DE1614188C - Verfahren zum gegenseitigen Ausrichten der Bohrungsachsen der beiden Polschuhe einer magnetischen Polschuhlinse, insbesondere einer Objektivlinse für ein Elektronenmikroskop - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß man die beiden Polschuhe einer magnetischen Polschuhlinse, wie sie in Korpuskularstrahlgeräten vorzugsweise zur Abbildung von Präparaten verwendet wird, möglichst genau auf eine gemeinsame Achse ausrichten muß, da andernfalls Versetzungen des mit der Linse erzeugten Bildes quer zur Achse des Korpuskularstrahles auftreten. Dies macht sich nicht nur durch die Versetzung des Bildes schlechthin bemerkbar, sondern kann bei einem Korpuskularstrahlgerät mit weiteren, dieser Polschuhlinse nachgeschalteten Linsen die Qualität des mit dem Gerät erzeugten vergrößerten Bildes dadurch negativ beeinflussen, daß diese nachgeschalteten Linsen, also beispielsweise eineProjektivlinse in einem Elektronenmikroskop, dann ein nicht vom paraxialen Bereich der Objektivlinse kommendes Bild weiter vergrößern.

Aus diesem Grunde muß man insbesondere bei einer Objektivlinse als der ersten Abbildungslinse beispielsweise eines Elektronenmikroskops dafür sorgen, daß die beiden Polschuhe der Linse genau koaxial ausgerichtet sind.

Bisher hat man diese Bedingung mehr oder weniger werkstattmäßig zu erfüllen versucht. Im Rahmen der sich immer mehr vergrößernden Ansprüche an die Qualität der mit modernen Korpuskularstrahlgeräten erzeugten Bilder von Präparaten, wobei unter Bildern beispielsweise auch Beugungsbilder verstanden sein sollen, besteht im Hinblick auf das oben Gesagte jedoch das Bedürfnis, ein Verfahren zu haben, das die Größe der erforderlichen Verstellungen der beiden Polschuhe einer magnetischen Linse relativ zueinander quantitativ zu erfassen gestattet.

Diesem Bedürfnis trägt die Erfindung Rechnung. Sie betrifft demgemäß ein Verfahren zum gegenseitigen Ausrichten der Bohrungsachsen der beiden Polschuhe einer magnetischen Polschuhlinse, insbesondere einer Objektivlinse für ein Elektronenmikroskop. Dieses Verfahren läßt sich mit Vorteil auch bei magnetischen Polschuhlinsen anderer Korpuskularstrahlgeräte, wie Ionenmikroskope und Beugungsgeräte, immer dann anwenden, wenn eine Ausrichtung der Bohrungsachse der beiden Polschuhe der Linse mit hoher Genauigkeit erforderlich ist.
' Es sei zur weiteren Unterstreichung des Problems der genauen Ausrichtung der Polschuhe einer Linse darauf hingewiesen, daß die Polschuhe von Zeit zu Zeit gereinigt oder aber auch erneuert werden müssen, so daß auch aus diesem Grunde Bedarf an einem Verfahren besteht, das die Güte der Ausrichtung der Polschuhachsen nicht dem Zufall überläßt, sondern diese Ausrichtung auf quantitativem Wege eindeutig und reproduzierbar vorzunehmen gestattet.

Das unter diesen Gesichtspunkten entwickelte erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß nach Einstellung eines einer bestimmten Gegenstandsebene der Linse zugeordneten magnetischen Linsenflusses unter gleichzeitiger, mittels eines Korpuskularstrahles erfolgender Abbildung eines in dieser Gegenstandsebene befindlichen Gegenstandes Vorzeichenwechsel des Flusses vorgenommen werden (Umpolung der Linse) und dadurch derjenige Punkt in der Bildebene der Linse festgelegt wird, der als· Umpolzentrum bei den durch, die Umpolungen der Linse verursachten Bilddrehunuen seine Lage beibehält,. und daß die Lage dieses Umpolzentrums relativ zu den Bildern eines telezentrisch abgebildeten und nahe der gewünschten gemeinsamen Achse beider Polschuhe liegenden Gegenstandes und anschließend/oder zu ausgezeichneten Bildpunkten von weiteren, in anderen Gegenstandsebenen befindlichen und nach Einstellung zugeordneter anderer Flüsse unter Vorzeichenwechseln derselben nacheinander abgebildeten Gegenständen, wobei die ausgezeichneten Bildpunkte mit den bei der Abbildung der weiteren Gegenstände auftretenden Umpolzentren zusammenfallen, dadurch als Kriterium für Parallelversatz und/oder Kippung der Polschuhachsen verwendet wird, daß die Polschuhe in solchen Richtungen und um solche Strecken bewegt werden, daß die Punkte in der Bildebene zumindest ungefähr zur Deckung gebracht werden.

Die Erfindung macht also von der magnetischen Polschuhlinsen eigenen Erscheinung Gebrauch, daß die Linse in Abhängigkeit von Stärke und Richtung des magnetischen Linsenflusses im Bereich des Korpuskularstrahles eine Drehung des Bildes eines Gegenstandes hervorruft, wobei unter einem abgebildeten Gegenstand im Rahmen der Erfindung nicht nur ein materielles Präparat oder ein anderer materieller Gegenstand, beispielsweise eine Blende, ein Netz oder eine Lochfolie, verstanden sein soll, sondern vielmehr der Gegenstand für eine Linse auch ein mittels anderer Linsen erzeugtes Bild eines materiellen Gegenstandes sein kann. So wird im folgenden besonders auf den Fall eingegangen werden, daß als Gegenstand das mittels eines Kondensorsystems verkleinerte Bild der Strahlquelle eines Korpuskularstrahlgerätes verwendet wird.

Bei der erwähnten Bilddrehung durch den magnetischen Fluß der Linse gibt es jeweils einen ganz bestimmten Punkt in der Bildebene, der bei kleinen Änderungen des Linsenflusses und entsprechenden kleinen Änderungen der Bilddrehung seine Lage beibehält ; diese'r Punkt wird als Drehzentrum bezeichnet.\ Seine Lage in der Bildebene hängt von der Bestrahlungsrichtung ab.

Wird dagegen die Linse umgepolt, so bleibt der Betrag des Linsenflusses ungeändert, und das Bild »schlägt« in eine andere Lage um, die gegen die Ausgangslage um die doppelte Bilddrehung gedreht ist. Hierbei behält einer der Bildpunkte, das sogenannte Umpolzentrum, seine Lage bei, und zwar unabhängig von der Bestrahlungsrichtung.

Von dieser vorteilhaften Eigenschaft des Umpolzentrums wird erfindungsgemäß zur Ermittlung der relativen Lage der beiden Polschuhe einer magnetischen Polschuhlinse dadurch Gebrauch gemacht, daß Gegenstände unter Vorzeichenwechsel des magnetischen Linsenflusses scharf abgebildet werden und daß dabei die relative Lage zwischen bei diesen Umpolungen der Linse ihre Lage beibehaltenden Bildpunkten, den Umpolzentren, und weiteren Bildpunkten als Kriterium für die zu ermittelnden Polschuhbewegungen ausgenutzt werden.

Im Prinzip kann diese Ausnutzung der Eigenschaften der bei Umpolung der Linse erfolgenden Bilddrehung gemäß der Erfindung auf zwei Wegen erfolgen: Der erste Weg besteht darin, einen möglichst punktförmigen und möglichst nahe der gewünschten gemeinsamen Achse beider Polschuhe angeordneten Gegenstand unter Umpolung der Linse mit dieser korpuskularstrahloptisch in einer Bildebene abzubilden.

Sofern ein Parallelversatz der beiden Polschuhe der Linse vorliegt, äußert sich dieser dadurch, daß entsprechend den beiden Richtungen des Linsenflusses durch die Bilddrehungen zwei Bilder des punkt-

förmigen Gegenstandes erzeugt werden; die Justierbewegungen der Polschuhe relativ zueinander werden dann so vorgenommen, daß die beiden Bilder des Gegenstandes zur Deckung gelangen, was gleichbedeutend mit der Tatsache ist, daß die beiden Bildpunkte und das Umpolzentrum für die abgebildeten Gegenstandsebenen zur Deckung gebracht werden. Selbst wenn bei dieser Verfahrensvariante das Umpolzentrum selber nicht im Bild sichtbar wird, da es zunächst außerhalb der Bilder des Gegenstandes liegt, wird es doch durch den Abbildungsvorgang festgelegt, und die Justierung der beiden Polschuhe erfolgt in der Weise, daß die Abstände zwischen den beiden Bildpunkten und dem Umpolzentrum mehr oder weniger genau zum Verschwinden gebracht werden.

Nutzte diese Verfahrensvariante die relative Lage des Umpolzentrums zu den bei nicht ausgerichteten Polschuhen der Linse auftretenden zwei Bildern des punktförmigen Gegenstandes als Kriterium für die Justierung aus, so verwendet eine andere Verfahrensvariante die relative Lage der mehreren Gegenstandsebenen zugeordneten Umpolzentren. Hier werden nacheinander jeweils unter Umpolung der Linse von Gegenständen, die sich in verschiedenen, durch entsprechende Linsenerregung eingestellten Gegenstandsebenen befinden, Bilder erzeugt und die dadurch festgelegten Umpolzentren markiert; wiederum läßt sich aus der Lage von verschiedenen Punkten in der Bildebene (Umpolzentren) auf die Größe der erforderlichen Polschuhverschiebungen und -Verstellungen schließen.

Gemeinsam ist diesen beiden Verfahrensvarianten also die Ausnutzung der Bilddrehung einer magnetischen Linse sowie der Tatsache, daß dabei ein Bildpunkt, nämlich das Umpolzentrum, sogar unabhängig von der Bestrahlungsrichtung bzw. der Einfallrichtung des Korpuskularstrahles seine Lage beibehält. Dies ist exakt jedoch nur dann der Fall, wenn man dafür sorgt, daß lediglich eine echte Umpolung der Linse, also ein Vorzeichenwechsel des Linsenflusses, auftritt, dagegen der Betrag des Flusses, gegebenenfalls unter Berücksichtigung remanenter Flüsse, des Erdfeldes oder anderer Störgrößen, konstant bleibt. Demgemäß ist jeder Gegenstandsebene der Linse, die ja eine spezielle Einstellung der Linsenerregung erfordert, ein Ümpolzentrum zugeordnet. Da die zuerst beschriebene Verfahrensvariante häufig nur zu einer Grobausrichtung führen wird, kann man anschließend noch die zweite Verfahrensvariante zur Feinausrichtung anwenden. Es ist aber auch möglich, nur jeweils eine Verfahrensvariante anzuwenden.

Wenn im Rahmen der Erfindung von einer magnetischen Polschuhlinse gesprochen wird, so bedeutet dies nicht nur eine rein elektromagnetische Linse, deren Umpolung in einfacher Weise durch Umpolung des Linsenstromes vorgenommen werden kann. Die Erfindung läßt sich vielmehr auch bei permanentmagnetischen Linsen anwenden, wenn man diese mit zusätzlichen Wicklungen versieht und zur Umpolung mit einem derart gerichteten Strom speist, daß er dann einen dem permanentmagnetischen Fluß entgegengerichteten Fluß hervorruft.

Ist die permanentmagnetische Linse so ausgelegt, daß sie im normalen Betrieb lediglich den durch Permanentmagneten erzeugten permanentmagnetischen Fluß führt, so muß der in den Wicklungen erzeugte entgegengerichtete Fluß, der nur nach der Umpolung vorhanden ist, also den doppelten Betrag des permanentmagnetischen Flusses besitzen. Man kann aber das Verfahren auch bei einer Polschuhlinse mit Wicklungen anwenden, die in abwechselnder Folge von einem den permanentmagnetischen Fluß unterstützenden und einem diesem Fluß entgegengerichteten Fluß gespeist werden, wenn man den entgegengerichteten Fluß betragsmäßig gleich der Summe aus dem permanentmagnetischen und dem diesen unterstützenden Fluß macht.

Es erscheint zweckmäßig, die weiteren Erläuterungen sowohl der Problemstellung als auch des erfindungsgemäßen Verfahrens an Hand der Figuren vorzunehmen. Davon dienen die F i g. 1 bis 5 der Veranschaulichung der die jeweilige Lage der beiden Polschuhe einer magnetischen Polschuhlinse charakterisierenden Koordinatengrößen,die Fig. 6,9und 10 zeigen die Strahlengänge bei ganz bestimmten Lagen der Gegenstandsebene, F i g. 7 die bereits allgemein erläuterte Verfahrensvariante zur Grobjustierung der beiden Polschuhe relativ zueinander bei vernachlässigbarer Kippung ihrer Bohrungsachsen, und F i g. 8 zeigt eine Verfahrensvariante, die es gestattet, bei einer symmetrischen Linse alle die jeweilige Lage der beiden Polschuhe relativ zueinander bestimmenden Größen zahlenmäßig zu ermitteln und demgemäß die entsprechenden Bewegungen zum gegenseitigen Ausrichten der Bohrungsachsen der beiden Polschuhe durchzuführen.

Betrachtet man zunächst F i g. 1, so sind die Achsen 1 und 2 der Bohrungen der beiden bei 3 und 4 angedeuteten Polschuhe einer magnetischen Polschuhlinse in der Weise windschief zueinander, daß sie in einem aus Gründen der Vereinfachung der Berechnung mit 2(5 bezeichneten Abstand voneinander verlaufen und außerdem gegen die Z-Achse geneigt sind. In F i g. 1 ist aus Ubersichtlichkeitsgründen nur die Richtung der Z-Achse angegeben. Unter dieser Achse soll im folgenden diejenige Achse verstanden werden, mit der die beiden Bohrungsachsen 1 und 2 der Polschuhe der Linse zur Deckung gebracht werden sollen.

Im Falle der F i g. 2 ist ferner angenommen, daß die Achsen 1 und 2 gegen die Z-Achse jeweils um den Winkel ν geneigt sind. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird die Achse Z auch bei den späteren Berechnungen stets so gelegt, daß bei Vorhandensein eines Parallelversatzes zwischen den beiden Polschuhen jeder dieser Polschuhe einen Versatz d gegen die Z-Achse und bei Neigung der Bohrungsachsen der beiden Polschuhe jede dieser Achsen einen Winkel ν mit der Z-Achse einschließt. Ferner wird in der in F i g. 2 erkennbaren Weise ein rechtwinkliges Koordinatensystem X, Y, Z eingeführt.

Diese Wahl der Z-Achse veranschaulichen auch die F i g. 3 und 4, wobei aus Ubersichtlichkeitsgründen in Fig. 3 lediglich ein Parallelversatz 2δ der Achsen 5 und 6 der Polschuhe 7 und 8 gegeneinander, dagegen im Falle der F i g. 4 lediglich eine Kippung der Achsen 9 und 10 der Bohrungen der beiden Polschuhe 11 und 12 um jeweils den Winkel ν in der Zeichenebene gegen die Z-Achse angenommen ist.

Aus dieser Betrachtung wird ersichtlich, daß zur genauen Definition der jeweiligen relativen Lage der beiden Polschuhe außer den Größen δ und ν noch das Kippungsazimut, also diejenige Ebene, in der der Winkel ν liegt, angegeben werden muß. Die schematische Darstellung für diese Zusammenhänge zeigt hinsichtlich der Kippung Fig. 5; mit K ist ebenso

wie in F i g. 4 die auf der Z-Achse senkrechte, in der X- 7-Ebene liegende Achse bezeichnet, die über ihren Winkel κ gegen die X-Achse die Lage der den Winkel ν enthaltenden Ebene 13 und damit das Kippungsazimut definiert.

Es läßt sich auch mathematisch nachweisen, daß die drei Größen «5, ν und κ eindeutig die relative Lage der beiden Polschuhe sowie ihre Lage bezüglich der Z-Achse definieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht nun im Prinzip darauf, entsprechend der Zahl der zu ermittelnden dieser drei Größen unter Ausnutzung der Erscheinungen der Bilddrehung bei magnetischen Linsen jeweils einen Parameter zu ermitteln, der einen quantitativen Aufschluß über die jeweils interessierenden dieser drei Größen liefert. Braucht man also alle drei Größen δ, ν und κ, so muß man drei Parameter durch Umpolungen der Linse darstellen; in vielen Fällen wird es aber genügen, lediglich einen Parallelversatz der beiden Polschuhe relativ zueinander zu beseitigen, um zu einer ausreichenden Ausrichtung der beiden Bohrungsachsen dieser Polschuhe zu gelangen.

An Hand der F i g. 6 und 7 soll im folgenden ein Verfahren nach der Erfindung'erläutert werden, das sich dadurch auszeichnet, daß bei vernachlässigbarer Kippung der Bohrungsachsen durch Umpolung der Linse infolge der dabei auftretenden Bilddrehung zwei punktförmige Bilder eines punktförmigen Gegenstandes erzeugt werden und daß einerseits die Mittelsenkrechte auf der Verbindungslinie der beiden punktförmigen Bilder als Kriterium für die Richtung und andererseits die Länge dieser Verbindungslinie als Kriterium für die Größe der zur Behebung des Parallelversatzes der Bohrungsachsen erforderlichen Verschiebung der Polschuhe dient.

Als punktförmiger Gegenstand, der mit der Linse abgebildet wird, dient in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung das verkleinerte Bild 20 einer nicht dargestellten Strahlquelle für einen Korpuskularstrahl, das mittels ebenfalls nicht dargestellter Kondensorlinsen hergestellt ist. Da dieses verkleinerte Bild der Strahlquelle relativ weit von der in diesem Fall zu justierenden Objektivlinse beispielsweise eines Elektronenmikroskops, die durch ihre Linsenmittelebene21 und den axialen Verlauf 22 ihres magnetischen Linsenfeldes angedeutet ist, entfernt ist, hat man hier einen telezentrischen Strahlengang, bei dem ein weit vor der Linse liegender Gegenstand etwa in gleicher Größe in eine weit hinter der Linse befindliche Bildebene abgebildet wird. Die Bildebene ist in F i g. 6 mit 23 bezeichnet.

Sorgt man dafür, daß die Strahlquelle bzw. ihr Bild 20 zumindest ungefähr auf der Z-Achse liegt, die dieselbe Bedeutung hat wie die Z-Achse in den F i g. 3 bis 5, so liegt das verkleinerte Bild 20 der Strahlquelle bei ausgerichteten Linsenpolschuhen in demjenigen Punkt der Gegenstandsebene 24, der dem dieser Gegenstandsebene zugeordneten Umpolzentrum auf der Bildebene 23 optisch konjugiert ist. Bei einem endlichen Wert des Parallelversatzes 2 δ der beiden Polschuhe fällt der Bildpunkt 25 des punktförmigen Bildes 20 jedoch nichf mit dem Umpolzentrum zusammen, so daß, wie Fig. 7 zeigt, entsprechend dem jeweiligen Vorzeichen des Linsenflusses infolge der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommenen Linsenumpolung zwei punktförmige Bilder 25 a und 25 b entstehen, die jeweils durch Drehung um betragsmäßig gleiche, sich aber hinsichtlich ihrer Vorzeichen unterscheidende Bilddrehwinkel Θρ charakterisiert sind, die die Bilddrehung bei der Abbildung eines in der Linsenmittelebene liegenden Gegenstandes angeben. Bei dieser Wahl des Winkels ergeben sich besonders einfache mathematische Beziehungen. Mit 26 ist derjenige Bildpunkt bezeichnet, der sich ergeben würde, wenn dieser Bilddrehwinkel den Wert Null hätte.

Der Abstand Δ s zwischen diesen durch Umpolung der Linse gewonnenen beiden Bildern 25 a und 25 b des den Gegenstand darstellenden Bildes 20 wird erfindungsgemäß als Maß für die Größe der erforderlichen Verschiebung 2 δ der beiden Polschuhe relativ zueinander verwendet. Die Rechnung ergibt hier nämlich folgenden Zusammenhang zwischen dem Abstand ZIs, der Vergrößerung M der Linse, der Elektronenladung e (bzw. allgemein der Ladung eines Korpuskels des Strahles), der Masse des Elektrons (bzw. Korpuskels), der Beschleunigungsspannung U des Strahlerzeugers, der Größe δ, dem Bilddrehwinkel Θ ρ und einem Integral J_ös:

zls = 4M

Hierin ist

2 in I/

δ ■ sin Θρ ■ J_ds.

Bild

J_3s = \ α_δ· sin Θ· t ■ άΖ.

In diesem Integral bedeutet t eine von der Koordinate Z abhängige Funktion, die die Bahn der Korpuskeln in der ungestörten Polschuhlinse beschreibt, und α_δ die ebenfalls von Z abhängige Verteilung des Störpotentials, das durch Parallelversatz der Bohrungsachsen hervorgerufen ist. ί und α hängen äußerdem von der Spaltweite S der Linse und dem Bohrungsdurchmesser D ab. Der Winkel Θ ist ebenfalls eine Funktion von Z und bedeutet die zwischen der Ebene Z = O (Linsenmittelebene) und dem betrachteten Wert von Z vorliegende Bilddrehung:
45

Θ =

5? ist die magnetische Induktion auf der Z-Achse. Bei diesem Verfahren wird also das Umpolzentrum nicht in Gestalt einer Einzelheit des Gegenstandes abgebildet und markiert, liegt aber für diese Abbildung ebenfalls fest und läßt sich ermitteln. Durch die Lage des punktförmigen Gegenstandes 20 wird nämlich ' auch die Achse Z als durch Justierung der beiden Polschuhe zu erreichende Linsenachse definiert.

Man kann nun aus der Formel für As die erforderliehe gegenseitige Verschiebung 2 δ der Polschuhe berechnen; die Richtung der Verschiebung wird durch die Mittelsenkrechte 27 auf der Verbindungslinie der beiden Bildpunkte 25 a und 25 b angegeben. Man kann aber insbesondere dann, wenn die Ausrichtung der beiden Polschuhbohrungsachsen in der Betriebsstellung der Linse, also beispielsweise in einem Elektronenmikroskop, dessen Objektivlinse sie ist, erfolgt, ohne jede Rechnung allein unter Beobachtung der beiden

Bilder 25 α und 25 b die Lage der beiden Polschuhe so lange verändern, bis diese beiden Bilder zumindest ungefähr zusammenfallen. Es wird dann also zweckmäßig sein, periodisch Umpolungen der Linse vorzunehmen und nicht nur eine einmalige Umpolung, wie dies für die Fixierung der Bildpunkte 25 a und 25b auf photographischem Material ausreicht.

Sobald die beiden punktförmigen Bilder 25 a und 25 b zur Deckung gebracht worden sind, ist entsprechend der Definition des Umpolzentrums erreicht, daß sich der punktförmige Gegenstand 20 in dem dem Umpolzentrum in der Bildebene 23 optisch konjugierten Punkt der Gegenstandsebene 24 befindet, und die beiden Bohrungsachsen stimmen überein mit der Z-Achse.

In der Praxis wird man häufig die Formel für den Zusammenhang zwischen δ und As dahingehend vereinfachen, können, daß man den Zusammenhang

2<5 « 3 · As ■ b μηι

benutzt. Dabei ist As in Millimetern einzusetzen; b ist die in Metern gemessene Bildweite. Dieser verr einfachte Zusammenhang gilt größenordnungsmäßig für die üblichen Linsen; er wurde experimentell für symmetrische Linsen mit einem Verhältnis von Spaltweite zu Bohrungsdurchmesser S/D = 1,25 gefunden. Bei dem eben beschriebenen Verfahren war also vorausgesetzt, daß ν sehr klein gegen das Verhältnis ö/s ist; dann braucht auch das Kippungsazimut κ nicht bestimmt zu werden.

An Hand F i g. 8 soll nunmehr ein Verfahren beschrieben werden, das es gestattet, auch die Kippung ν der einzelnen Bohrungsachsen der beiden Polschuhe gegen die Z-Achse und das Kippungsazimut κ zu ermitteln. Im Prinzip handelt es sich um ein dadurch gekennzeichnetes Verfahren, daß nacheinander mehrere Gegenstände, die sich in verschiedenen Gegenstandsebenen befinden, jeweils unter Vorzeichenwechsel des Flusses abgebildet und die dadurch festgelegten zugeordneten Umpolzentren mar-'kiert werden und daß als Kriterien für die zur Behebung von Parallelversatz und/oder Kippung der Bohrungsachsen erforderlichen Bewegungen der Polschuhe in bestimmten Richtungen gemessene Abstände zwischen verschiedenen Umpolzentren sowie Winkel zwischen Verbindungslinien verschiedener Umpolzentren verwendet werden.

, Dabei hängt die Anzahl der in jeweils einer Gegenstandsebene angeordneten und nacheinander abgebildeten Gegenstände ab von der Anzahl der zu ermittelnden der Größen δ, ν und κ. Auch dieses Verfahren läßt sich also zur Bestimmung nur einer dieser drei Größen anwenden, wobei es den Vorteil besitzt, daß es eine sehr genaue Ermittlung der erforderlichen Polschuhbewegungen gestattet.

In dem in F i g. 8 angenommenen Fall wird wiederum das verkleinerte Bild der Strahlquelle beispielsweise eines Elektronenmikroskops, d. h. ein praktisch im Unendlichen befindlicher Gegenstand, im telezentrischen Strahlengang auf die Bildebene X, Y abgebildet. Während aber das an Hand F i g. 7 beschriebene Verfahren darauf hinauslief, zusätzlich zum Umpolzentrum punktförmige Bilder eines punktförmigen Gegenstandes zu erzeugen und diese Bilder zur Deckung mit dem Umpolzentrum zu bringen, werden Bildpunkte bei dem Verfahren gemäß F i g. 8 nur insoweit betrachtet, als sie sich dadurch auszeichnen, daß sie identisch mit den bei verschiedenen Gegenstandsweiten vorliegenden Umpolzentren sind. Man markiert demgemäß in der Bildebene_außer dem ersten Umpolzentrum 30, das mittels des telezentrisehen Strahlenganges bei Umpolung der Linse gewonnen ist (Gegenstandsebene weit vor der Linse), das zweite Umpolzentrum 31, dessen zugeordnete Gegenstandsebene in diesem Anwendungsfall mit der Linsenmittelebene zusammenfällt. Bei einer symme-

jo irischen Linse würde dies bedeuten, daß der Gegenstand in derjenigen Linsenebene liegt, in der im Falle eines telezentrischen Strahlenganges ein Zwischenbild des telezentrisch abgebildeten Gegenstandes liegen würde.

Zum Vergleich sei auf die F i g. 9 und 10 verwiesen. F i g. 9 deutet nochmals den Strahlengang im Falle der telezentrischen Abbildung eines punktförmigen Gegenstandes 40 in ein punktförmiges Bild 41 an, wobei erkennbar ist, daß ein erstes Bild 42 in der Mittelebene des durch das Linsenfeld 43 angedeuteten.

Linsensystems erzeugt wird. In dieser Weise wird jetzt im Falle der F i g. 8 das erste Umpolzentrum 30 erzeugt.

Das zweite Umpolzentrum 31 wird dagegen mit dem Strahlengang nach Fig. 10 erzeugt; als Gegenstand ist beispielsweise ein Präparat 45 bei einer symmetrischen Linse in die Linsenmittelebene eingebracht, und es wird das Umpolzentrum 31 (F i g. 8) durch Abbildung dieses Präparates 45 bei 46 erzeugt.

Bezüglich des telezentrischen Strahlenganges, der also wiederum nur die Abbildung des dem zugeordneten Umpolzentrum optisch konjugierten Gegenstandspunktes vornehmen soll, setzt dies jedoch voraus, daß der im telezentrischen Strahlengang abzubildende Gegenstand zumindest ungefähr in den optisch konjugierten Punkt gebracht wird. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen: Benutzt man als Gegenstand wiederum das verkleinerte Bild der Strahlquelle, so kann man zur entsprechenden Justierung dieses Gegenstandes relativ zur Linse mit bekannten Mitteln Teile eines die Strahlquelle sowie das Kondensorsystem enthaltenden Strahlerzeugers für den Korpuskularstrahl quer verschieben; dann wird auch das verkleinerte Bild der Strahlquelle in der Gegenstandsebene der Linse entsprechend verschoben.

Man kann aber auch durch in Strahlrichtung hinter dem Strahlerzeuger vorgesehene, an sich bekannte Ablenksysteme das verkleinerte Bild der Strahlquelle von der Linse gesehen virtuell zumindest ungefähr in den dem Umpolzentrum optisch konjugierten Punkt der Gegenstandsebene schieben.

Unter diesen Voraussetzungen erhält man also bei der Umpolung der symmetrischen Linse während der Abbildung des verkleinerten Bildes der Strahlquelle bei 30 als erstes Umpolzentrum dasjenige der im Unendlichen liegenden Gegenstandsebene. Man kann nun bereits aus der Lage der Umpolzentren 30 und 31 die Größe der erforderlichen Verschiebung d jedes Polschuhes relativ zur Z-Achse ermitteln. Der Abstand A U zwischen dem ersten Umpolzentrum 30 und dem zweiten Umpolzentrum 31 ist nämlich das Maß für den Betrag des jeweils vorliegenden Parallelversatzes δ jedes Polschuhes. Die Richtung der Verbindungslinie 32 der beiden Umpolzentren ist die Richtung der erforderlichen Polschuhverschiebungen. Auf die Ermittlung von ö aus AU wird später im Zusammenhang eingegangen.

Will man nun auch die Werte der Kippung ν und

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des Kippungsazimuts κ kennen, so wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Fig. 8 durch Abbildung eines Gegenstandes in einer dritten, von den beiden bisher behandelten Gegenstandsebenen abweichenden Gegenstandsebene der Linse das zugehörige dritte Umpolzentrum 33 festgelegt und markiert und die Lage dieses Umpolzentrums, relativ zu den anderen Umpolzentren 30 und 31 als Maß für ν und κ verwendet.

Es zeigt sich, daß in dem betrachteten Fall einer symmetrischen Linse auch diejenigen Umpolzentren, die.bei verschwindendem Parallelversatz δ sowohl für den telezentrischen Strahlengang als auch für die Gegenstandslage in der Linsenmittelebene vorliegen, auf der Geraden 32 liegen, wobei sich die Besonderheit •ergibt, daß diese beiden Umpolzentren in einem einzigen vierten Umpolzentrum 34 zusammenfallen. Die bevorzugte Verfahrensweise ist _nun die, daß bei endlichem Wert des Parallelversatzes δ die Lage des gemeinsamen vierten Umpolzentrums 34 sowie die Lage des fünften Umpolzentrums 35 für die Abbildung des Gegenstandes in der dritten Gegenstandsebene für den Fall errechnet und markiert wird, daß der Parallelversatz δ Null ist, und daß der Abstand AR zwischen den beiden Umpolzentren 34 und 35 als Maß für die Größe der Kippung ν und der Winkel zwischen den Verbindungslinien vom ersten und vierten sowie vierten, und fünften Umpolzentrum gleich der Neigung κ der Kippebene ist.

Die beiden Umpolzentren 33 und 35 liegen auf der zur Geraden 32 parallelen Geraden 36.

Im einzelnen ist der Gang dieses graphisch-rechnerischen Verfahrens folgender: Man hält die bei endlichen Werten von δ und ν vorhandenen drei Umpolzentren 30, 31 und 33 beispielsweise auf Photoplatten fest, wobei es aus Ubersichtlichkeitsgründen zweckmäßig ist, die Umpolzentren 3Ö und 31 auf einer ersten und das Ümpolzentrum 33 auf einer zweiten Photoplatte zu markieren. Diese Platten können dann superponiert werden. Man kann diese Markierung so vornehmen, daß man jeweils diejenigen Bereiche der Gegenstände abbildet, die den dem Umpolzentrum optisch konjugierten Gegenstandspunkt enthalten; es ist aber auch möglich, andere Gegenstandsbereiche unter Umpolung der Linse abzubilden und aus den Lagen markanter Bildpunkte die zugehörigen Umpolzentren rechnerisch oder graphisch zu ermitteln. Der Ausdruck »markieren« ist also im weiten Sinne zu verstehen.

Dann entnimmt man diesem Bild den Wert für A U und ermittelt δ hieraus rechnerisch auf Grund der im folgenden noch anzugebenden und zu erläuternden Formeln. Nunmehr konstruiert man die Umpolzentren für den Fall «5 = 0, ν ψ 0, wozu aus dem berechneten Wert für δ ebenfalls auf Grund der im folgenden angegebenen Gleichungen AQ und AA berechnet werden.

Dann kann man κ und AR messen und aus dem letzten Wert ν berechnen.

Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens läuft also darauf hinaus, das durch Abbildung gewonnene überlagerte Bild von drei in verschiedenen Gegenstandsebenen nacheinander angeordneten Gegenständen so zu ergänzen, daß es auch die Umpolzentren enthält, die bei verschwindendem Parallelversatz auftreten würden.

Linse auf Grund folgender Beziehungen:

AP =

sin θ ρ
i „ Ja,

AU =

AA =

( ^Jö

ö ( H

2mU \ sin Θ_Ρ cos

:OS GpJ

+ V COS

( ^vc J,c Y]

V sin Θ_Α sin Θ_Ρ /J

M 1/ v{ ^vc

γ 2 m\J \ sin Θ_Α sin

AY

Rv =

Tv =

AR =

Man erkennt, daß auch diese Beziehungen die Linsenvergrößerung M sowie die in dem Wurzelausdruck zusammengefaßten Eigenschaften des Korpuskularstrahles, hier eines Elektronenstrahles, enthalten.

Die Ausdrücke A und J sind wiederum Integralausdrücke, die sich wie folgt zusammensetzen:

Bild

VC = J «V

./„„ = I a_vcos Θ ■ t · άΖ
ö

Bild

A_vc = a_vcos Θ · t ■ dZ

Gegenstand

(Gegenstand nicht in Linsenmittelebene.)

Bild

Jöc = a₃cos Θ ■ t ■ dZ

BiI

Die Berechnung der verschiedenen Größen erfolgt in dem hier zugrunde gelegten Fall einer symmetrischen u_Äcos Θ ■ t ■ dZ

Gegenstand
Bild

J_is = α,, sin Θ ■ t · dZ S

J_is, a_s und t waren bereits oben bei der Erläuterung des in F i g. 7 wiedergegebenen Ausführungsbeispiels definiert worden.

a_v beschreibt — in Analogie zu a_b — die ebenfalls von Z abhängige Verteilung des Störpotentials, das durch Kippung der Bohrungsachsen hervorgerufen wird.

Θ_Α gibt — entsprechend der Definition von Θ_Ρ — den Bilddrehwinkel für die zu dem mit 33 bezeichneten Umpolzentrum gehörende Gegenstandslage an. Entsprechend bedeutet Θ in den Integralen A den Bilddrehwinkel zwischen dieser Gegenstandsebene und dem jeweiligen Wert von Z.

Man kann aber auch in anderer Weise vorgehen, indem man nämlich die in F i g. 8 eindeutig definierten Größen Δ U, ΔΧ und Δ Y- mißt, wiederum δ aus der angegebenen Formel für Δ U berechnet, aber dann nicht die Umpolzentren 34 und 35 konstruiert, sondern ν und κ aus den beiden Gleichungen für ΔΧ und ΔΥ berechnet.

Verständlicherweise ist das Verfahren gemäß Fig. 8 in entsprechender Abänderung auch für den Fall anwendbar, daß lediglich eine der drei Größen δ, ν und κ ermittelt werden soll.

Bei modernen Elektronenmikroskopen sieht man häufig Möglichkeiten zur Querverschiebung der einzelnen Polschuhe während des Betriebes im Gerät vor. Bei Vorhandensein dieser Möglichkeit erübrigen sich die beschriebenen Rechnungen, da man die Justierung nur so vorzunehmen braucht, daß im Falle der F i g. 8 die verschiedenen Umpolzentren und im Falle der F i g. 7 die beiden Bildpunkte zur Deckung kommen. Man kann die Umpolungen der Linse periodisch beispielsweise mittels eines Schaltmotors vornehmen. ΑμΰΙι die verschiedenen Gegenstandsebenen können periodisch nacheinander eingestellt werden. In diesen periodischen Betrieb wird man auch erforderliche Einstellungen anderer Linsen, z. B. eines Kondensors, und/oder Ablenksysteme einbeziehen.

Es ist aber auch möglich, die erforderlichen Polschuhbewegungen bei in ihre Betriebsstellung eingesetzter Linse zu ermitteln, dann die Linse aus ihrer Betriebsstellung herauszunehmen und die erforderlichen Polschuhbewegungen beispielsweise unter Beobachtung mit einer lichtoptischen Vergrößerungseinrichtung von Hand oder mittels einer zusätzlichen Einrichtung vorzunehmen.

Claims (24)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum gegenseitigen Ausrichten der Bohrungsachsen der beiden Polschuhe einer magnetischen Polschuhlinse, insbesondere einer Objektivlinse für ein Elektronenmikroskop, d a durch gekennzeichnet, daß nach Einstellung eines einer bestimmten Gegenstandsebene der Linse zugeordneten magnetischen Linsenflusses unter gleichzeitiger, mittels eines Korpuskularstrahls erfolgender Abbildung eines in dieser Gegenstandsebene (Fig. 6: 24) befindlichen Gegenstandes (20) Vorzeichenwechsel des Flusses vorgenommen werden (Umpolung der Linse) und dadurch derjenige Punkt in der Bildebene (23) der Linse festgelegt wird, der als Umpolzentrum (Fig. 8: 30) bei den durch die Umpolungen der Linse verursachten Bilddrehungen seine Lage beibehält, und daß die Lage dieses Umpolzentrums (30) relativ zu den Bildern (Fig. 7: 25a, 25b) eines telezentrisch abgebildeten und nahe der gewünschten gemeinsamen Achse (Fig. 1 bis 6: Z) beider Polschuhe liegenden Gegenstandes und anschließend/oder zu ausgezeichneten Bildpunk-

ten von weiteren, in anderen Gegenstandsebenen befindlichen und nach Einstellung zugeordneter anderer Flüsse unter Vorzeichenwechseln derselben nacheinander abgebildeten Gegenständen, wobei die ausgezeichneten Bildpunkte mit den bei der Abbildung der weiteren Gegenstände auftretenden Umpolzentren (Fig. 8: 31,33,34,35) zusammenfallen, dadurch als Kriterium für Parallelversatz Fig. 1: <5) und/oder Kippung (Fig. 5: ν, κ) der Polschuhachsen (Fig. 1: 1, 2) verwendet wird, daß die Polschuhe (3, 4) in solchen Richtungen und um solche Strecken bewegt werden, daß die Punkte in der Bildebene zumindest ungefähr zur Deckung gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine elektromagnetische Linse ist und ihre Umpolung durch Umpolung des Linsenstromes vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine permanentmagnetische Linse mit zusätzlichen Wicklungen ist, die zur Umpolung mit einem derart gerichteten Strom gespeist werden, daß er einen dem permanentmagnetischen Fluß entgegengerichteten Fluß hervorruft.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der entgegengerichtete Fluß den doppelten Betrag des permanentmagnetischen Flusses besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen in abwechselnder Folge von einem den permanentmagnetischen Fluß unterstützenden und einem diesem Fluß entgegengerichteten Fluß gespeist werden und daß der entgegengerichtete Fluß betragsmäßig gleich der Summe aus dem- permanentmagnetischen und dem diesen unterstützenden Fluß ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den während der Abbildung jeweils eines Gegenstandes vorgenommenen Umpolungen der Linse das Verhältnis von Quadrat der Amperewindungszahlen der Linse zu Beschleunigungsspannung des Korpuskularstrahls zumindest ungefähr konstant gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei vernachlässigbarer Kippung (Fig. 5: ν, κ) der Bohrungsachsen (Fig. 4: 9, 10) durch Umpolung der Linse infolge der dabei auftretenden Bilddrehung Fig. 7: Θρ) zwei punktförmige Bilder (25a, 25b) eines punktförmigen, telezentrisch abgebildeten und nahe der gewünschten gemeinsamen Achse (Fig. 1 bis 6: Z) beider Polschuhe liegenden Gegenstandes (Fig. 6: 20) erzeugt werden und daß einerseits die Mittelsenkrechte (Fig. 7: 27) auf der Verbindungslinie der beiden punktförmigen Bilder (25a, 25 b) als Kriterium für die Richtung und andererseits die Länge (A s) dieser Verbindungslinie als Kriterium für die Größe der zur Behebung des Parallelversatzes (δ) der Bohrungsachsen (Fig. 3: 5, 6) erforderlichen Verschiebung der Polschuhe (7, 8) dient.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung in Richtung der Mittelsenkrechten (Fig. 7: 27) auf denjenigen Punkt (26) der Bildebene zu erfolgt, in den der Gegenstand bei der Bilddrehung Null abgebildet werden würde.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (Fig. 3: 7, 8) zumindest größenordnungsmäßig um die Strecke

2<5«s3 · As · όμιη

5 verschoben werden, worin As die in Millimetern gemessene Länge der Verbindungslinie der beiden punktförmigen Bilder und b die in Metern gemessene Bildweite (Fig. 7: 25a, 25 b) bedeuten.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander mehrere Gegenstände, die sich in verschiedenen Gegenstandsebenen befinden, jeweils unter Vorzeichenwechsel des Flusses abgebildet und die dadurch festgelegten zugeordneten Umpolzentren (Fig. 8: 30, 31, 33) markiert werden und daß als Kriterien für die zur Behebung von, Parallelversatz (<5) und/oder Kippung (ν, κ) der Bohrungsachsen erforderlichen Bewegungen der Polschuhe in bestimmten Richtungen gemessene Abstände zwischen verschiedenen Umpolzentren (30,31,33) sowie Winkel zwischen Verbindungslinien verschiedener Umpolzentren (30, 31, 33) verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung eines der Gegenstände (Fig. 9: 40) im telezentrischen Strahlengang erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als eine zweite Gegenstandsebene diejenige Linsenebene (Fig. 10: bei 45) gewählt wird, in der im Falle eines telezentrischen Strahlenganges ein Zwischenbild (Fig. 9: bei 42) des telezentrisch abgebildeten Gegenstandes (40) liegen würde.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Fig. 8: AU) zwischen dem im telezentrischen Strahlengang gewonnenen ersten (30) und dem durch Abbildung des Gegenstandes in der Linsenmittelebene gewonnenen zweiten Umpolzentrum (31) als Maß für den Betrag des jeweils vorliegenden Parallelversatzes (<5) der Bohrungsachsen und die Richtung der Verbindungslinie (32) der beiden Umpolzentren (30, 31) als Kriterium für die Richtung der erforderlichen Verschiebung der Polschuhe verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ferner durch Abbildung eines Gegenstandes in einer dritten von den beiden anderen Gegenstandsebenen abweichenden Gegenstandsebene der Linse das zugehörige dritte Umpolzentrum (33) festgelegt und markiert wird und ,daß die Lage dieses Umpolzentrums (33) relativ zu den anderen Umpolzentren (30, 31) als Maß für die Kippung (v) der Bohrungsachsen sowie die Neigung (κ) der Ebene dieser Kippung verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer symmetrischen Linse und bei endlichem Wert des Parallelversatzes (ό) die Lage des gemeinsamen vierten Umpolzentrums (34) für die Abbildung im telezentrischen Strahlengang und die Abbildung des.Gegenstandes in der Linsenmittelebene sowie die Lage des fünften Umpolzentrums (35) für die Abbildung des Gegenstandes in der dritten Gegenstandsebene für den Fall errechnet und markiert wird, daß der" Parallelversatz (ό) Null ist, und daß der Abstand (A R) zwischen viertem (34) und fünftem (35) Umpolzentrum als Maß für die Größe der Kippung (v) und der Winkel zwischen den Verbindungslinien von erstem (30) und viertem (34) sowie viertem (34) und fünftem (35) Umpolzentrum als Maß für die Neigung (κ) der Kippebene verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei endlichem Wert des Parallelversatzes (ö) dieser aus dem Abstand (A R) zwischen dem ersten (30) und zweiten (31) Umpolzentrum und die Kippung (v) sowie die Neigung (κ) der Kippebene aus der Länge (A Y) des vom dritten Umpolzentrum (33) auf die Verbindungslinie (32) zwischen erstem (30) und zweitem (31) Umpolzentrum gefällten Lotes sowie aus dem parallel zu dieser Verbindungslinie (32) gemessenen Abstand (AX) zwischen zweitem (31) und drittem (33) Umpolzentrum berechnet werden, wobei die Linsenvergrößerung berücksichtigt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß als im telezentrischen Strahlengang abgebildeter Gegenstand ein von einem Kondensatorsystem erzeugtes verkleinertes Bild (F i g. 6: 20) einer Strahlquelle für den Korpuskularstrahl verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der im telezentrischen Strahlengang abzubildende Gegenstand (Fig. 6:.20) zumindest ungefähr in denjenigen Punkt der Gegenstandsebene (24) gebracht wird, der dem dieser Gegenstandsebene (24) zugeordneten Umpolzen-

■ trum optisch konjugiert ist.

19. Verfahren nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch Querverschieben von Teilen eines die Strahlquelle sowie das Kondensorsystem enthaltenden Strahlerzeugers für den Korpuskularstrahl das verkleinerte Bild der Strahlquelle zumindest ungefähr in den dem Umpolzentrum optisch konjugierten Punkt der Gegenstandsebene geschoben wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch in Strahlrichtung hinter dem Strahlerzeuger vorgesehene Ablenksysteme für den Korpuskularstrahl das verkleinerte Bild der

. Strahlquelle von der Linse gesehen virtuell zumindest ungefähr in den dem Umpolzentrum optisch konjugierten Punkt der Gegenstandsebene geschoben wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderlichen Polschuhbewegungen nach Einsetzen der Linse in ihre Betriebsstellung vorgenommen werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderlichen Polschuhbewegungen bei in ihre Betriebsstellung eingesetzter Linse ermittelt werden, daß dann die Linse aus ihrer Betriebsstellung herausgenommen wird und daß hierauf die erforderlichen Polschuhbewegungen vorgenommen werden.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch Umpolungen der Linse vorgenommen werden.

24. Verfahren nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch die verschiedenen Gegenstandsebenen eingestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen