die kondensierte Flüssigkeit in den Stigmator versehen sein, der in in der Außenwand Mantel 58 zurückgeleitet wird.

In F i g. 6 ist in vergrößertem Maßstab ein Querschnitt durch die Spule mit dem Träger einer erfindungsgemäß zu verwendenden Linse dargestellt, bei der in der Bewegungsrichtung des Elektronenstrahles (Z-Richtung) sowohl der Innendurchmesser der Spule 61 der Rohrlinse abnimmt als auch die Windungszahl je Zentimeter Achsenlänge zunimmt. Die Spule 61 ist auf ein Kupferrohr 62 gewickelt, dessen Durchmesser auf einem Teil der gewickelten Länge gleichmäßig abnimmt. Die Spule 61 ist so gewickelt, daß ihre Außenoberfläche eine parallel zur Achse verlaufende Zylinderfläche bildet. Auch hier ist die Spule mit einer auf einer Schicht aus Silber oder einem anderen geeigneten Metall galvanisch niedergeschlagenen Metallschicht 63 bedeckt, die einen Kühlkörper für die Spule 61 bildet und mit einem weiteren Kühlmantel oder einem Kühlmittel in wärmeaustauschender Berührung steht.

Bei den Linsen der F i g. 5 und 6 ist die Halbwertslänge des axialen Magnetfeldes, die als der in der ao Achsrichtung gemessene Abstand zwischen den Stellen definiert wurde, an denen die Kurve der magnetischen Feldstärke entlang der Achse je einen Wendepunkt hat, praktisch gleich der axialen Länge der Spule der Linse. In allen dargestellten Fällen enthält die Linse im Innern kein magnetisch gut leitendes Material. Es wäre jedoch möglich, z. B. um den Außendurchmesser der Spule verringern zu können, die Länge der Spule größer als die Halbwertslänge des axialen Magnetfeldes zu wählen und die richtige Länge dieses Feldes dadurch zu erhalten, daß in ein oder beide Enden der Spule ein magnetisch gut leitendes Rohr eingeführt wurde, derart, daß der Abstand zwischen einem solchen Rohr und dem anderen Ende der Spule bzw. einem zweiten entsprechenden Rohr etwa gleich der gewünschten Halbwertslänge wäre. Ein Nachteil dabei wäre aber, daß, wenn der gleiche freie Durchgang für den Elektronenstrahl beibehalten werden soll, der Innendurchmesser der Spule wenigstens an der Stelle eines solchen magnetisch leitenden Rohres in Hinsicht auf eine ausreichende Wandstärke des Rohres größer bemessen werden muß, so daß nicht in jedem einzelnen Fall ein günstigerer Außendurchmesser im Vergleich zu den an Hand der vorstehenden Beispiele geschilderten Linse erreichbar ist.

Um einen etwaigen störenden Einfluß des die Zuleitungsdrähte zur Spule der erfindungsgemäß zu verwendenden Linse umgebenden Magnetfeldes klein zu halten, ist es erwünscht, daß der Erregerstrom kleiner als etwa 6 A ist.

Damit das Feld der Spule nicht homogen wird, muß sie mit großer Genauigkeit gewickelt werden. Ein Herstellungsverfahren für eine Spule ohne Inhomogenitäten besteht darin, daß mit dem stromführenden Draht ein viel dünnerer Draht mitgewickelt wird, der beim Wickeln einer Lage den Raum zwischen den aufeinanderfolgende Windungen an der Außenseite der Lage ausfüllt. Dadurch ergibt sich beim Wickeln der nächsten Lage eine praktisch nicht profilierte Unterlage.

Ein günstiger Spulenaufbau kann auch dadurch erhalten werden, daß sämtliche Lagen der Spule gesondert und in der gleichen Richtung gewickelt werden, wonach die verschiedenen Lagen durch unter Umgehung sämtlicher Lagen in der Achsenrichtung verlaufende Drahtteile miteinander verbunden werden. Vorzugsweise werden dabei diese die Lagenenden miteinander verbindenden Drahtteile gleichmäßig über den Umfang der Spule verteilt.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlgerät mit mindestens einer den Elektronenstrahl fokussierenden und diesen in seiner axialen Ausdehnung nur zu einem geringen Teil umgebenden elektromagnetischen Linse, dadurch gekennzeichnet, daß als Linse eine im Verhältnis zum mittleren Durchmesser lange dicht gewickelte Spule mit einer in der Bewegungsrichtung des Elektronenstrahls und in einigem Abstand von der Spule liegenden Brennebene vorgesehen ist, daß die Länge des von der Spule erzeugten Magnetfeldes, gemessen zwischen den beiden Stellen nahe den Enden der Spule, an denen die die Stärke des axialen Magnetfeldes darstellende Kurve einen Wendepunkt hat, mindestens das Eineinhalbfache und höchstens das Viereinhalbfache des Abstandes zwischen der Brennebene und dem benachbarten Ende der Spule beträgt und daß ferner der Innendurchmesser der Spule nicht größer als ein Drittel der Länge (Z) zwischen den Wendepunkten des axialen Magnetfeldes ist (F i g. 2).

2. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse im Innern d,er Spule höchstens magnetisch nichtleitendes Material enthält.

3. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse einen die Spule umgebenden und mit ihr in wärmeleitender Verbindung stehenden Kühlkörper aus gut wärmeleitendem Material enthält.

4. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper ringsherum an der ganzen Außenseite der Spule anliegt.

5. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus einem Metallmantel besteht.

6. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper an dem Ende, an dem der Elektronenstrahl in die Spule eintritt, einen ringsumlaufenden Hohlraum aufweist, in dem sich eine Kühlflüssigkeit befindet.

7. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper von einem Hohlmantel mit Kühlflüssigkeit umschlossen wird.

8. Elektronenstrahlgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule von einer galvanisch aufgebrachten Metalischicht umgeben ist, die mit dem Kühlkörper in wärmeleitender Berührung steht oder selbst den Kühlkörper bildet.

9. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter einer galvanisch auf die Spule aufgebrachten Kupferschicht eine Silberschicht befindet.

10. Elektronenstrahlgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule auf ein Rohr aus magnetisch nichtleitendem, Wärme gut leitendem Material gewickelt ist, das mit dem Kühlkörper in wärmeleitender Verbindung steht.

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11~.. Elektronenstrahlgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllfaktor der Spule der Linse größer als 0,5 und die Stromdichte in der Spule größer als 15 A/mm² des Längsquerschnittes ist.

12. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule der Linse aus in gleicher Richtung gewickelten Lagen besteht und die gegenseitigen elektrischen Verbindungen der Wicklungslagen um die Außenseite sämtlicher Wicklungslagen verlaufen.

13. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule der Linse mehrere Wicklungslagen enthält, in denen zusammen mit dem Stromdraht ein Einlegedraht gewickelt ist, der so in die Fuge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen paßt, daß die Außenseite des Einlegedrahtes in der gleichen Mantelfläche wie die Außenseite der Windungen des Stromdrahtes der betreffenden Wicklungslage liegt.

14. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl je Längeneinheit der Spule der Linse von dem Ende her, an dem der Elektronenstrahl in die Linse eintritt, zu dem Ende hin, an dem der Elektronenstrahl aus der Linse austritt, zunimmt.

15. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Spule der Linse zu dem Ende hin, an dem der Elektronenstrahl austritt, abnimmt.

16. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke in der Spule der Rohrlinse kleiner als 6 A ist.

17. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, in Form eines Röntgenanalysators mit Mikroelektronenstrahlsonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse den Elektronenstrahl auf das zu analysierende Objekt konzentriert.

18. Elektronenstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in Form eines Elektronenmikroskops, das mit mindestens einer Kondensorlinse und einer mit einem Eisenmantel mit Polschuhen ausgestatteten Objektivlinse versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (39 in F i g. 3) als eine den Elektronenstrahl auf das Objekt fokussierende Kondensorlinse wirksam und in einem der Elektronenquelle zugekehrten, von einem inneren Teil des Eisenmantels (34) der Objektivlinse gebildeten und mit dem Elektronenstrahl koaxialen Hohlraum angeordnet ist und ringsum mit diesem inneren Mantelteil (34) in wärmeleitender Berührung steht.

19. Elektronenstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in Form eines Elektronenmikroskops, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer von einer Linse (47) gebildeten, der Objektivlinse (45) folgenden Beugungslinse versehen ist (Fig-4).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen