DE1764835A1 - Magnetische Linse - Google Patents

Description

PATB

DIFL. ING. B. HOLSEB «9 ΛCOSΠUHO

PHILIVPINE-WELSEIt-STIlASSK 14

M. 459

Augsburg, den 16. August 1968

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London S.W.1, England

Magnetische Linse

Die Erfindung betrifft magnetische Linsen mit einer Wicklung zur Fokussierung von aus geladenen Teilchen, insbesondere aus Elektronen bestehenden Strahlen.

Es ist seit mehreren Jahren bekannt, Elektronenstrahlen dadurch zu fokussieren, daß sie axial durch ein symmetrisches Magnetfeld hindurchgeführt werden, wobei das Magnetfeld von einer stromführenden, entweder ab-

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geschirmten, oder unabgeschirmten Wicklung von im wesentlichen zylindrischer Form erzeugt wird. Die Fokussierung von Elektronenstrahlen ist "beispielsweise in Kathoden-Strahlröhren, Elektronenmikroskopen und Elektronensonden-Röntgenstrahlen-Mikrountersuchungsgeräten erforderlich. Das letztgenannte Beispiel stellt ein ^ besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung dar. Bei mit solchen Geräten durchführbaren MikroUntersuchungen wird ein Elektronenstrahl auf einen kleinen Bereich der zu untersuchenden Probe fokussiert. Es ist erwünscht, daß der Bereich, in welchem der Strahl konzentriert ist, so klein und dicht wie möglich ist und es ist demzufolge wesentlich, daß die JLberation der Linse und insbesondere deren sphärische Aberation so klein als möglich ist. Diese Form von MikroUntersuchungen hängt weitgehend von der Ermittlung der von dem mit Elektronen beschossenen Bereich der betreffenden Probe ausgesandten Röntgenstrahlung ab, welch letztere für die im Elektronenbeschußbereich liegenden Elemente jeweils charakteristisch ist.

Die bekannten magnetischen Linsen bestehen im allgemeinen aus einer allseitig abgeschirmten zylindrischen

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Wicklung mit einem mittigen Durchgang für den Elektronenstrahl. Eine Abschirmung wird durch zwei auf die Wicklung dicht aufgesetzte, ringförmige innere und äußere Polteile gebildet, welche zu dem Durchtrittsweg des Elektronenstrahles konzentrisch sind. Durch, das zwischen den Polteilen ausgebildete Magnetfeld derartiger bekannter Linsen werden die Elektronen des Elektronenstrahles auf der betreffenden, zu untersuchenden Probe fokussiert. ^

Mit solchen bekannten Linsenarten kann nur ein verhältnismäßig kleiner Teil der ausgesandten Röntgenstrahlen von einem Detektor empfangen werden, und zwar wegen des Umfanges der Linse und wegen ihrer Nähe an der betreffenden Probe nur unter einem Winkel von annähernd 90° zur Normalen zur Oberfläche dieser Probe. Dies stellt einen wesentlichen Nachteil dar, da die Empfindlichkeit der Einrichtung infolge der auf diese

Weise unermittelt abgestrahlten Röntgenstrahlung wesentlich " vermindert ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, magnetische Linsen unter Beachtung eines größtmöglichen Wirkungsgrades vorteilhafter anwenden zu können.

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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine magnetische Linse mit einer Wicklung zur Fokussierung von aus geladenen Teilchen bestehenden Strahlen gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Endteil der Wicklung bzw. die Wicklung selbst im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet ist und sich zum Wicklungsende hin unter einem zwischen etwa 20° und 85° gelegenen Wicklungshalbwinkel verjüngt.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung liegt der genannte Wicklungshalbwinkel zwischen 20° und 75°·

Bei Verwendung von magnetischen Linsen nach der Erfindung in Verbindung mit Einrichtungen, beispielsweise Röntgenstrahlen-Mikrountersuchungsgeräten, ist die Wicklung der magnetischen Linse nach einem weiteren Merkmal der Erfindung derart angeordnet, daß sie den aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl umgibt und ihr kegelstumpfförmiges Ende das dem bestrahlten Objekt . näher gelegene Wicklungsende ist, wodurch die bei bekannten Einrichtungen gegebene Behinderung der von dem betreffenden

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Objekt emittierten Strahlung auf ihrem Strahlungsweg zu einem Detektor hin wesentlich verringert ist.

Vorzugsweise wird die Wicklung der erfindungsgemäßen Linse durch an ihrer Innenseite angeordnete Mittel gekühlt, was ebenfalls die Behinderung der emittierten Strahlung verringert. M

Zum Zwecke einer günstigeren Verteilung des erzeugten Magnetfeldes ist die Wicklung der magnetischen Linse nach der Erfindung vorzugsweise aus einer Vielzahl getrennter, gleichsinnig gelegter Längen von Leiterdraht gewickelt. Die Magnetfeldverteilung kann außerdem noch dadurch verbessert werden, daß die Linsenwicklung zumindest teilweise von einer Abschirmung aus einem Material von hoher magnetischer Permeabilität umgeben wird.

Die Kühlung der Wicklung der magnetischen Linse kann ferner dadurch gefördert werden, daß man gemäß der Erfindung die radiale Wicklungstiefe in Bezug auf die Gröffe der Wicklung in Richtung einer Erzeugenden

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auf der Wicklungsoberflache verhältnismäßig klein macht, wobei das Verhältnis der Wicklungsgröße in Richtung einer Erzeugenden zu der radialen Wicklungstiefe vorzugsweise •nicht kleiner als 5 s 1 ist.

Die nachstehend noch genauer bezeichnete Halbwertsbreite des axial längs der magnetischen Linse aufgebauten Magnetfeldes ist im Verhältnis zum Arbeitsabstand dieser Linse von ihrem Brennpunkt bzw. von dem betreffenden Prüfling vorzugsweise groß.

Die Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand dreier bevorzugter Ausführungsformen beispielsweise beschrieben. Es stellen dar:

Figur 1a eine Vorderansicht einer magnetischen Linse nach der Erfindung,

Figur 1b eine Draufsicht auf die in

Figur 1a dargestellte magnetische Linse,

Figur 2 einen AxLalschnitt der in den

Figuren 1a und 1b dargestellten

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magnetischen Linse,

Figur 3

einen schematischen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform einer magnetischen Linse nach der Erfindung in Verbindung mit Mitteln zu deren Kühlung,

eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer magnetischen Linse nach der Erfindung, in Verbindung mit Abschirmungen,

die Figuren
5a und 5t>

schematische Darstellungen der axialen Magnetfeldverteilung innerhalb einer magnetischen Linse nach der Erfindung, und

die Figuren
5c und 5d

schematische Darstellungen der axialen Magnetfeldverteilung innerhalt einer weiteren Ausführungsform

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einer magnetischen Linse nach der Erfindung.

Die in den Figuren 1a und 1b dargestellte magnetische Linse nach der Erfindung dient beispielsweise zur Fokussierung eines Elektronenstrahles. Die Bewegungsrichtung der Elektronen durch die magnetische Linse ist durch einen Pfeil 11 angedeutet. Die Wicklung der magnetischen Linse besteht aus einer Anzahl getrennter, gleichsinnig gelegter Längen von nebeneinandergewickeltem Leiterdraht, wobei die in den. Figuren 1a und 1b der Zeichnungen dargestellte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise sechs derartige Leiter aufweist. Eine andere Anzahl von Leitern ist in gleicher Weise günstig verwendbar, jedoch sollten weniger als sechs Leiter nicht verwendet werden. An jedem stirnseitigen Ende der Wicklung befindet sich ein aus mehreren Leiterteilen 12a bis 12f bzw. 13a bis 13f gebildeter Ring. Die einzelnen Leiterteile 12a bis 12f und 13a bis 13f sind jeweils voneinander isoliert. Ein Leiter der Wicklung kann beispielsweise bei dem Ringleiterteil 12b beginnen und bei dem Ringleiterteil 13c enden. Ein weiterer Leiter der Wicklung würde dann bei dem Ringleiterteil 12c be-

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ginnen und "bei dem Ringleiterteil 13d enden usw. Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, sind die einzelnen Wicklungsleiter auf die Oberflache eines Kegels gewickelt, zu welchem Zwecke eine Kegelform dient, an welcher die in sich unterteilten Ringe 12 und 13 vorübergehend befestigt sind. Die Wicklungsleiter sind vorzugsweise gleichzeitig dreimal oder auch öfters aufgewickelt. M

Falls eine mehrlagige Anordnung erforderlich ist, sind alle Wicklungsleiter in gleichem axialem Sinne zu wickeln, indem der betreffende Leiter von dem Ende der einen Lage längs einer Erzeugenden des Kegels zum Anfang der jeweils darauffolgenden Wicklungslage zurückgeführt wird. Zur Erzielung einer befriedigenden Einbettung der einzelnen Leiter hat es sich als erforderlich erwiesen, die Wicklung von dem im Querschnitt kleineren Ende des Kegels her zu dessen größerem Ende hin zu wickeln. Die einzelnen Leiterlagen sind mit der jil darunterliegenden Lage vorzugsweise mittels eines Überzuges aus in Wärme aushärtendem Kunstharz, beispielsweise Epoxyharz, verbunden, welches gute elektrische Eigenschaften aufweist. Wenn dann eine ausreichende Gesamtanzahl an Leiterwindungen aufgebracht wurde, kann das ganze von der Kegelform abgezogen werden.

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Es hat sich gezeigt, daß ein Magnetfeld mit in Umfangsrichtung ausreichender Gleichmäßigkeit dann erreicht wird, wenn der Strom der Wicklung so weit als möglich symmetrisch zugeführt wird. Dies ist auch der Grund, warum die Wicklung in einzelnen Abschnitten zu wickeln ist. Ein gleichmäßiges Magnetfeld ist an dem kleinen Durchmesserende der Wicklung am wichtigsten, da sich hier das stärkste Magnetfeld ausbildet und die größte Fokussierwirkung erzielt wird. Zur Verringerung unausgeglichener Magnetwirkungen durch die an die Wicklung angeschlossenen Stromzuleitungen, können diese zunächst dem größeren Ende der Wicklung und von diesem aus dann längs einer Erzeugenden des Kegels dem kleineren Wicklungsende zugeführt werden, wie dies in Figur 1a und 1b bei 14 gezeigt ist. Eine Wicklung mit sechs Leitern kann beispielsweise derart geschaltet sein, daß allen sechs Leitern parallel Strom zugeführt wird. In Abwandlung hiervon könnten auch drei symmetrisch angeordnete Leiter parallelgeschaltet und mit den verbleibenden drei, ebenfalls symmetrisch angeordneten und parallelgeschalteten Leitern in Serie verbunden sa.n.

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Bei einer größeren Anzahl von Leitern können ähnliche Schaltungsanordnungen gebildet werden. Die Leiteranzahl ist vorzugsweise ein Vielfaches von drei.

Die in den Figuren 1a und 1b der Zeichnungen dargestellte magnetische Linse nach der Erfindung hat . einen Wicklungshalbwinkel oc von 4-5°. Der größte Wirkungs- % grad ist bei derartigen Linsen dann gegeben, wenn deren Wicklungshalbwinkel etwa zwischen 30° und 60° liegt. Vorteilhafte Ergebnisse können jedoch auch dann noch erreicht werden, wenn der Wicklungshalbwinkel zwischen etwa 20° und 85° liegt. Die Wicklung einer magnetischen Linse nach der Erfindung kann beispielsweise einen großen Durchmesser von 7i6 cm haben und aus einem emaillierten Kupferdraht von 0,27 mm Durchmesser (SWG 32) gewickelt sein sowie einen Wicklungshalbwinkel von 4-5° g haben.

Ein Vergleich mit der in Figur 2 der Zeichnungen im AxL al schnitt dargestellten magnetischen Linse nach der Erfindung und magnetischen Linsen bekannter Art

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fl.

zeigt deutlich den mit der Erfindung erreichten Fortschritt, Der Arbeitsabstand der Linse sei als Abstand d bezeichnet, welches Maß den kürzesten Abstand zwischen der Linsenanordnung und der betreffenden Probe darstellt.

Wie aus Figur 2 der Zeichnungen ersichtlich ist, in welcher die magnetische Linse nach der Erfindung schematisch im Axialschnitt dargestellt ist, wird ein von einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Strahlenquelle ausgesandter Elektronenstrahl durch die Linsenwicklung 20 auf einen im Abstand angeordneten Prüfling bzw. auf eine Probe 19 fokussiert. Der Pfeil 11 zeigt hierbei die Richtung und den Weg des Elektronenstrahles an. Die von der Probe 19 jeweils emittierte Strahlung wird von einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Detektor ermittelt, welcher seinem Aufbau und seiner Anordnung entsprechend zur gewünschten Aufnahme der emittierten Strahlung dient. Der Arbeitsabstand d der Linse sei hierbei wiederum der gleiche wie bei Linsen bekannter Bauart.

Vergleicht man nun den in Figur 2 der Zeichnungen

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eingezeichneten Winkel ©₂ mit einem bei einer magnetischen Linse der vorstehend beschriebenen bekannten Art gebildeten Winkel 0., welch letzterer sich einerseits durch eine im Abstand d parallel zu der Stirnseite der zylindrischen Linse bekannter Art durch deren Brennpunkt hindurchlaufende Linie und andererseits durch eine deren Brennpunkt mit dem äußeren Umfangsrand M der gleichen Linsenstirnseite verbindende Linie ergibt, so zeigt sich, daß bei Verwendung einer magnetischen Linse nach der Erfindung die von der betreffenden Probe ausgestrahlte Strahlung über einen viel größeren Winkelbereich hinweg empfangen werden kann, als dies mit magnetischen Linsen bekannter Art der Fall ist. Wie aus Figur 2 der Zeichnungen hervorgeht, ist der mit der Erfindung erreichbare Winkel O₂ je nach Wicklungshalbwinkel mehr als dreimal größer als bei bekannten Linsenanordnungen.

Häufig müssen in magnetischen Linsen starke Magnetfelder erzeugt werden, was im allgemeinen eine hohe Stromdichte in den Leitern der Linsenwicklung bedingt

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und infolgedessen mit einem Temperaturanstieg verbunden ist. Hierbei kann die Temperatur so weit ansteigen, daß die betreffende Linsenwicklung ohne Kühlung be-•schädigt würde. Figur 3 der Zeichnungen zeigt eine gemäß der Erfindung vorgesehene Kühleinrichtung. An der Innenseite der Wicklung 20 ist ein mit ihr in guter Warmeberührung stehender Block 21 angeordnet. Dieser Block ist mit Kühlmittelkanälen 22 versehen, welche so nahe wie nur ausführbar an der Innenfläche der Wicklung entlanglaufen. Die Kühlmittelkanäle 22 sind mit einem Einlaß 23 und einem Auslaß 24 versehen, über welche durch die Kühlmittelkanäle ein zur Kühlung dienendes Strömungsmittel hindurchströmen und hierdurch von der Wicklung Wärme abführen kann. Die Kühlmittelkanäle 22 können beispielsweise die Form eines in den Block 21 eingegossenen Rohres haben. Der Block besteht vorzugsweise aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer. Zweckmäßigerweise dient bei dieser Ausführungsform der Block 21 gleichzeitig als Form, auf welche die Wicklung 20 aufgewickelt ist. Figur 3 der Zeichnungen zeigt als weiteres Merkmal der Erfindung außerdem, daß die radiale Wicklungstiefe

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bzw. Wicklungsstärke im Vergleich zu der schräg verlaufenden Höhe dieser Wicklung verhältnismäßig klein ist. Gemäß der Erfindung ist das Verhältnis der schräg verlauf enden ^y Höhe "bzw. Wicklungslänge zu der radialen Wicklungsstärke nicht kleiner als 5:1, kann jedoch sehr viel größer sein. Eine geringe Stärke der Wicklung ist deshalb erwünscht, da hierdurch einerseits die Wärmeabführung erleichtert und andererseits der in Figur 2 der Zeichnungen eingezeichnete Winkel Op vergrößert werden kann.

Sämtliche in der Wicklung der magnetischen Linse nach der Erfindung auftretenden Wärmewirkungen können vermieden werden, wenn dieselbe bei supraleitendenden Temperaturen betrieben wird. Will man jedoch gleichzeitig einen großen Winkel Op beibehalten, wie dies vorstehend beschrieben wurde, so ist eine derartige Anordnung nur sehr schwer ausführbar, da derartige Kühleinrichtungen an sich sehr umfangreich sind.

. Selbst wenn die Wicklung der magnetischen Linse mit größter Vorsicht gewickelt wird, ist es möglich,

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daß für einige Augenblicke eine Ungleichheit auftritt, was dann eine entsprechend schlechtere Symmetrie des von dieser Wicklung erzeugten Magnetfeldes zur Folge hat. Es hat sich gezeigt, daß derartige kleine Ungleichheiten größtenteils aufgehoben werden können, wenn man die Wicklungsaußenseite mit einem entsprechend passenden, konischen Gehäuse aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität abschirmt. Eine solche Abschirmung ist in Figur 4- der Zeichnungen mit 25 bezeichnet. In jedem Falle ist es jedoch erforderlich, den Elektronenstrahl gegenüber Wirkungen des Erdmagnetfeldes und anderer Streumagnetfelder abzuschirmen, so daß die vorstehend erwähnte Abschirmung 25 eine doppelte Funktion erfüllt. Eine weitere Überwachung der Fokussierung des Elektronenstrahles kann ferner dadurch erreicht werden, daß die Abschirmung um einen nach innen verlaufenden, mit dem Abs.chirmungsteil 25 in magnetischer Verbindung stehenden Hingteil 26 erweitert wird.

Die in Figur 5a im Halbschnitt dargestellte Wicklung einer magnetischen Linse nach der Erfindung erzeugt ein längs der Wicklungsachse in seiner Stärke verschieden

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ti

großes Magnetfeld. Die Änderungen der Magnetfeldstärke längs der Wicklungsachse, d.h. längs der Bahn des Elektronenstrahles durch diese Wicklung, ist in einer Diagr ammkurve in Figur ^h der Zeichnungen schematisch dargestellt. Die Halbwertbreite ¥ dieser Magnetkurve ist hierbei als der Abstand zwischen denjenigen Punkten der Kurve definiert, bei welchen die Magnetfeldstärke ihren halben Maximalwert hat. In Figur 5a ist außerdem der Arbeitsabstand d der magnetischen Linie eingezeichnet, d.h. der Abstand zwischen dem äußersten Wicklungsteil und dem Brennpunkt des Elektronenstrahles und demzufolge auch der betreffenden Probe. Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die oben bezeichnete Halbwertbreite W wesentlich größer als der Arbeitsabstand d der Linse ist, wobei die Halbwertbreite W normalerweise mindestens zweimal so groß wie der genannte Arbeitsabstand ist.

Figur 5c zeigt einen axialen Halbschnitt einer abgeschirmten Wicklung nach der.Erfindung. Die Auswirkung dieser Ausführungsform auf die Magnetfeldstärke ist in Figur 5d wiederum in Form einer Diagrammkurve schematisch dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß die Magnet-

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feldstärke allgemein größer ausfällt und die Magnetkurvenspitze breiter ist. Die Definition der Halbwertbreite ¥ entspricht wiederum der. bereits vorstehend
erwähnten Definition und der Zweck dieser Ausführungsform ist, das Verhältnis zwischen Halbwertbrexte W und Arbeitsabstand d der Linse zu vergrößern.

Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer magnetischen Linse nach der Erfindung jeweils nur in Verbindung mit der Fokussierung von Elektronenstrahlen beschrieben wurden, können magnetische Linsen nach der Erfindung ganz allgemein auch zur Fokussierung von aus anderen geladenen Teilchen bestehenden Strahlen Verwendung finden.

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Claims (1)

1. Pat ent anspräche;

   1. Magnetische Linse mit einer Wicklung zur Fokussierung von aus geladenen Teilchen "bestehenden Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Endteil (12a Ms f, 13a bis f) der Wicklung 20 bzw. die Wicklung selbst im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet ist und sich zum Wicklungsende (12a bis f) % hin unter einem zwischen etwa 20° und 85° gelegenen Wicklungshalbwinkel ( Ot bzw. Op) verjüngt.

   2. Hagnetisclie Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungshalbwinkel ( OL bzw. Op) zwischen 20° und 75° liegt.

   5. Magnetische Linse nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20) durch g

   an ihrer Innenfläche angeordnete Mittel (21 bis 24) gekühlt wird.

   4. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20) aus eisner

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   Vielzahl von getrennten, gleichlaufend verlegten Leiterdrähten gewickelt ist.

   5· Hagnetische Linse nach einem der Ansprüche bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Tiefe der Spulenwicklung (20) im Verhältnis zu der Größe der Spule in Richtung einer Erzeugenden (14·) der ^ Wickiungsoberflache klein ist.

   6. Magnetische Linse nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Spulengröße in Richtung einer Erzeugenden. (14·) der Wicklungsoberfläche zur radialen Wicklungstiefe nicht kleiner als 5 ί■ 1 ist.

   7. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche

   ^ 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20) mindestens teilweise von einer Abschirmung (25» 26) aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität umgeben ist,

   8. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 7»

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   dadurch, gekennzeichnet, daß die Halbwertbreite (V) der axialen Magnetfeldverteilung der Linse im Vergleich zum Arbeitsabstand (d) dieser Linse von ihrem Brennpunkt bzw. vom Prüfling (19) groß ist_o

   9. Einrichtung mit einer magnetischen Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20) der magnetischen Linse die von einer Strahlenquelle erzeugten und auf ein entsprechendes Objekt gerichteten, aus geladenen Teilchen bestehenden Strahlen umgibt und diese Strahlen im Objekt vereinigt, daß ferner das kegelstumpfförmige Ende der Wicklung das dem Objekt näher gelegene Wicklungsende ist und daß zur Ermittlung der von dem Objekt abgegebenen Strahlung ein Detektor vorgesehen ist.

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