DE1564714A1

DE1564714A1 - Magnetische Linsenanordnung fuer unter Vakuum arbeitende Korpuskularstrahlgeraete,insbesondere Objektivlinsenanordnung fuer Elektronenmikroskope

Info

Publication number: DE1564714A1
Application number: DE19661564714
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr Isolde; Weyl Dr Reinhard; Helmut Zerbst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-09-21
Filing date: 1966-09-21
Publication date: 1969-12-11
Also published as: NL6704131A; GB1176708A; NL155126B; DE1564714C3; DE2059417C3; DE1564714B2; DE2059417A1; DE2059417B2

Description

SIEMENS- AKTIENGESELLSCHAPT P 15 64 714.0

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Nagnotische Linsenanordnung für unter Yakuum arbeitende Korpuskularstrahlgeräte, insbesondere Objektivlinsenanordnung für Elektronenmikroskope

Zusatz zum Patent 1 209 224 (S 86 746 VIIIc/21g)

Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung der in dem DBP 1 209 224 beschriebenen magnetischen Linsenanordnung für unter Vakuum arbeitende Korpuskularstrahlgeräte, insbesondere eine Objektivlinsenanordnimg für Elektronenmikroskope. Es kann sich jedoch auch um eine Linsenanordnung für ein Ionenmikroskop, ein Elektronenbeugungsgerät oder einen anderen Korpuskular-

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strahlapparat, z.B. nach Art einer Rohre, handeln.

Die in Hauptpatent beschriebene Linsenanordnung besitzt zwei in Richtung der Achse der Linsenanordnung mit Abstand aufeinanderfolgende, koaxial zu dieser Achse angeordnete Abschirmzylinder aus supraleitendem Material, die mit einem Tiefkühlmittel in wärmeleitender Verbindung 3tehen und eine Konzentration des mittels einer geeigneten Anzahl stromdurchflossener, vorzugsweise aus supraleitendem Material bestehender Linsenwicklungen erzeugten magnetischen Feldes im Bereich des Korpuskularstrahles bewirken.

Bei der Linsenanordnung nach dem Hauptpatent sind diese beiden sich mit .ihren Stirnflächen gegenüberstehenden Abschirmzylinder dadurch gebildet, daß in einer die Linsenwicklungen allseitig umgebenden, ringkörperförmigen magnetischen Abschirmung aus supraleitendem Material in ihrer dem Korpuskularstrahl zugekehrten Innenfläche eine in einer Ebene senkrecht zum Korpuskularstrahl liegende ringförmige Öffnung vorgesehen ist, die zur Aufnahme einer quer zum Korpuskularstrahl liegenden, mit einer Öffnung für den Korpuskularstrahl versehenen supraleitenden lochscheibe dient. Durch das Vorsehen dieser ringförmigen öffnung in der ringkörperförmigen magnetischen Abschirmung besteht die Innenfläche dieser Abschirmung aus zwei sich mit Abstand in Richtung der Linsenachse gegenüberstehenden Absehirmzyl indem.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Weiterbildung der beschriebenen Linsenanordnung nach dem Hauptpatent, wobei das Schwergewicht auf einer speziellen Ausbildung der durch die definierten beiden Abschirmzylinder aus supraleitendem Material gebildeten Anordnung liegt. Die erfindungsgemäße linsenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der durch sich gegenüberstehende Stirnflächen der -beiden Abschirmzylinder begrenzte Abstand als Linsenspalt frei von abschirmenden Teilen aus supraleitendem Material und seine Größe derart gewählt ist, daß bei einem bestimmten Wert der Feldstärke außerhalb des Linsenspaltes und der Abschirm- f zylinder der Maximalwert der Feldstärke im Linsenspalt und der Feldgradient in Linsenspalt längs der Achse eine unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegende Öffnungsfehlerkonstante der Linsenanordnung ergeben.

Während bei der Linsenanordnung nach dem Hauptpatent die oben definierten, durch die ringförmige Öffnung in der ringkörperfürmigen Abschirmung geschaffenen Abschirmzylinder lediglich die Aufgabe haben, die Ausbildung des Feldes im Bereich des Korpuskularstrahles außer an einer bestimmten Stelle zu verhindern und zur Definition dieser für die Beeinflussung des Korpuskularstrahles durch das magnetische Linsenfeld bestimmten Stelle ein weiteres supraleitendes Bauteil in Gestalt der erwähnten lochscheibe dient, ist bei der Erfindung die Ausbildung der durch die beiden Zylinder gebildeten Anordnung so getroffen, daß die beiden Abschirmzylinder den Linsenspalt und den Verlauf des magnetischen Feldes innerhalb des Spaltes allein festlegen. Die

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Aufgabe der Lochscheibe bei der Anordnung nach dem Hauptpatent wird also mit von den beiden Abschirmzylindern übernommen, da diese die Feldverhältnisse am Korpuskularstrahl bestimmen. Dadurch wird die Linsenkonstruktion einfacher, und man kann zumindest bei geeigneter Aufteilung der Linsenwicklungen leicht an 'den Linsenspalt herankommen. Ferner mußte bei der Abkühlung der supraleitenden Lochscheibe der Konstruktion nach dem Hauptpatent diese von außen nach innen abgekühlt v/erden, um die Feldlinien im Bereich des Korpuskularstrahles zu "sammeln".

Der Einsatz supraleitender Materialien im Rahmen von elektromagnetischen Linsenanordnungen erfolgt deshalb, weil der in das Auflösungsvermögen der Linse bzw. des Korpuskularstrahlgerätes eingehende Öffnungsfehler der Linsenanordnung um so kleiner gehalten v/erden kann, je größer die magnetische Feldstärke im Bereich des Korpuskularstrahles und je kleiner die Länge dieses felderfüllten Bereiches ist. Mit üblichen, bei normalen Temperaturen arbeitenden und mit Eisenrückschlüssen sowie Polschuhen versehenen elektromagnetischen Linsen lassen sich diese Förde- w rungen, die dort sogar als einander widersprechend bezeichnet v/erden müssen, im Hinblick auf die magnetischen Eigenschaften des Eisens nicht in einem für hohe Auflösungen ausreichenden Maße erfüllen. Will man hohe magnetische Feldstärken im Bereich des KorpuskularStrahles erzeugen, so muß man zwecks Vermeidung der Sättigung des Eisens große Eisenquerschnitte vorsehen, wodurch die axiale Länge desjenigen Bereichs, in dem das magnetische Linsenfeld auf den Korpuskularstrahl einwirkt, vergrößert wird.

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Bei Verwendung supraleitender Materialien ist es demgegenüber möglich, wesentlich höhere magnetische Feldstärken zu erzielen, ohne daß dadurch die axiale länge des Bereiches der Einwirkung des magnetischen Feldes auf den Korpuskularstrahl in nennens- -werten Maße vergrößert wird.

Genau genommen hängt die Öffnungsfehlerkonstante C einer elektromagnetischen Linsenanordnung außer von dem Maximalwert H der Feldstärke in dem Linsenspalt, d.h. dem mehrfach erwähnten Bereich der Einwirkung des Feldes auf den Korpuskularstrahl, von dem Feldgradienten längs der Achse in Linsenspalt ab.

Betrachtet man als anschauliches Beispiel den Fall eines zumindest ungefähr glockenförmigen Feldes, so ist die den Feldgradienten bei gegebenem Maximalwert H der Feldstärke im Spalt bestimmende Größe die Halbwertsbreite 2d.

Zur Erläuterung sei auf Fig. 1 verwiesen, in der längs der Achsei auf der Koordinate z, deren Ausgangspunkt 0 die Mittelebene dec Linsenspaltes bildet, der Verlauf der auf ihren Maximalwert H_Q normierten Feldstärke H/H_Q im Spalt aufgetragen ist. Unter der Halbwertsbreite 2d versteht man definitionsgemäß die Feldbreite bei H/H_Q =0,5.

Es ist einzusehen, daß diese Halbwertsbreite von der Dimensionierung der bei der Erfindung zur Bildung des Linsenspaltes verwendeten beiden Abschirmzylinder im Bereich ihrer einander gegen-

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überstehenden Stirnflächen abhängt. Diese Abhängigkeit gilt nicht nur bezüglich des gewählten Abstandes der beiden Abschirmzylinder, d.h. der Spaltlänge, sondern auch bezüglich der Formgebung der Abschirmzylinder im Bereich ihrer sich gegenüberstehenden Stirnflächen. Da die Abschirmzylinder in der V/eise wirken, daß sie zwar über ihre Länge die Annäherung des elektromagnetischen Linsenfeldes an den Korpuskularstrahl verhindern, dagegen aber unter

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Übernahme der/der Konstruktion nach dem Hauptpatent der supraleitenden lochscheibe obliegenden Aufgabe das magnetische Feld in möglichst großem Maße zum Eintritt in den Linsenspalt veranlassen sollen, sieht die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß die den Linsenspalt begrenzenden Stirnflächen der beiden Abschirmzylinder dem Verlauf der Feldlinien folgend geformt sind. Hierdurch werden hohe Feldstärkewerte an kritischen Stollen im Material und damit die Gefahr von Flußsprüngen vernieden. Dabei können die beiden Stirnflächen auch unterschiedlich geformt sein, so daß das Feld im Spalt unsymmetrisch ist.

Unter demselben Gesichtspunkt steht eine weitere Ausgestaltung der Abschirmzylinder, die sich dadurch auszeichnet, daß sie eine Bohrung für den Durchtritt des Korpuskularstrahles aufweisen und der Durchmesser dieser Bohrung, zumindest am Linsenspalt, möglichst klein bemessen ist. Durch diese Reduzierung des Bohrungsdurchmessers auf den für den Durchtritt des Korpuskularstrahles erforderlichen Wert v/ird eine eindeutige Führung des magnetischen Feldes im Spalt und insbesondere in der unmittelbaren Umgebung des Korpuskularstrahles bei definiertem Feldgradienten gewährleistet.

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Wie bereits dargelegt, ist eine die Öffnungsfehlerkonstante 0~ einer Linsenanordnung stark beeinflussende Größe der Maximalwert H der magnetischen Feldstärke im Linsenspalt. Bs kann daher zweckmäßig sein, in Linsenopalt weitere felderzeugende linsen- · wicklungen zur Erhöhung des Maximalwertes H der feldstärke im Linsenspalt anzuordnen, die also die den Spalt bildenden Abschirmzylinder umgebenden Linsenwicklungen unterstützen. Derartige zusätzliche Wicklungen können auch zur Feldformung oder dazu vorgesehen werden, Hystereseerscheinungen zu verringern oder durch Erzeugung eines Gegenfeldes Änderungen der Brennweite der Linse zu ermöglichen.

Wie ebenfalls bereits angedeutet, sollen die Abschirmzylinder die Ausbildung des magnetischen Feldes in der Nahe des Korpuskularstrahles - außer im Linsenspalt - verhindern. Aus diesen Giunde erstrecken sie sich mit ihren einander abgewandten Stirnflächen zweckmäßigerweise bis in Bereiche vernachlässigbarer Feldstärke.

Es kann aber beispielsweise aus Gründen der Platzersparnis innerhalb des Vakuumraumes eines Korpuskularstrahlgerätes häufig zweckmäßiger sein, mit den beiden Abschirmzylinder weitere Abschirmungen aus supraleitendem Material zu verbinden, wodurch die Ausdehnung des von den Linsenwicklungen erzeugten magnetischen Feldes verringert wird. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen weiteren Abschirmungen um solche, die die um die Abschirmzylinder herum angeordneten Linsenwicklungen außer auf ihren den

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Abschirmzylindern zugekehrten Oberflächenbereichen allseitig ungeben. Diese weiteren Abschirmungen gleichen in ihrer letzterwähnten Ausführungsfora also der ringkörperiörmigen Abschirmung in der Konstruktion nach dem Hauptpatent.

Wesentlich für die ohne nennenswerte Vergrößerung der Länge des felderfüllten Bereiches an Korpuskularstrahl anwendbare feldstärke ist die Abschirmwirkung der beiden Abschirmsylinder. Sie müssen daher eine in Hinblick auf die gewünschte Feldstärke ge-P wählte Dicke besitzen.

Pur die Abschirnzylinder und gegebenenfalls auch für die weiteren Abschirmungen hat sich als Material gesintertes Nb«Sn als günstig erwiesen. Allerdings muß insbesondere bei relativ dickwandiger Ausführung der Abschirmzylinder aus diesen Sintermaterial zwecks Vermeidung von Flußsprüngen dafür gesorgt werden, daß die magnetische Feldstärke H außerhalb der Abschirmzylinder'und des Spaltes sich bein Einochalten nur relativ langsam vergrößert. . Diese die .Arbeitsgeschwindigkeit mit einem derartige linsenanordnungen aufweisenden Korpuskularstrahlgerät verringernde (Tatsache läßt sich vermeiden, wenn man poröses Sintermaterial verwendet oder die Abschirmzylinder und gegebenenfalls die weiteren Abschirmungen aus nit Nb,Sn beschichteten, vorzugsweise scheibenförmigen Trägerkörpern aus warmfesten Material herstellt, beispielsweise Nb, Pt oder warmfestem Stahl.

Die supraleitenden Materialien können in der Weise in Verbindung mit strom- und wärmeleitenden Normalleitern verwendet werden,

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daß in abwechselnder Folge supraleitende und normalleitende Teile aufeinanderfolgen.

In den Figuren 2 bis 10 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Linsenanordnung in ihren wesentlichen Merkmalen" wiedergegeben. In der Konstruktion nach Fig. 2, die ebenfalls wie die Anordnung nach Fig. 3 nur eine, in beiden Figuren mit 1 bezeichnete felderzeugende Linsenwicklung aufweist, umgibt diese die beiden in Richtung der durch die Koordinate ζ gegebenen Linsenachse koaxial aufeinanderfolgend angeordneten beiden Abschirmzylinder 2 und 3 aus supraleitenden Material, deren sich gegenüberstehende, in diesem Ausführungsbeispiel eben ausgebildete Stirnflächen 4 und 5 den Linsenspalt s begrenzen. Die beiden Abschirmzylinder 2 und 3 verhindern also die Ausbildung des in der Wicklung 1 erzeugten magnetischen Linsenfeldes im Bereich der Achse ζ der Linse und damit im Bereich des Korpuskularstrahles außer im Spalt s, wo sie die Ausbildung des Feldes mit möglichst hoher Feldstärke zulassen.

Um die Feldausbildung im Bereich des Korpuskularstrahles innerhalb des Spaltes s gegenüber der Anordnung nach Fig. 2 zu erleichtern, sind im Falle der Linsenkonstruktion nach Fig. 3 die sich gegenüberstehenden, dort mit 6 und 7 bezeichneten Stirnflächen so geformt, daß sie dem Verlauf der Feldlinien innerhalb des Linsenspalt es angepaßt sind·.

Weiterhin unterscheiden sich die beiden Abschirmzylinder 2 und in den Fig. 2 und 3 dadurch voneinander, daß die Wandstärke

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der Zylinder im Falle der Konstruktion nach Pig. 3 etwa viermal so groß wie die Wandstärke im Falle der lösung nach Fig. 2 ist. Es hat sich gezeigt, daß dann eine doppelt so große Feldstärke H-außerhall) der Abschirmzylinder vorliegen kann, ohne daß eine störende Vergrößerung der Länge des felderfüllten Bereichs am Korpuskularstrahl zu befürchten ist.

Verständlicherweise kann man, sofern die einander abgekehrten Stirnflächen der beiden Ab3chirnzylinder 2 und 3 noch in Bereichen hoher magnetischer Feldstärke liegen, entweder die Zylinder verlängern oder zusätzliche Abschirmungen vorsehen; gegebenenfalls können, insbesondere bei sehr hohen Feldstärken, beide Maßnahmen gleichzeitig angewendet v/erden.

Bereits bei der Formgebung der den Spalt s begrenzenden Stirnflächen 6 und 7 der beiden Abschirmzylinder 2 und 3 in der Linsenanordnung nach Fig. 3 war eine Anpassung an den Verlauf der Feldlinien im Linaenspalt s angestrebt worden. In üen Fig. 4 bin 9 sind verschiedene Möglichkeiten dieser Art dargestellt, die sich als günstig erwiesen haben. Dabei stellt Fig. nochmals den Fall einer Abschrägung der Stirnflächen dar, v/ie ihn auch Fig. 3 zeigte; im Falle der Fig. 5 ist der Winkel dieser Schräge erheblich vergrößert. Insbesondere bei höheren Feldstärken H_a außerhalb des Spaltes hat dies eine Vergrößerung des Maximalwertes H_Q der Feldstärke im Spalt zur Folge; allerdings muß diea mit einer kleinen Vergrößerung der Länge des felderfüllten Bereichs am Korpuskularstrahl erkauft werden.

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In Palie dor Fig. & sind an der spaltbegrenzenden Stirnfläche zwei Abschrägungen unterschiedlichen Winkels vorgesehen, um eine noch weitere Anpassung der Form der Stirnflächen an den Verlauf der. Feldlinien zu erzielen. In Fig. 7 ist der Bereich der Stirnfläche un die Bohrung für den Korpuskularstrahl herum abgerundet.

Dagegen ist in Falle der Fig. 8 die Stirnfläche vollkommen eben ausgebildet und der !Durchmesser der Bohrung im Bereich der Stirnfläche sehr klein gehalten. Diese Maßnahme hat einen großen Naxinalwert H_Q der Feldstärke im Spalt bei kleiner Länge des f felderfüllten Bereichs am Korpuskularstrahl zur Folge.

Fig. 9 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig. 8, bei der zusätzlich zu der Durchmesserverrringerung der Bohrung eine Abschriigung und Abrundung der Stirnfläche am Spalt vorgesehen ist.

Wie aus diesen Bemerkungen hervorgehen dürfte, müssen der Abstand s zwischen den beiden Zylindern, ihre länge und die Formgebung der spaltbegrenzenden Stirnflächen der Zylinder weitgehend empirisch in Hinblick auf die speziellen. Verhältnisse in dem jeweiligen Korpuskularstrahlgerät bestimmt werden.

Fig. 10 schließlich zeigt eine Ausbildung der erfindungsgemäßen linsenanordnung, bei der um die beiden ebenfalls mit 2 und 3 bezeichneten Zylinder herum zwei felderzeugende Wicklungen 8 und 9 vorgesehen sind. Die beiden Abschirmzylinder 2 und 3 sind mit v/eiteren supraleitenden Abschirmungen 10 und 11 versehen. Die

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KUhltiittelbehalter sind, wie schon in den anderen Figuren, nicht dargestellt, da ihre Ausbildung und Anordnung an sich bekannt sind.

lurch die Aufteilung in zwei Linsenwicklungen 8 und 9 ist der Spalt s gut zugänglich. In ihn können, wie bei 12 angedeutet, zusätzliche Wicklungen vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, ein Präparat, eine Blende oder Stigcatorelementevon der Seite her in den Spalt s einzuführen.

Die Erfindung besteht also insofern in einer Weiterbildung oder Verallgemeinerung der Idnsenanordnung nach den Hauptpatent, als'sie die dort vorhandenen beiden Abschirrazylinder in bestimmter Weise so anordnet und ausbildet, daß diese auch die Aufgabe der bei der linsenanordnung nach den Hauptpatent zusätzlich vorhandenen supraleitenden lochscheibe lösen.

10 Ansprüche
10 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

ΐ. Magnetische Linsehanordnung für unter Vakuum arbeitende Korpu3kularstrahlgeräto_r insbesondere Objektivlinsenanordnung " für Elektronenmikroskope, mit zwei in Richtung der Achse der Linsenanardnung mit Abstand aufeinanderfolgenden, koaxial zu dieser Achse angeordneten Abschirmzylindern aus supraleitendem Material, die mit einem liefkühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehen und eine Konzentration des mittels einer geeigneten Ansah! stromdurchflossener, vorzugsweise aus supraleitendem Material bestehender Linsenwicklungen erzeugten magnetischen Feldes im Bereich des Korpuskularstrahles bewirken, nach DBP 1 209 224 VIIIc/21g, 37/20, dadurch gekennzeichnet, daß der durch 3ich gegenüberstehende Stirnflächen der beiden Abschirmzylinder begrenzte Abstand als Linaenspalt frei von abschirmenden Seilen aus supraleitendem Material und seine Größe derart gewählt iat_s daß bei einem bestimmten Wert (H_a) der Feldstärke außerhalb des Mnsenspaltea und der Abschirmzylinder der 'ml: Maximalwert (H₀) der Feldstärke im Linsenspalt und der Feldgradient im Mnsenspalt längs der Achse eine unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegende Öffnungafehlerkonstante (O₀) der Ünsenanordnung ergeben.
2. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Mnsenspalt begrenzenden Stirnflächen der beiden Abschirmsylinder dem Verlauf der Feldlinien folgend geformt sind.

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3. Linpenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmzylinder eine Bohrung für den Durchtritt des Korpuskularstrahles aufweisen und der Durchmesser dieser Bohrung, zumindest am Linsenspalt, möglichst klein bemessen ist.
4. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Linsenspalt weitere felderzeugende Linsenwicklungen angeordnet sind.
5. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschirmzylinder sich mit ihren einander abgev.andten Stirnflächen bis in Bereiche vernachlässigbarer Feldstärke erstrecken.
6. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden Abschirmzylindem weitere Abschirmungen aus supraleitendem Material verbunden sind, vorzugsweise solche, die die um die Abschirmzylinder herum angeordneten Linsenwicklungen außer auf ihren den Abschirmzylindern zugekehrten OberflUchenbereichcn allseitig umgeben.
7. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmzylinder scheibenförmig ausgebildet sind.
8. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmzylinder und gegebenenfalls die weiteren Abschirmungen aus gesintertem Nb^Sn bestehen.

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9. Linaenanordnung nach einen der Ansprüche 1 bis ?» gekennzeichnet, daß die Ab'schiriiiaylin&er und gegebenenfalls die weiteren Abschirmungen aus mit Hb-Sn beschichteten, vorzugsweise scheibenförmigen Üirägorkörpern aus warmfestem Material bestehen,
10. Linsenanordnung nach einen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Materialien in Verbindung mit strom- und wärmeleitenden Normalleitern verwendet sind.

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