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Die Erfindung betrifft ein Korpuskularstrahlgerät mit Mitteln zur
farbigen Wiedergabe solcher Eigenschaften einer von einem zu untersuchenden Präparat
kommenden Korpuskularstrahlung, die dieses Präparat charakterisieren. Beispielsweise
handelt es sich bei diesen Eigenschaften um die Intensität der von verschiedenen
Präparatstellen kommenden Korpuskularstrahlung, im Falle eines Elektronenmikroskops
also beispielsweise der das Präparat durchsetzenden Elektronenstrahlung, oder aber
um den Energieverlust, den die Korpuskeln an verschiedenen Stellen des Präparates
erlitten haben. Diese Eigenschaften des Korpuskularstrahles sind ebenso wie andere
Eigenschaften, beispielsweise die Richtung von gestreuten oder rückgestreuten Korpuskeln
oder die Energie einer im Präparat unter dem Einffuß einer Korpuskularstrahlung
hervorgerufenen weiteren Strahlung, beispielsweise einer Röntgenstrahlung, charakteristisch
für das zu untersuchende Präparat.
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Die Erfindung befaßt sich. in erster Linie mit einem Elektronenmikroskop,
kann jedoch mit Vorteil auch bei anderen Korpuskularstrahlgeräten, beispielsweise
Ionenmikroskopen und Beugungseinrichtungen, immer dann Anwendung finden, wenn man
daran interessiert ist, als Ergebnis der Untersuchung ein Bild oder eine andere
Anzeige mit möglichst großem Informationsgehalt zu erhalten.
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Üblicherweise ist das Ergebnis beispielsweise einer elektronenmikroskopischen
Untersuchung eine Schwarzweißaufnahme des elektronenoptischen Bildes des Präparates
bzw. ein ebenfalls allein durch Schwärzungskontraste gewonnenes Beugungsbild des
Präparates. Wie die Erfahrung lehrt, ist jedoch der visuelle Kontrast bei derartigen
Aufnahmen stark begrenzt, da sich nur relativ große Schwärzungsstufen visuell unterscheiden
lassen.
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Es ist zum Zwecke der Vergrößerung des Informationsgehaltes derartiger
Untersuchungsergebnisse bereits bekanntgeworden, bestimmte Eigenschaften eines von
einem zu untersuchenden Präparat kommenden Korpuskularstrahles durch verschiedene
Farben wiederzugeben.
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So beschreibt die deutsche Patentschrift 764 812 eine prinzipielle
Anordnung und die deutsche Auslegeschrift 1012 396 einen speziellen Leuchtschirm
für ein Korpuskularstrahlmikroskop, das unter Verwendung eines auf verschiedene
Strahleigenschaften, insbesondere verschiedene Wellenlängen oder Intensitäten, mit
verschiedenen Farben ansprechenden Leuchtschirmes farbige Bilder eines Präparates
herzustellen gestattet. Derartige mehrere Farben emittierende Leuchtschirme sind
jedoch ebenso wie übliche Farbfilme darrst sticht brauchbar, wenn beispielsweise
die durch unterschiedliche Farben wiederzugebenden Energieverluste sich nur geringfügig
voneinander unterscheiden. Dies ist beispielsweise bei den Elektronen eines Elektronenstrahles,,
die verschiedene Stellen eines Präparates durchsetzt haben, der Fall; hier unterscheiden
sich die an verschiedenen Präparatstellen auftretenden Energieverluste um nur etwa
0,05 °/o. Überhaupt kann man die in diesem Zusammenhang interessierenden Verhältnisse
der Lichtoptik, wo sich Photonen bis zu 100 °/o hinsichtlich ihrer Energie unterscheiden
können, nicht ohne weiteres auf die Verhältnisse in der Korpuskularstrahloptik übertragen.
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Die USA.-Patentschrift 2 894160 beschreibt ein weiteres Elektronenmikroskop,
bei dem die Elektronen des Elektronenstrahles nach Durchsetzen des Präparates entsprechend
ihrer Energie in verschiedenen Farben wiedergegeben werden: Das bekannte Mikroskop
besitzt dazu in Strahlrichtung hinter der Projektivlinse mehrere als Spiegel dienende
und mit Löchern versehene Elektroden auf derart gewählten unterschiedlichen Potentialen,
daß aus dem Elektronenstrahl unter Verwendung von je einer der Elektroden zugeordneten
Lumineszenzschichten die jeweils energieärmsten Elektronen herausgezogen und durch
diese Schichten in verschiedenen Farben wiedergegeben werden. Verständlicherweise
ist diese bekannte Anordnung auf die farbige Wiedergabe einer nur kleinen Anzahl
von Energiebereichen beschränkt.
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Bei Rasterelektronenmikroskopen ist es bekannt, das Präparat mit einem
Elektronenstrahl abzutasten und die vom Präparat kommenden Elektronen durch einen
Detektor aufzufangen, dessen Ausgang mit einem synchron mit dem Betrieb der Abtasteinrichtung
gesteuerten Monitor verbunden ist. Hierbei hat man auch bereits zwischen dem Präparat
und dem Detektor einen Energieanalysator angeordnet, der es ermöglicht, zur Erzeugung
des Monitorbildes Elektronen unterschiedlicher Energiebereiche auszusondern (vgl.
USA.-Patentschrift 3 191028).
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Der Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung
der Nachteile der bekannten Anordnungen ein Körpuskularstrahlgerät zu schaffen,
das Mittel zur farbigen Wiedergabe von das Präparat charakterisierenden Eigenschaften
der vom Präparat kommenden Strahlung besitzt, wobei unter dem Begriff >»farbige
Wiedergabe« sowohl die farbige Kennzeichnung verschiedener Werte derselben Eigenschaft
als auch die farbige Unterscheidung verschiedener Eigenschaften verstanden sein
soll.
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Das Korpuskularstrablgerät ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel eine die von verschiedenen Präparatstellen kommenden Strahlen zeitlich
nacheinander erfassende erste Abtasteinrichtung mit einem Strahlungsdetektor zur
Umwandlung der ihm jeweils zugeführten Strahlung in ein von den das Präparat charakterisierenden
Eigenschaften dieser Strahlung abhängiges elektrisches Signal enthalten, daß ferner
ein für dieses Signal vorgesehener Signalausgang des Detektors mit einem Eingang
eines elektronischen Signal-Farb=Umsetzers verbunden ist, der mehrere Kanäle mit
Torschaltungen und auf die einzelnen Torschaltungen folgenden Farbwählern enthält,
von denen jeweils ein Farbwähler, der durch den Wert des jeweiligen Signals oder
durch den jeweiligen Momentanwert eines zeitabhängigen Steuersignals mittels der
Torschaltungen ausgewählt ist, drei allen Farbwählern-gemeinsame, den Farben Rot,
Grün und Blau zugeordnete Ausgangsleitungen des Umsetzers an Spannungen legt, deren
Jeweilige Höhen dem jeweiligen Signal zugeordnet sind, und daß die drei Ausgangsleitungen
des Umsetzeis mit Eingängen eines synchron mit dem Betrieb der ersten Abtasteinrichtung
gesteuerten Farbmonitors in Verbindung stehen.
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Im Prinzip enthält das Gerät also - außer den üblichen Teilen des
Korpuskularstrahlgerätes - eine Abtasteinrichtung, die dafür sorgt, daß nur die
von einer bestimmten Präparatstelle kommende Korpuskularstrahlung erfaßt wird, einen
Strahlungsdetektor und eine elektronische Anordnung, die die von dem Detektor kommenden
elektrischen Signale entsprechend ihrem jeweiligen Wert in eindeutig zugeordnete
Spannungen auf ihren Ausgangsleitungen für die
Farben Rot, Grün
und Blau umsetzt. Diese Ausgangsleitungen stehen mit einem synchron mit der Abtastung
gesteuerten Farbmonitor, beispielsweise einem handelsüblichen Farbfernsehempfänger
oder einem Lichtstrahlschreiber, in Verbindung. Zumindest der größte Teil dieser
Mittel kann außerhalb des eigentlichen Korpuskularstrahlgerätes angeordnet sein.
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Bei der Erfindung wird von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht,
daß sich eine Farbe im allgemeinsten Sinne durch drei Größen eindeutig festlegen
läßt: Es sind dies die Anteile R, G und B der Farben Rot, Grün und Blau in der jeweils
vorliegenden Farbe, d. h. die Chrominanz (Farbton), und die Summe dieser unter Berücksichtigung
der Empfindlichkeitsfaktoren für die verschiedenen Farben berechneten Anteile R,
G und B, die auch als Luminanz (Helligkeit) beschrieben wird.
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Man hat also bei der Verwendung von Farben mehrere Möglichkeiten einer
eindeutigen Zuordnung von Farben zu Signalen: Man kann beispielsweise dafür sorgen,
daß die Luminanz konstant ist, und die Signale in bestimmte Verhältnisse von
R, G und B eindeutig umsetzen. Ein Vorteil dieser Wahl der Zuordnung
ist darin zu sehen, daß bei konstantem Wert für die Luminanz, d. h. für die Summe
von R, G und B, jedem Signal nur bestimmte Werte von zwei der drei Farbanteile R,
G und B zugeordnet zu werden brauchen, da dann der dritte Anteil automatisch gegeben
ist. Man braucht demgemäß jedes Signal dann nur auf zwei »Spannungserzeuger« (im
weitesten Sinne) einwirken zu lassen.
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Man kann aber die Bedingung der Konstanz der Summe von R, G und B
auch fallenlassen und die Umsetzung in der Weise vornehmen, daß sowohl das Verhältnis
der Farbanteile zueinander als auch ihre Summe, d. h, Chrominanz und Luminanz, als
Kriterien für die wiederzugebenden Eigenschaften der Strahlung herangezogen werden,
Ein solcher Anwendungsfall liegt beispielsweise dann vor, wenn man außer der Intensität
der Strahlung an jeweils einem bestimmten Ort auch eine Anzeige des Meßortes haben
will, man also beispielsweise mit mehreren Detektoren arbeitet, deren Ausgangssignale
bezüglich der Eigenschaften der jeweils erfaßten Strahlung hinsichtlich der Chrominanz
beeinflußt sind, während die Luminanz angibt, von welchem der verschiedenen Detektoren
das jeweilige Signal stammt, oder umgekehrt.
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Wenn Luminanz und Chrominanz der Bildpunkte im Farbmonitor gesteuert
werden, lassen sich auch zwei Eigenschaften einer von einer Präparatstelle ausgehenden
Strahlung farbig darstellen. So ist es beispielsweise möglich, durch den Farbwert
die Energie von Elektronen oder Röntgenstrahlen und durch die Helligkeit deren Intensität
wiederzugeben.. Eine derartige Anordnung ist in der Elektronenenergieanalyse oder
in der Röntgenmikroanalyse anwendbar.
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Durch die Heranziehung der Chrominanz zur Signalumsetzung ist es möglich,
auch kleine Unterschiede der Intensität oder der Energieverluste einer Korpuskularstrahlung,
die entsprechend den interessierenden Eigenschaften eines Präparates modifiziert
ist, sichtbar zu machen. Ein Vorteil des erfindungsgemäß ausgestalteten Gerätes
ist ferner darin zu sehen, daß allenfalls geringfügige Veränderungen am eigentlichen
Gerät vorgenommen zu weiden brauchen und man sowohl für die Detektoren 'als auch
für die Abtasteinrichtungen und den elektronischen Signal-Farb-Umsetzer weitgehend
von an sieh bekannten Bauteilen und Bausteinen Gebrauch machen kann. Beispielsweise
sind moderne Elektronenmikroskope heute mit einem Ablenksystem ausgerüstet, das
zur Auswahl bestimmter Präparatstellen dient; dieses Ablenksystem kann dann zugleich
einen Bestandteil der ersten Abtasteinrichtung für das Gerät nach der Erfindung
bilden.
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Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen; daß unter den
von verschiedenen Präparatstellen oder schlechthin vom Präparat kommenden Korpuskularstrahlen
nicht etwa nur solche verstanden sein sollen, die das Präparat durchsetzt haben,
die also letztlich identisch sind mit der das Präparat beaufschlagenden Strahlung.
Es ist vielmehr auch möglich; Eigenschaften einer Röntgenstrahlung farbig wiederzugeben,
die beispielsweise bei Bestrahlung eines Präparates mit einem Elektronenstrahl vom
Präparat emittiert wird, Eben war bereits eine spezielle Ausführungsform der Abtasteinrichtung
angegeben worden. Eine andere diesbezügliche Ausgestaltung des Gerätes sieht vor,
daß die Abtasteinrichtung eine den Querschnitt des vom Präparat kommenden Korpuskularstrahles
in eine elektrische Ladungsverteilung umwandelnde Speicherplatte sowie eine Kathode
zur Erzeugung einer Elektronenstrahlsonde enthält, die, gesteuert durch Ablenkmittel,
die Ladungsverteilung abtastet und sie dabei in die elektrischen Signale umwandelt.
Dies läßt sich beispielsweise dadurch verwirklichen, daß man eine bekannte Schwarzweiß-Fernsehkamera
verwendet. Dabei wird man denjenigen Strahlquerschnitt umwandeln, der das Präparatbild
bzw. sein Beugungsbild scharf enthält.
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An sich ist die Ankopplung von Schwarzweiß-Fernsehkameras reit oder
ohne Bildverstärker an Elektronenmikroskope zum Zwecke der Bildübertragung und der
erleichterten Scharfstellung des Bildes bekannt. Dabei ist häufig die Kontrastübertragung
der Fernsehkamera besser als die des Schwarzweiß-Monitors und des gegebenenfalls
verwendeten Registrierfilmes. Im vorliegenden Fall findet die Schwarzweiß-Fernsehkamera
aber nicht zur Übertragung eines Bildes an eine entfernte Stelle Verwendung, sondern
dient lediglich als elektronische Einrichtung zur Abtastung des Präparates bzw.
von Präparatbildern, wobei der Detektor durch ein Teil der Fernsehkamera, nämlich
je nach Art der Kamera durch die Signalplatte (Vidicon) oder die Anode (Superortikon),
gebildet ist.
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Erfolgte bei Verwendung einer Fernsehkamera die Abtastung mittels
eines zusätzlichen Elektronenstrahles, so sehen andere Ausführungsbeispiele der
Erfindung Mittel zur Erzeugung von periodischen Relativbewegungen zwischen Detektor
und abzutastendem Querschnitt des vom Präparat kommenden Korpuskularstrahles vor.
Hierzu können, wie bereits bemerkt, an sich bekannte Ablenksysteme für den Korpuskularstrahl,
die mit periodischen Spannungen bzw. Strömen.gespeist werden, vorgesehen sein; man
kann aber auch einen Antrieb zur Bewegung des Detektors relativ zum feststehenden
Korpuskularstrahl quer zur Achse desselben verwenden.
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Die Ablenksysteme können zwischen Präparat und Detektor auf den Korpuskularstrahl
einwirkend an--,geordnet sein, wobei man bei Untersuchungen mit eingeschalteten
Abbildungslinsen des Gerätes aus Gründen der Bildverzerrung eine Stelle zwischen
der in Strahlrichtung ersten Abbildungslinse und dem Detektor wählen wird.
Man
kann aber; insbesondere bei abgeschalteten Abbildungslinsen, die Ablenksysteme auch
in Strahlrichtung vor dem Präparat anordnen, so daß von verschiedenen Präparatstellen
zeitlich nacheinander kommende Korpuskularstrahlen dem Detektor zugeführt werden,
indem das Präparat vom beleuchtenden Strahl abgetastet wird.
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Als Detektor kann außer den beschriebenen Signalplatten und Anoden
in Fernsehkameras beispielsweise auch ein Halbleiterdetektor Verwendung finden,
der ein von der Intensität der von jeweils einer Präparatstelle kommenden Strahlung
abhängiges elektrisches Signal an einen mit allen Torschaltungen verbundenen Eingang
des Umsetzers abgibt; die Torschaltungen führen das Signal in Abhängigkeit von seinem
Wert jeweils einem Farbwähler zu: Im allgemeinen wird er einen elektrischen Strom
von durch die Strahlungsintensität bestimmter Höhe abgeben, der dann häufig in eine
proportionale Spannung umgesetzt werden muß. Dabei kann es sich auch um einenimpulsförmigen
Strom handeln.
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Bei dieser Umsetzung der Intensität des von einer Präparatstelle kommenden
Strahles in Farben wählt also das jeweilige Detektorsignal selber denjenigen Farbwähler
aus, der Spannungen an die Ausgangs-Leitungen des Umsetzers legen soll.
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Anders ist es, wenn man nicht die Intensitäten von verschiedenen Präparatstellen
kommender Strahlen, sondern das Energiespektrum der von dem Präparat (oder einem
Teil desselben) kommenden Strahlung als charakterisierende Eigenschaft erfassen
will. Hier besteht also die technische Aufgabe, die Zahl der Korpuskeln., die jeweils
einen bestimmten Energiewert besitzen bzw. deren Energie in einem bestimmten Bereich
liegt, farbig wiederzugeben. Zwar nimmt der Detektor auch dabei eineIntensitätsmessungvor,
aber er ermittelt nicht nur auf bestimmte Präparatstellen, sondern auf bestimmteEnergiewertebezogeneStrahlintensitäten.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für diesen Fall zeichnet
sich dadurch aus, daß zur farbigen Wiedergabe des Energiespektrums der von jeweils
einer Präparatstelle kommenden Korpuskularstrahlung in Strahlrichtung hinter dem
- Präparat ein Energieanalysator, der durch Ablenkung der einzelnen Korpuskeln in
Abhängigkeit von ihrer Energie ein Energiespektrum erzeugt, sowie eine zweite Abtasteinrichtung
angeordnet sind, die Mittel zur Abtastung des Energiespektrums enthält, denen das
zeitabhängige Steuer-Signal oder ein diesem zeitproportionales Abtastsignal zugeführt
wird, so daß zum Detektor jeweils nur Korpuskeln mit bestimmten Energiewerten gelangen,
daß das zeitabhängige Steuersignal ferner einem mit allen Kanälen verbundenen Eingang
des Umsetzers zugeführt und in durch seinen zeitlichen Amplitudenverlauf bestimmter
Folge die Farbwähler betätigt, die dadurch verschiedenen Energiebereichen zugeordnet
sind, und daß im Zuge der allen Farbwählern gemeinsamen drei Ausgangsleitungen des
Umsetzers Modulationsglieder angeordnet sind, denen die elektrischen Signale des
Detektors zugeführt werden und die als Ausgangsspannungen des Umsetzers die ihnen
von den Farbwählern zugeführten, den jeweiligen Energiebereich kennzeichnenden Spannungen
nach dem jeweiligen Wert des elektrischen Signals entsprechender Amplitudenmodulation
abgeben.
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Die Betätigung der Umsetzer erfolgt hier also in vorgegebener zeitlicher
Folge unabhängig von den Ausgangssignalen des Detektors. Die erste Abtasteinrichtung
dient also auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung, wenn man einmal den Detektor
außer Betracht läßt, zur Auswahl derjenigen Präparatstelle, über die man jeweils
eine Information in Farben erhalten will, während die zweite Abtasteinrichtung dazu
dient, dem Detektor in zeitlicher Folge die verschiedenen Energiewerte in dem vom
Energieanalysator entworfenen Energiespektrum derjenigen Präparatstelle zuzuführen,
die mittels der ersten Abtasteinrichtung ausgewählt ist.
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Unter einem Energieanalysator wird dabei ganz allgemein eine Einrichtung
verstanden, die die Korpuskeln in Abhängigkeit `von ihrer Energie räumlich trennt.
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Bei dem vorliegenden Gerät verwendbare Energieanalysatoren sind beispielsweise
in dem von F 1 ü g g e herausgegebenen »Handbuch der Physik«, 1956, Bd. 33;
S. 535ff., angegeben, so daß im einzelnen auf sie nicht eingegangen zu werden braucht.
Beispielsweise kann ein durch eine elektrostatische Linse mit sehr großer chromatischer
Aberration gebildeter Energieanalysator eingesetzt werden.
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Man kann bei der Wiedergabe von charakterisierenden Eigenschaften
einer von dem bestrahlten Präparat emittierten Röntgenstrahlung ebenfalls einen
Energieanalysator verwenden, der dann ein Röntgenspektrometer ist.
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Die Ablenkmittel der zweiten Abtasteinrichtung können wieder einen
Antrieb zur Bewegung des Detektors relativ zum Energiespektrum enthalten; in der
Regel wird man jedoch an sich bekannte Ablenksysteme verwenden, die zwischen dem
Energieanalysator und dem Detektor angeordnet sind. Derartige Ablenksysteme enthalten
Ablenkplatten oder Spulen.
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Zur Auswahl einzelner Präparatstellen müssen die Ablenksysteme der
ersten Abtasteinrichtung den Korpuskularstrahl in zwei zueinander senkrechten Richtungen
abzulenken gestatten. Entsprechende kombinierte Ablenksysteme sind ebenfalls bekannt
(s. beispielsweise die deutsche Auslegeschrift 1088 628 oder für Fernsehgeräte die
deutsche Patentschrift 639 469). Es ist aber in diesem Falle auch möglich, zwei
Systeme in Strahlrichtung hintereinander anzuordnen, wie es die deutsche Patentschrift
899 095 beschreibt.
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Verständlicherweise können für die zweite Abtasteinrichtung aber wieder
Anordnungen nach Art von Schwarzweiß-Fernsehkameras verwendet werden. In diesem
Falle kann also die erste Abtasteinrichtung keine derartige Fernsehkamera enthalten.
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In Strahlrichtung vor dem Energieanalysator kann im Strahlengang eine
Spaltblende liegen, deren Spaltweite unter Berücksichtigung der jeweiligen Vergrößerung
im Hinblick auf die gewünschte Auflösung bemessen ist. In diesem Falle wird also
jeweils das Energiespektrum einer Präparatzeile oder -spalte dargestellt. Es kann
beispielsweise auf einem Durchsichtleuchtschirm entworfen sein.
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Bisher war angenommen, daß der Energieanalysator ein Energiespektrum
in Gestalt einer mittels der zweiten Abtasteinrichtung, die vom Energieanalysator
getrennt ist, abtastbaren Intensitätsverteilung beispielsweise auf einem. Durchsichtleuchtschirm
entwirft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt demgegenüber die
Merkmale; daß der Energieanalysator mit der zweiten Abtasteinrichtung in der Weise
kombiniert ist, daß beiden zwei korpuskularstrahloptisehe Filter zugeordnet sind,
von denen das in Strahlrichtung erste Filter nur solche Korpuskeln zum.
zweiten
Filter gelangen läßt, deren Energie unterhalb des oberen Grenzwertes des jeweiligen
Energiebereichs liegt, während das zweite Filter nur solche Korpuskeln zum Detektor
gelangen läßt, deren Energie oberhalb des unteren Grenzwertes des jeweiligen Energiebereichs
liegt, und daß beide Filter auf entsprechend den beiden Grenzwerten unterschiedlichen
Potentialen liegen, ci,-dem zeitabhängigen Steuersignal zeitproportional verlaufen.
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Jetzt wird also das Energiespektrum nicht, wie bisher, in seiner Gesamtheit
räumlich als Intensitätsverteilung entworfen, sondern der mit der zweiten Abtasteinrichtung
dadurch kombinierte Energieanalysator, daß diese eine Steuerung seiner Potentiale
vornimmt, läßt zu bestimmten Zeiten nur solche KorpuskEll zum Detektor gelangen,
deren Energie in einem bestimmten Bereich liegt (»selektiver Energieanalysator«).
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Das erste Filter kann durch eine Umlenkeinrichtung für den vom Präparat
kommenden Korpuskularstrahl in Richtung auf einen seitlich angeordneten, an sich
bekannten korpuskularstrahloptischen Spiegel sowie diesen Spiegel gebildet sein,
während das zweite Filter eine Lochelektrode, beispielsweise ein Netz, sein kann.
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Eine spezielle Anwendungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß bei mehreren von demselben Präparat kommenden, verschiedene Richtungen
aufweisenden Korpuskularstrahlungen im Wege von zumindest zwei dieser Strahlungen
je ein Detektor mit nachfolgendem, unter Verzicht auf Torschaltungen mit je einem
Farbwähler aufgebautem Signal-Farb-Umsetzer vorgesehen ist, und daß der Wert des
Verhältnisses der Spannungen der drei Ausgangsleitungen jedes Umsetzers den jeweiligen
Detektor angibt und die Summe der drei Spannungen dem jeweiligen Signal eindeutig
zugeordnet ist, oder umgekehrt. Die Erfassung der jeweiligen Präparatstelle muß
hier mit Ablenksystemen erfolgen, die auf den das Präparat beaufschlagenden Korpuskularstrahl
einwirken.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung können die Ausgangsleitungen
der Umsetzer über eine Mischstufe für jeweils eine Farbe mit den Eingängen eines
gemeinsamen Farbmonitors verbunden sein. Man kann dann beispielsweise die jeweilige
Intensität der den einzelnen Detektoren zugeführten Korpuskularstrahlungen in Luminanzwerte
umsetzen, während das Verhältnis der Farbanteile R, G und B, also die Chrominanz,
von der Nummer des Detektors abhängt. Ein Anwendungsfall für diese Weiterbildung
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß Detektoren für eine von dem Präparat
bei Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl emittierte Röntgenstrahlung und/oder
für eine von dem Präparat durchgelassene und/oder eine an dem Präparat gestreute
Elektronenstrahlung und/oder für an dem Präparat rückgestreute Elektronen vorhanden
sind.
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Die einfachste Form der farbigen Bildwiedergabe besteht in der Rastermikroskopie
bei zwei oder drei Detektoren darin, daß jeder Detektor die Intensität einer Grundfarbe
R, G, B steuert.
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Grundsätzlich ist es möglich, Detektoren zu verwenden, die in Abhängigkeit
von den das Präparat charakterisierenden Eigenschaften der Strahlung frequenzmoduliert
oder ähnlich von diesen Eigenschaften beeinflußt sind. Eine besonders einfache Anordnung
ergibt sich dann, wenn die elektrischen Signale Ströme oder Spannungen mit von den
das Präparat charakterisierenden Eigenschaften der Strahlung abhängigen Amplitudenwerten
sind und die einzelnen Kanäle des Umsetzers eine Zuordnung zu einzelnen Bereichen
der Amplitudenwerte sicherstellend ausgelegt sind. Diese Unterteilung in Bereiche
kann dabei recht fein vorgenommen werden, da die hierzu erforderlichen Mittel in
dem außerhalb des eigentlichen Korpuskularstrahlgerätes befindlichen Signal-Farbumsetzer
angeordnet sind.
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In der Regel wird man die Bereiche lückenlos aneinandergrenzen lassen;
es ist jedoch auch möglich, Kanäle nur für besonders interessierende Bereiche von
Amplitudenwerten vorzusehen oder die Bereiche unterschiedlich groß zu machen. Alle
diese Möglichkeiten können auch in durch den jeweiligen Anwendungsfall gegebenen
Kombinationen verwendet werden.
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Im folgenden werden vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung insbesondere
für den Fall angegeben, daß mehrere oder alle Bereiche lückenlos aneinandergrenzen.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dann dadurch
aus, daß die Torschaltungen Koinzidenzgatter enthalten, die in einem Betätigungskreis
eines elektronischen Schalters des auf die jeweilige Torschaltung folgenden Farbwählers
liegen, die ferner einen ersten mit dem jeweiligen Kanal und einen zweiten mit einem
unmittelbar benachbarten Kanal verbundenen Eingang besitzen und die den Schalter
im Sinne der Anlegung von Spannungen an Ausgangsleitungen des Umsetzers dann betätigen,
wenn an beiden Eingängen Spannungen vorbestimmter Polaritäten liegen. Ein wesentliches
Merkmal dieses für die Erfassung von Intensität und Energie anwendbaren Ausführungsbeispieles
ist also darin zu sehen, daß die Durchlässigkeit der einzelnen Kanäle in Abhängigkeit
von dem Zustand eines unmittelbar benachbarten Kanals gesteuert wird. Verständlicherweise
läßt sich diese Lösung auch dann anwenden, wenn die Detektoren frequenzmodulierte
Signale abgeben; dann muß jedoch die Frequenzmodulation in Amplitudenwerte umgesetzt
werden.
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Es gibt nun bei der Erfassung der Intensität der von einer Präparatstelle
kommenden Strahlung grundsätzlich zwei Möglichkeiten, unter entsprechender Ausbildung
der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der Erfindung einen Signal-Farbumsetzer
mit bestimmten Kennlinien aufzubauen. Die eine Möglichkeit besteht darin, den den
einzelnen Farbanteilen R, G und B zugeordneten Spannungen in den drei Ausgangsleitungen
des Umsetzers innerhalb der einzelnen Amplitudenbereiche jeweils einen stetigen
Verlauf zu geben und diesen Verlauf über alle Bereiche gesehen kontinuierlich zu
machen. Dabei können sich, wie später noch erläutert wird, Knicke an den Bereichsgrenzen
ergeben. Wesentlich bei dieser Kennlinienform ist, daß innerhalb der einzelnen Bereiche
entsprechend dem Wert des jeweils vorliegenden, vom Detektor abgegebenen Signals
die Teilspannungen auf den drei Ausgangsleitungen des Umsetzers - diese Spannungen
werden im folgenden auch mit R, G und B bezeichnet - in einem durch den jeweiligen
Signalwert bestimmten Verhältnis zueinander stehen.
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Man kann den Umsetzer so auslegen, daß beispielsweise die Spannung
R innerhalb eines Bereichs mit steigender Signalamplitude vom Wert Null auf einen
Maximalwert steigt, während gleichzeitig die Amplitude beispielsweise der Spannung
G genau umgekehrt verläuft. Bei konstanter Luminanz ist dann die Spannung
B
auf der dritten Ausgangsleitung des Umsetzers ebenfalls gegeben und die Cbrominanz
eindeutig festgelegt. In anderen Bereichen werden andere Paare der SpannungenR,
GundB vom Umsetzer direkt beeinflußt.
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Eine andere Kennlinie ergibt sich dann, wenn man die Höhen der drei
Spannungen R, G und B jeweils innerhalb der Amplitudenbereiche konstant hält unabhängig
von dem Wert, den die Signalspannung innerhalb dieses Bereiches annimmt. Dann unterscheiden
sich die einzelnen Bereiche durch die Luminanz und/oder durch die Chrominanz.
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Zur Erzielung der zuerst beschriebenen Kennlinie, die also die farbige
Wiedergabe auch beliebig kleiner Unterschiede der Signalspannungen und damit der
das Präparat charakterisierenden Eigenschaften der Strahlung gestattet, kann man
bei der Erfassung der Strahlintensität so vorgehen, daß die elektrischen Signale
einem mit allen Kanälen des Umsetzers- verbundenen Eingang desselben als Spannungen
unterschiedlicher Amplitudenwerte (Signalspannungen) zugeführt werden und daß der
jeweils betätigte elektronische Schalter an Ausgangsleitungen des Umsetzers die
jeweilige Signalspannung enthaltende Spannungen anlegt. Bei dieser Ausführungsform
gelangt also die Signalspannung selbst auf die Ausgangsleitungen des Umsetzers und
damit an den Eingang des Farbmonitors. Verständlicherweise können dem Detektor aber
auch irgendwelche Verstärker, wie Bildverstärker, zugeordnet sein. In diesem umfassenden
Sinne ist also die eben beschriebene Ausführungsform zu verstehen.
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Im einzelnen wird man ein Korpuskularstrablgerät, das nach diesem
Prinzip arbeitet, in der Weise auslegen, daß jeder Kanal eingangsseitig einen Spannungsumsetzer
enthält, der die Differenz zwischen einer festen Spannung und der dem Eingang jeweils
zugeführten Spannung (also bei Erfassung der Intensität die Signalspannung des Detektors,
bei Erfassung der Energie das zeitabhängige Steuersignal) bildet, daß `--ferner
der Ausgang jedes Spannungsumsetzers - mit Ausnahme des Spannungsumsetzers in dem
Kanal für den niedrigsten oder höchsten Bereich - mit dem ersten Eingang des Koinzidenzgatters
in demselben Kanal und dem zweiten Eingang des Koinzidenzgatters in dem unmittelbar
benachbarten Kanal verbunden ist, daß weiterhin die festen Spannungen von Kanal
zu Kanal betragsmäßig einsinnig steigend derart gewählt sind, daß die Differenzspannung
in demselben Kanal ihre Polarität wechselt, sobald die dem Eingang jeweils zugeführte
Spannung einen Wert annimmt, der außerhalb des dem unmittelbar benachbarten Kanal
zugeordneten Bereichs liegt, und daß das Koinzidenzgatter in dem inmittelbar benachbarten
Kanal bei dieser Polarität der Spannung an seinem zweiten Eingang gesperrt ist.
Auch hier erkennt man die Steuerung der Torschaltung in Abhängigkeit von dem Zustand
eines unmittelbar benachbarten Kanals.
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Will man die Amplitudenbereiche gleich groß machen, so wird man die
festen Spannungen von Kanal zu Kanal um gleiche Beträge steigend bemessen, andernfalls
sind die Spannungsunterschiede verschieden groß.
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Man wird bei der Umsetzung der Intensität in Farben die Signalspannung
nicht unmittelbar an die Ausgangsleitungen anlegen, sondern in Gestalt der Differenzspannung,
die in dem Spannungsumsetzer des jeweils durchgeschalteten Kanals entsteht, wobei
gegebenenfalls eine Polaritätsumkehr mit an sich bekannten Mitteln vorgenommen wird.
Wie bereits bemerkt, kann es, wenn für die verschiedenen Werte der dem Eingang des
Umsetzers jeweils zugeführten Spannung die Summe der Spannungen auf den drei Ausgangsleitungen,
also die Luminanz, konstant, aber die Chrominanz unterschiedlich ist, genügen, wenn
der elektronische Schalter bei seiner Betätigung Spannungen an weniger als alle
drei Ausgangsleitungen des Umsetzers anlegt. Verständlicherweise sind hier verschiedenartige
Kombinationen möglich, beispielsweise dergestalt, daß einzelne Schalter Spannungen
an zwei und andere Schalter Spannungen an alle drei Ausgangsleitungen anlegen.
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Die Kopplung zwischen unmittelbar benachbarten Kanälen kann dahingehend
weitergeführt werden, daß zumindest einer der elektronischen Schalter bei seiner
Betätigung die in dem Spannungsumsetzer seines Kanals und die in dem Spannungsumsetzer
des unmittelbar benachbarten Kanals erzeugte Differenz-Spannung nach Polaritätsumkehr
einer dieser Spannungen an je eine der drei Ausgangsleitungen legt.
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Hat man dagegen einen Umsetzer mit einer Kennlinie, bei der die eindeutige
Zuordnung der Höhen der Spannungen der drei Ausgangsleitungen zu der dem Eingang
des Umsetzers jeweils zugeführten Spannung in der Weise getroffen ist, daß die Amplitude
zumindest einer der dann konstant gehaltenen Spannungen sich von Kanal zu Kanal
sprunghaft ändert, so kann. man das erfindungsgemäße Gerät so auslegen, daß zumindest
einer der elektronischen Schalter bei seiner Betätigung an die drei Ausgangsleitungen
des Um-Setzers von den Signalspannungen und gegebenenfalls dem Steuersignal, also
der jeweils zugeführten Spannung, unabhängige, konstante, in einem den jeweiligen
Bereich für die Strahlintensität oder die Energie bestimmenden Verhältnis stehende
Spannungen legt.
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Die Farbwähler können dann je ein Potentiometer für jede der drei
Ausgangsleitungen des Umsetzers enthalten, wobei die drei Potentiometer jedes Farbwählers
über den zugeordneten elektronischen Schalter an einer konstanten Spannung liegen.
Diese Spannungen werden dann entsprechend der Zahl der Korpuskeln, die in diesen
Energiebereich fallen, mit der Signalspannung moduliert, z. B. multipliziert.
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Bei der farbigen Wiedergabe des Energiespektrums kann man die Frequenz
der Abtastung des Spektrums größer wählen als die Frequenz der Ablenksysteme der
ersten Abtasteinrichtung, die die jeweils untersuchte Präparatstelle bestimmt, so
daß jeweils das Energiespektrum einer Präparätstelle abgetastet wird, bevor die
nächste Präparatstelle eine Strahlung zum Detektor gelangen läßt. Es kann aber auch
erwünscht sein, das Energiespektrum einer Präparatzeile abzutasten; auch in diesem
Fälle muß die Frequenz der Abtastung des Spektrums größer als die Frequenz der ersten
Abtasteinrichtung sein. Umgekehrt kann die Abtastfrequenz des Energiespektrums auch
so viel kleiner als die Frequenz der ersten Abtasteinrichtung gewählt sein, .daß
jeweils das Energiespektrum des ganzen Präparates wiedergegeben wird.
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Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei handelt
es sich bei den Anordnungen nach den F i g. 1 bis 3 um Einrichtungen zur Umsetzung
der Intensität der von verschiedenen Präparatstellen kommenden Elektronenstrahlen
in einem Elektronenmikroskop über elektrische Signale eines Detektors in Farben,
während im Fälle der F i g. 5, 4, 13 und 14 die Energieverluste bzw. die Energie
von Teilchen in Farben umgesetzt werden.
Die Anordnung nach F i
g. 6 dient zur farbigen Wiedergabe des Energiespektrums einer Röntgen-Strahlung.
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F i g. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel zur Umsetzung der von mehreren
Detektoren gelieferten elektrischen Signale in Farben.
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F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Signal-Farbumsetzers
zur Erzielung der stetigen Kennlinie nach F i g. 9, während F i g. 10 einen Umsetzer
in seinen wesentlichen Elementen wiedergibt, der die unstetige Kennlinie gemäß F
i g.11 besitzt. F i g. 12 gibt ein Ausführungsbeispiel für einen Farbwähler wieder,
der im Rahmen des Umsetzers nach F i g. 10 Verwendung finden kann.
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In F i g. 1 sind die in diesem Zusammenhang interessierenden Teile
eines Elektronenmikroskops 1 wiedergegeben, an das in dem dort dargestellten Ausführungsbeispiel
als erste Abtasteinrichtung die Schwarzweiß-Fernsehkamera 2 angeflanscht ist. Betrachtet
man zunächst das Elektronenmikroskop 1, so weist es eine Kathode 3 üblicher Bauart
auf, die den Elektronenstrahl 4, der mittels des Kondensorsystems 5 gebündelt wird,
auf das Präparat 6 emittiert. Das Kondensorsystem 5 ist in diesem Falle eine einzige
elektromagnetische Linse bekannter Bauart. Selbstverständlich können für alle Linsen
des Mikroskops auch elektrostatische Linsen Verwendung finden. Da derartige Linsen
in allen Einzelheiten bekannt sind, werden die weiteren Linsen in dieser Figur und
in den folgenden Figuren lediglich durch ihre gestrichelt dargestellten Mittelebenen
wiedergegeben. Dies gilt auch für die Objektivlinse 7 und die Projektivlinse 8 des
im Falle der F i g. 1 zweistufigen Elektronenmikroskops. Auf dem Durchsichtleuchtschirm
9 entwerfen die beiden letztgenannten Linsen das vergrößerte Bild 10
des jeweils
vom Elektronenstrahl 4 durchstrahlten Bereichs des Präparates 6, wobei die Intensität
des Bildes 10 eine das Präparat bzw. die Präparatstelle charakterisierende Eigenschaft
des Strahles ist. Diese Strahleigenschaft soll mit der dargestellten Anordnung in
Farbe umgesetzt werden.
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Zu diesem Zweck ist die Schwarzweiß-Fernsehkamera 2 vorgesehen, die
eine Abtastung des auf der Signalplatte 11, auf die die vom Bild 10 auf dem Leuchtschirm
9 ausgehenden Photonen auffallen, gespeicherten Bildes mittels des von der Elektronenquelle
12 emittierten Elektronenstrahles 13 vornimmt. Der Aufbau einer derartigen
Fernsehröhre ist an sich bekannt, so daß lediglich erwähnt werden soll, daß der
Elektronenstrahl 13 unter dem Einfluß einer von dem Sägezahngenerator
14 abgegebenen Spannung, die in den Ablenkspulen 15 und 16 ein periodisches
Ablenkfeld erzeugt, die Signalplatte 11 abtastet. Bei dieser Abtastung fließen Ströme
über den Widerstand 17, der mit seinem der Signalplatte 11 abgekehrten Ende an einem
geeigneten Potential liegt, die abhängig sind von der mittels des Elektronenstrahles
13 jeweils abgetasteten Stelle des gespeicherten Bildes und damit von der jeweils
untersuchten Stelle des Präparates 6 sowie von der Intensität J des Elektronenstrahles
im Elektronenmikroskop an dieser Bildstelle.
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Dieser Strom wird an dem Widerstand 17 als Spannung u abgenommen,
die also von den Koordinaten x und y der jeweiligen Präparatstelle und der Intensität
J des Elektronenstrahles 4 im Bereich des Bildes 10 abhängt. Dies ist das von dem
Detektor, also letztlich der Signalplatte 11, abgegebene elektrische Signal, das
dem Signal-Farbumsetzer 18 zugeführt wird Dieser Signal-Farbumsetzer enthält
in noch zu beschreibender Weise Kanäle, von denen jeder einem Amplituden-Bereich
der Signalspannung u zugeordnet ist und beim Ansprechen einer in ihm vorgesehenen
Torschaltung einen nachgeschalteten Farbwähler betätigt, der dann von der Höhe der
jeweils vorliegenden Signalspannung u abhängige Spannungen R, G und B an die Ausgangsleitungen
r, g und b des Umsetzers 18 anlegt.
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In dem angenommenen Ausführungsbeispiel ist der Umsetzer 18 so aufgebaut,
daß die Summe der Spannungen R, G und B, also die Luminanz, für alle Bereiche der
Signalspannung u dieselbe ist, daß sich aber die Höhen der einzelnen Spannungen
und damit die Verhältnisse dieser Spannungen innerhalb der einzelnen Bereiche und
von Bereich zu Bereich ändern. Wie später an Hand F i g. 8 noch erläutert wird,
genügt es dann, daß die einzelnen Farbwähler nur jeweils an zwei der drei Ausgangsleitungen
in von Bereich zu Bereich wechselnder Folge Spannungen legen.
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Auf dem Farbmonitor 19 erscheint also ein Bild, dessen Farbe
eindeutig durch die sich in einer bestimmten Intensität des Elektronenstrahles am
Ort des Bildes 10 ausdrückenden Eigenheiten aller Präparatpunkte bestimmt ist.
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Verständlicherweise wird man eine bei 20 angedeutete Synchronisierung
der Ablenkung des Abtaststrahles 13 und der Ablenkung im Farbmonitor 19 vorsehen.
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In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2, bei dem die bereits in F
i g. 1 vorkommenden Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, bildet ein
Elektronenauffänger 30 in der Ebene des Bildes 10 den Detektor. Hier ist angenommen,
daß zwischen Kondensor 5 und Präparat 6 ein erstes Abtastsystem (das im Falle der
F i g. 1 durch die Schwarzweiß-Kamera 2 gebildet wurde) in Gestalt von Ablenksystemen
32 vorhanden ist, die in an sich bekannter Weise gemischte elektromagnetisch-elektrostatische
Ablenksysteme sind. Sie enthalten also auf Kernen 33 und 34
aus einem magnetisch
wirksamen Material Wicklungen 35 und 36, die ein senkrecht zur Zeichenebene wirkendes
Ablenkfeld erzeugen, sowie stirnseitig befestigte Ablenkplätten 37 und 38, die in
der Zeichenebene wirken. Demgemäß wird der von der wiederum mit 3 bezeichneten Kathode
emittierte Elektronenstrahl 4 auf eine bestimmte Stelle des Präparates 6 gelenkt,
so daß nicht mehr, wie im Falle der F i g. 1, eine Abtastung des von dem gesamten
Präparat herrührenden Bildes vorgenommen zu werden braucht.
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Auf dem Elektronenauffänger 30 werden vielmehr nur diejenigen Elektronen
gesammelt, die jeweils einen Präparatpunkt durchsetzt haben, und der Ableitungsstrom
erzeugt an dem Widerstand 40 die Signalspannung u (x, y, J). Sie wird wiederum
dem Signal-Farbumsetzer 18 zugeführt, dessen Ausgangsspannungen R, G und B mit ihrem
Verhältnis der Intensität J des Elektronenstrahles entsprechen und demgemäß auf
dem Farbmonitor 19 das gewünschte Farbbild hervorrufen.
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Mit 41 ist ein Sägezahngenerator zur Erzeugung der Ablenkströme und
Ablenkspannungen für die Ablenksysteme 32 bezeichnet, der; wie durch die Leitung
42 angedeutet, synchron mit dem Ablenkgenerator des Monitors 19 arbeitet; er kann
auch den Ablenkgenerator für den Monitor darstellen. Damit ist sichergestellt, daß
auf dem Bildschirm des Monitors 19 in der Reihenfolge der Abtastung der einzelnen
Präparatstellen in verschiedenen Farben ein Bild der Intensitätsverteilung
der
von dem gesamten Präparat 6 kommenden Elektronenstrahlung erscheint.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist insofern eine Ähnlichkeit
mit der Ausführungsform nach F i g.1 gegeben, als wiederum das Bild des gesamten
Präparates 6 durch den von der Kathode 3 kommenden Elektronenstrahl 4 nach seiner
Bündelung im Kondensorsystem 5 und nach Vergrößerung mittels der Objektivlinse 7
und der Projektivlinse 8 auf dem Endbildschirm 50 entworfen wird. Dieser Endbildschirm
ist nur in einem kleinen Bereich 51 für den Elektronenstrahl durchlässig,
wo ein Auffänger 52 für den Strahl angeordnet ist. Dieser Auffänger 52 bildet also
den Detektor. Die Abtastung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel mittels Ablenksystemen
32, die in der bereits an Hand der F i g. 2 beschriebenen Weise in zwei zueinander
senkrechten Ebenen wirkend aufgebaut sind.
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Wiederum erzeugt der Detektor 52 an einem Widerstand 54 eine
Signalspannung u (x, y, J), die dem Umsetzer 18 und von diesem in Form von drei
Farbspannungen R, G und B den Eingängen des Farbmonitors 19 zugeführt wird. Dieser
synchronisiert über die Leitung 42 den Sägezahngenerator 41 zur Erzeugung
der Ablenkspannungen und -ströme der Ablenksysteme 32.
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Während die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zum
Ziel hatten, die Intensität J des von den einzelnen Präparatstellen kommenden Elektronenstrahles
nach Durchsetzen des Präparates 6 farbig wiederzugeben, soll im Falle der Anordnung
nach F i g. 4 die Energie E oder der Energieverlust JE
des Korpuskularstrahles
nach Durchsetzen eines Präparatpunktes farbig analysiert werden. Von dem Elektronenmikroskop
sind hier lediglich die Kathode 3, der Kondensor 5, das Objektiv 7 und das Projektiv
8 schematisch wiedergegeben; auf die Darstellung des Mikroskopgehäuses ist verzichtet
worden.
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Das Präparat 6 ist in der Figur mit Richtungspfeilen für die x- und
y-Richtung versehen.
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Unterhalb des Projektivs 8 erkennt man die in diesem Ausführungsbeispiel
aus elektrostatischen Ablenkplatten aufgebaute Ablenkeinheit 32, die den das Bild
des Präparates 6 enthaltenden Elektronenstrahl quer zu seiner Achse periodisch unter
dem Einfluß der von dem Sägezahngenerator 66 abgegebenen Ablenkspannung abzulenken
gestattet und den einen Teil der ersten Abtasteinheit bildet.
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Das Bild 10 des Präparates 6 wird dabei über den Spalt
der Spaltblende 68 hin und her geschoben, so daß in den Energieanalysator 69 nur
jeweils diejenigen Strahlen des Elektronenstrahles gelangen, die eine Zeile, Spalte
oder Linie x = const. des Präparates 6 durchsetzt haben.
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Als Energieanalysator ist in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrostatische
Linse mit sehr großer chromatischer Aberration verwendet, die bewirkt, daß der durch
die Spaltblende 68 hindurchgehende Strahl entsprechend der Energie der einzelnen
Elektronen längs der Zeichenebene auseinandergezogen wird. Man erhält also das Energiespektrum
70 des von der Präparatspalte kommenden Elektronenstrahles, wobei die Ablenkung
um so kleiner ist, je größer die Energie E des Elektrons, d. h. je kleiner die Energiedifferenz
bzw. der Energieverlust d Eist, den das Elektron im Präparat erlitten hat.
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Dieses Energiespektrum 70 wird nun wiederum mittels einer nur schematisch
angedeuteten Schwarzweiß-Fernsehkamera 2 abgetastet, so daß die Kamera eine Signalspannung
u (x, y, d E) an den nachgeschalteten Signal-Farbumsetzer 18 abgibt, der
in der bereits beschriebenen Weise den Farbmonitor 19 steuert. Das Ablenksystem
der Kamera 2 für die y-Richtung bildet den zweiten Teil der ersten Abtasteinrichtung.
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Verständlicherweise wird man, wie durch die Linien 74, 75 und
76 angedeutet, die verschiedenen Abtastvorgänge miteinander synchronisieren. Zu
diesem Zweck gibt der Sägezahngenerator 66, der einen üblichen Aufbau besitzt, drei
Sägezahnspannungen SAE,
Sx und Sy für die durch den Index jeweils angedeutete
Abtastrichtung ab. Während als Steuersignal für den Umsetzer 18 in den F' i g.1
bis 3 das Detektorsignal u diente, ist dies hier das zeitabhängige Signal San, das
die Kamera 2 so steuert, daß nur Korpuskeln einer bestimmten Energie zum Detektor
gelangen, und das, wie noch beschrieben wird, alle Kanäle des Umsetzers 18 nacheinander
in Betrieb setzt.
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Wie durch den Verlauf der drei sägezahnförmigen Signale schematisch
angedeutet, sind die Abtastfrequenzen für die x- und y-Richtung wesentlich größer
gewählt als für die d E-Richtung. Man kann dadurch erreichen, daß während nur geringer
Änderungen von SAE alle x- und y-Werte des Präparates daraufhin »abgefragt«
werden, wieviele Elektronen sie mit einer Energie durchgelassen haben, deren Wert
durch den jeweiligen Wert von SAE bestimmt ist. Das Ergebnis . sind Signale
u (x, y, J E), die im Umsetzer 72 konstante, den jeweiligen Energiewert
oder -bereich kennzeichnende Spannungen modulieren; die modulierten Spannungen sind
die Ausgangsspannungen R, G und B des Umsetzers 18. Erfolgt dagegen die d E-Abtastung
mit höherer Frequenz als die x- und y-Abtastung, so läßt sich das Energiespektrum
der einzelnen Präparatstellen gewinnen.
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Man erkennt, daß außer der ersten Abtasteinrichtung, die zur Auswahl
eines bestimmten Präparatbereiches dient und das Ablenksystem 32 enthält, eine weitere
Abtasteinrichtung zur diskreten Erfassung einzelner Punkte des Energiespektrums
70 erforderlich ist.
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Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind verständlicherweise
viele Abänderungen möglich. So ist in F i g. 5 eine Ablenkung des Energiespektrums
relativ zu einem Detektor vorgesehen, und zur Auswahl des jeweils erfaßten Präparatpunktes
dient wiederum ein in zwei zueinander senkrechten Richtungen wirkendes Ablenksystem.
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Von der Anordnung nach F i g. 4 sind in F i g. 5 die Kathode 3, der
Kondensor 5, das mit Koordinatenbezeichnungen versehene Präparat 6, das Objektiv
7, das Projektiv 8 und der Energieanalysator 69 übernommen.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist zwischen Kondensor 5 und Präparat
6 des Ablenksystem 32 geschaltet, das in der an Hand F i g. 2 erläuterten Weise
aufgebaut ist. Es gestattet also, bestimmte Präparat stellen koordinatemnäßig; d.
h. mit bestimmten x- und y-Werten, auszuwählen.
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Demgemäß gelangt in den Energieanalysator 69 nur die jeweils von einem
Punkt des Präparates 6 kommende Strahlung, so daß der Analysator 69 jeweils das
Energiespektrum 81 nur eines Präparatpunktes entwirft.
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Das Spektrum 81 wird auf der Lochblende 82 entworfen, die in Abhängigkeit
von der durch das elektrostatische Ablenksystem 83 (zweite Abtasteinrichtung) bewirkten
periodischen Querverschiebung des Spektrums
81 nur einen Teil desselben
in den als Elektronenauffänger ausgebildeten Detektor 84 gelangen läßt. Der Detektor
kann beispielsweise ein Halbleiterdetektor sein. Als Ausgangssignal wird eine Spannung
u (x, y, d E) dem aus der Anordnung nach F i g. 4 übernommenen Umsetzer 18
zugeführt, der entsprechende Spannungen R, G und B dem Farbmonitor 19 zuführt.
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Wie durch den gemeinsamen Sägezahngenerator 66 angedeutet, sind die
verschiedenen Ablenksysteme wiederum synchronisiert.
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F i g. 6 zeigt ebenfalls ein Anwendungsbeispiel der Erfindung zur
farbigen Darstellung eines Energiespektrums, jedoch handelt es sich hierbei um das
Energiespektrum einer Strahlung, die nicht mit der das Präparat beaufschlagenden
Strahlung identisch ist. Beispielsweise in einem Elektronenmikroskop mit Zusatzeinrichtungen
zur Röntgenmikroanalyse wird von der Kathode 3 ausgehend mittels des Kondensors
5 der Elektronenstrahl 4 auf das Präparat 6 gelenkt, wobei das wiederum in zwei
zueinander senkrechten Richtungen wirkende Ablenksystem 32 den Auftreffpunkt des
Strahles bestimmt. Der bestrahlte Präparatpunkt emittiert die Röntgenstrahlung y,
die einem Energieanalysator in Gestalt des Röntgenspektrographen 95 zugeführt wird,
der die Aufspaltung nach der Wellenlänge und damit der Energie der Röntgenstrahlen
vornimmt. Hinter der Lochblende 96 befindet sich der im Sinne der beiden Pfeile
bewegbar gelagerte Detektor 97, der demgemäß eine Signalspannung u (x, y,
Ey) an den nachgeschalteten Umsetzer 1 abgibt. Der Farbmonitor ist mit
1 bezeichnet.
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Dieselbe Aufgabe könnte man auch ohne Verwendung eines Spektrographen
lösen, wenn man einen Detektor verwendet, der in Abhängigkeit von der Röntgenstrahlung
verschiedene Impulshöhen erzeugt und dem ein Impulshöhendiskriminator nachgeschaltet
ist. Dieser kann Speicherkanäle ansteuern, die dann abgefragt werden; jedem Speicher
ist eine besondere Farbe zugeordnet. Da sich die Energiewerte der abgegebenen Röntgenstrahlen
nämlich wesentlich stärker unterscheiden können als die von gestreuten Elektronen,
ist eine Energieanalyse der Röntgenstrahlen auch noch hinter dem Detektor durch
elektronische Impulshöhenanalyse möglich. Die Farbsteuerung erfolgt hier durch die
Steuerung der Impulshöhendiskriminierung oder die Abfrage eines Mehrkanalspeichers.
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F i g. 7 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung in dem Fall,
daß der auf eine zu untersuchende Stelle des Präparates 6 auftreffende Elektronenstrahl
4
dort eine Röntgenstrahlung y auslöst und außer dieser der das Präparat durchsetzende
Elektronenstrahl e1, der gestreute Elektronenstrahl e2 und der reflektierte Elektronenstrahl
e3 in Farben umgesetzt werden sollen. Demgemäß sind vier getrennte Detektoren 102
bis 105 vorgesehen, die die in F i g. 7 bezeichneten ; verschiedenen Signalspannungen
u an nachgeschaltete Signal-Farbumsetzer 106 bis 109 abgeben. Die
Umsetzer sind in Abweichung von den bisherigen Ausführungsbeispielen ohne Torschaltungen
aufgebaut, enthalten aber je einen Farbwähler. Hierbei ist angenommen, daß das Verhältnis
der abgegebenen Spannungen R, G und B für jeden der vier Umsetzer 106 bis 109 konstant
ist, aber derart unterschiedlich gewählt ist, daß die Chrominanz die einzelnen Strahlungsarten
(Detektoren) kennzeichnet. Dagegen soll f jeweils die Lunimanz, also die Summe der
drei Spannungen, abhängig von der von dem jeweiligen Detektor erfaßten Strahlungsintensität
sein. Die Ausgänge der Umsetzer 106 bis 109 für jeweils eine der drei Farbkomponenten
sind in Additionsstufen 110 bis 112 zusammengeschaltet, so daß an den mit den Eingängen
des nachgeschalteten Farbmonitors verbundenen Ausgängen der drei Additionsstufen
jeweils die Summe der einer der drei Farben zugeordneten Teilspannungen aller vier
Umsetzer (z. B. Ry + R1 + R2 + R3) erscheint. Man hat dann ein Bild, das mit einem
Blick die Strahlstärke und die bevorzugte Art der Strahlung bei dem jeweiligen Präparat
erkennen läßt.
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In den folgenden Figuren sind Einzelheiten des Gerätes dargestellt.
F i g. 8 zeigt einen Signal-Farbumsetzer für den Fall, daß die Amplitude der von
dem nicht dargestellten Detektor abgegebenen, die Intensität des Strahles nach Durchsetzen
einer Präparatstelle wiedergebenden Signalspannung u in vier Bereiche unterteilt
wird und entsprechend diesen Bereichen sowie entsprechend der jeweiligen Signalspannung
u innerhalb der einzelnen Bereiche die Ausgangsleitungen r, g und
b des Umsetzers an Spannungen R, G und B gelegt werden. Diese Spannungen
sollen also hinsichtlich ihres Verhältnisses den jeweiligen Amplitudenwert der Spannung
u und damit den jeweiligen Wert beispielsweise der Intensität der von einem bestimmten
Präparatpunkt durchgelassenen Elektronenstrahlung wiedergeben, während in diesem
Ausführungsbeispiel ihre Summe, also die Luminanz, konstant ist.
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Jeder der Amplitudenbereiche enthält einen Kanal 110 bis
113, wobei jedem dieser Kanäle bis auf den letzten ein Koinzidenzgatter
114, 115 bzw. 116 zugeordnet ist. Der Ausgang dieses Koinzidenzgatters
führt auf einen elektronischen Schalter 117, 118 bzw. 119,
der auch
als Farbwähler bezeichnet wird, da die Ausgangsleitungen der verschiedenen Farbwähler
in sich von Kanal zu Kanal ändernder Folge mit zwei der Ausgangsleitungen
r, g und b des Umsetzers verbunden sind.
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Auf den Farbwähler 120 des letzten Kanals 113 wird später eingegangen.
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Den Eingang jedes der vier Kanäle bildet ein Spannungsumsetzer
121, 122, 123 bzw. 124. Dabei ist angenommen, daß die Eingangsspannung
u, also die Signalspannung, von einem bestimmten Spannungswert abgezogen wird. Dieser
Spannungswert ist Null bei dem Umsetzer 121; die Spannungswerte der folgenden Kanäle
vergrößern sich jeweils um den fest vorgegebenen Wert uo.
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Wie ersichtlich, besitzt jedes Koinzidenzgatter zwei Eingänge, von
denen der erste, im Falle des Gatters 114 mit 125 bezeichnete mit dem eigenen Kanal
und der zweite, im Falle des Gatters 114 mit 126 bezeichnete mit dem Ausgang des
Spannungsumsetzers (hier: 122) des unmittelbar benachbarten Kanals (hier: 111) verbunden
ist. Das bedeutet im Zusammenhang mit der Auslegung der Gatter, daß diese den elektronischen
Schalter (hier: 117) an ihrem Ausgang nur dann betätigen, wenn ihre beiden
Eingänge Spannungen bestimmter Polarität enthalten. Betrachtet man weiter den Fall
des Gatters 114, so muß zur Betätigung des elektronischen Schalters 117 der
erste Eingang 125 negatives und der zweite Eingang 126 positives Potential erhalten.
Das ist nur innerhalb eines bestimmten Amplitudenbereichs der Signalspannung u der
Fall, nämlich dann, wenn der Spannungsumsetzer 121 eine negative Spannung
abgibt und außerdem die Signalspannung u kleiner als die
feste
Spannung uo ist, also die Ausgangsspannung des Spannungsumsetzers 122 positiv ist.
Das Entsprechende gilt für die Koinzidenzgatter 115 und 116. Zusammengefaßt ergeben
sich für die elektronischen Schalter in den verschiedenen Kanälen folgende Ansprechbedin
gungen und folgende Spannungen an den Ausgangsleitungen: Kanal: 110 111 U< u0
uo<u<2uo G=u B=u-uo R=uo-u G=2uo-u 112 113 2uo<u<3uo u>3uo R=u-2uo R=G=B=
1/3uo B=3uo-u Die Kanäle 110 bis 112 bewirken bei ihrem Ansprechen,
daß auf jeweils zwei der Ausgangsleitungen r, g und b des Umsetzers
je eine Spannung gelangt, die die Ausgangsspannung des eigenen Spannungsumsetzers
bzw. des Spannungsumsetzers in dem unmittelbar benachbarten Kanal enthält. Hierdurch
wird die in F i g. 9 dargestellte Kennlinie, d. h. die Abhängigkeit der Spannungen
R, G, B von der Signalspannung u, erzielt. An der Abszisse sind außer den
Werten der vorgegebenen Spannung u. auch die Bezeichnungen der zugeordneten Kanäle
angegeben. Betrachtet man den Kanal 110, so beeinflußt er bei seinem Ansprechen
nur die Spannungen R und B, und zwar wird mit steigender Signalspannung u die Spannung
G größer, dagegen infolge der Differenzbildung in dem Spannungsumsetzer 122 des
unmittelbar benachbarten Kanals die Spannung R kleiner. Das Entsprechende läßt sich
für die anderen Kanäle zeigen, so daß sich insgesamt die Kennlinie nach F i g. 9
und die obige Tabelle ergeben.
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Einen Sonderfall nimmt der Kanal 113 ein. Bei ihm wird keine die Signalspannung
u enthaltende Spannung auf die Ausgangsleitungen r, g und b gegeben,
sondern bei seinem Ansprechen schaltet der Farbwähler 120 auf jede dieser
drei Ausgangsleitungen eine konstante Spannung, die den Wert
u, hat. Demgemäß ist der Amplitudenbereich dieses Kanals dadurch gekennzeichnet,
daß die Chrominanz den Wert 1 besitzt.
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F i g. 9 läßt ferner erkennen, daß bei allen Signalspannungen u die
Summe der Ausgangsspannungen R, G und B konstant ist, also die Luminanz
L konstant bleibt.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen Signal-Farbumsetzer für den Fall
der beispielsweise an Hand F i g. 4 erläuterten Energie-Farbumsetzung zeigt F i
g. 10. Diese Anordnung dient zur Darstellung der in F i g. 11 wiedergegebenen Kennlinie,
wobei angenommen ist, daß die einzelnen Amplitudenbereiche der Eingangsspannung
&B durch entsprechende Dimensionierung der Kanäle unterschiedlich groß sind.
Man erkennt, daß innerhalb der einzelnen Bereiche keine Unterscheidung zwischen
einzelnen Werten der Eingangsspannung gemacht wird. Sowohl das Verhältnis der von
den Farbwählern abgegebenen Spannungen R', G' und B' als auch die Luminanz ändern
sich hier von Bereich zu Bereich; an den Bereichsgrenzen treten Spannungssprünge
auf.
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Dies wird dadurch erzielt, daß die Spannungsumsetzer in F i g. 8,
die eine Spannungsdifferenz abgaben, jetzt zu echten Amplitudendiskriminatoren 130
bis 138 ausarten, denen sowohl die jeweilige Steuerspannung Sd_ als auch
eine feste Vergleichsspannung v1 bis v9 zugeführt werden. Nur in den Fällen, in
denen die Steuerspannung größer als die Vergleichsspannung ist, gibt der jeweilige
Diskriminator ein positives Potential an den mit ihm verbundenen Eingang des jeweiligen
Koinzidenzgatters 140 bis 147 ab. 139 ist ein Koinzidenzgatter zur Prüfung der Schaltung.
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Die andere Bedingung für das Leitendwerden jeweils eines der Koinzidenzgatter,
d. h. die andere Bereichsgrenze, wird wiederum durch Abgreifen der Ausgangsspannung
des Diskriminators in dem jeweils unmittelbar benachbarten Kanal gewonnen.
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Die Farbwähler sind in diesem Ausführungsbeispiel so ausgebildet,
daß ihre elektronischen Schalter nicht mehr eine die Signalspannung u enthaltende
Spannung R', G' und B' an die Ausgangsleitungen r, g und
b
legen, sondern daß, wie an Hand eines Beispiels in F i g. 12 noch zu erläutern
ist, die die Signalspannung und die die Ausgangsspannung führenden Stromkreise galvanisch
getrennt sind. Betrachtet man F i g. 12, so enthält der Farbwähler jedes der Kanäle
drei Potentiometer 150, 151 und 152, die alle parallel über den gemeinsamen elektronischen
Schalter 153 in den Farbwählern 154 bis 163 (vgl. F i g. 10) liegend
an eine feste Spannung U geschaltet sind. Der elektronische Schalter 153 bewirkt
also in diesem Ausführungsbeispiel, daß alle drei Ausgangsleitungen r, g
und b an eine feste Spannung gelegt werden, deren Höhe mittels der Potentiometer
150 bis 152 frei wählbar ist. Man hat also je Spannungswähler drei Einstellknöpfe
und kann die Zuordnung beliebig treffen. Diese Spannungen R', G' und B; die entsprechend
dem sägezahnförmigen Verlauf von SaE und der Einstellung der Farbwähler auf den
Leitungen r, g und b erscheinen, werden dann entsprechend dem jeweiligen Wert der
Detektorspannung u moduliert (vgl. F i g. 13)..
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Verständlicherweise können in den Schaltungen noch zusätzliche Glieder
vorgesehen sein. Beispielsweise enthält jeder Kanal in F i g. 8 - mit Ausnahme des
in der Figur untersten - einen Polaritätsumsetzer 170 bis 172.
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Um bei der Einstellung der verschiedenen Spannungen der Spannungswandler
154 bis 163 in F i g. 10 sicherzustellen, daB eine bestimmte Reihenfolge des Ansprechens
gewahrt ist, sind Koinzidenzgatter 180
bis 187 mit Anzeigeorganen
188 bis 195 vorgesehen, die dann ansprechen, wenn die Spannungen zwischen
den Ausgängen von Diskriminatoren aufeinanderfolgender Kanäle eine bestimmte Polarität
haben, die anzeigt, daß die Reihenfolge gestört ist.
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Weiterhin können, wie in F i g. 8 angedeutet, Normierungsschaltungen
200 bis 204 vorgesehen sein, die das von dem jeweiligen Spannungsumsetzer
abgegebene Signal zwecks eindeutiger Ansteuerung des nachfolgenden Koinzidenzgatters
in .ein Ja-Nein-Signal umformen.
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Die hier aus Spannungsumsetzer bzw. Amphtudendiskriminator und Koinzidenzgatter
bestehenden Torschaltungen können auch anders gebildet sein, sofern sie nur die
amplitudenabhängige Kanalauswahl sicherstellen.
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Die F i g.13 und 14 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung
für den Fall :der Umsetzung der Energien der Korpuskeln in Farben. Gemeinsam sind
beiden Anordnungen die Kathode 3,
das Kondensorsystem 5, das Präparat
213, das mittels der Objektivlinse 7 und der Projektivlinse 8 vergrößert abgebildet
wird, der Detektor 84 unterhalb der Lochblende 82, der Signal-Farbumsetzer 18 sowie
der an die Ausgangsleitungen r, g und b angeschlossene Farbmonitor 19.
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In beiden Fällen enthält der Umsetzer 18 einen eigentlichen
Umsetzer 220; der den an Hand F i g.10 beschriebenen Aufbau besitzt und drei Farbspannungen
B', G' und R' erzeugt, deren Höhen, wie bei der Beschreibung der F i g. 10 erläutert
wurde, den jeweils »abgetasteten« Energiebereich kennzeichnen. Diese Spannungen
werden jeweils einem Modulator 221, 222 bzw. 223 zugeführt, der einen
an sich bekannten Aufbau besitzt und in dem die genannten Spannungen in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Wert der vom Detektor 84 angegebenen Signalspannung u moduliert
werden. Vorzugsweise wird man in diesen Modulatoren 221 bis 223 eine Produktbildung,
beispielsweise u - R', vornehmen; die Produktspannung, im Beispiel R, ist dann die
Ausgangsspannung des Umsetzers 18.
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Betrachtet man nun zunächst F i g. 13, so ist unterhalb des Projektivs
8 das Ablenksystem 83 zur Ablenkung des Elektronenstrahles in x-Richtung vorgesehen.
Es bildet zusammen mit dem in Strahlrichtung vor dem Detektor 84 angeordneten Ablenksystem
32, und zwar zusammen mit den Spulen desselben, die erste Abtasteinrichtung zur
Festlegung der x -y-Koordinaten des jeweils interessierenden Präparatpunktes.
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Zwischen den beiden Abtasteinrichtungen 83 und 32 ist der Energieanalysator
69 angeordnet, der wiederum ein durch die Spaltblende 227 begrenztes Energiespektrum
auf der Lochblende 82 entwirft.
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Die BE-Ablenkung wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die elektrostatischen
Ablenkplatten des Ablenksystems 32 vorgenommen.
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Mit 66 ist ein dem Sägezahngenerator 66 in F i g. 4 entsprechender
Sägezahngenerator bezeichnet; die verschiedenen Verbindungsleitungen zwischen diesem
und Ablenksystemen deuten die Synchronisierung der Abtastvorgänge an.
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In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 14 besteht der Energieanalysator
aus dem Umlenksystem 230 für den Elektronenstrahl, dem in Richtung des umgelenkten
Strahles liegenden, auf einem bestimmten Potential befindlichen elektronenoptischen
Spiegel 231
als erstem Filter sowie einem ebenfalls potentialgesteuerten Drahtnetz
232 als zweitem Filter. Das Potential des Spiegels 231 ist mittels des in diesem
Ausführungsbeispiel vier sägezahnförmige Steuer-Spannungen erzeugenden Sägezahngenerators
233 so gewählt, daß er nur diejenigen Elektronen zurückwirft und in den Bereich
der Elektrode 232 gelangen läßt, deren Energie kleiner als ein Wert E
+ d E ist. Das Elektronenfilter 232 erhält ein derart gewähltes Steuersignal
SE, daß es nur diejenigen Elektronen durchläßt, deren Energie größer als der Wert
E ist. Daher erfaßt der Detektor 84 nur diejenigen Elektronen, die innerhalb des
Energiebereiches dE liegen. Statt des Signals SE könnte dem Umsetzer
218 auch das proportionale Signal SE+"E zugeführt werden.
-
Unter einem Detektor soll auch eine Anordnung verstanden werden, die
zusätzlich zu dem eigentlichen Detektor einen diesem angepaßten Verstärker enthält,
also z. B. ein Halbleiterdetektor mit ladungsempfindlichem Verstärker. Die Erfindung
kann auch bei Beugungsgeräten Anwendung finden. Die Anordnungen nach den F i g.
8 und 10 können sowohl zur Intensitäts- als auch zur Energieerfassung Anwendung
finden.