DE1805585C3 - Magnetische Unsenanordnung für unter Vakuum arbeitende Korpuskularstrahlgeräte und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Linsenanordnung mit strcmdurchflossener Linsenwicklung und mit möglichst kleiner Öffnungsfehlerkonstante, für unter Vakuum arbeitende Korpuskularstrahlgeräte, mit zwei Abschirmzylindern, die in Richtung der Achse der Linsenanordnung in einem durch die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der beiden Abschirmzylinder begrenzten Abstand aufeinanderfolgen und koaxial zu dieser Achse angeordnet sind, wobei diese Abschirmzylinder aus supraleitendem Material bestehen, eine Bohrung für den Durchtritt des Korpuskularstrahl aufweisen und mit einem Tiefkühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehen, bei der nach Patent 1 564714 der durch diesen Abstand der Stirnflächen gebildete Linsenspalt frei von abschirmenden Teilen aus supraleitendem Material ist, bei der der Abstand so bemessen ist, daß die Öffnungsfehlerkonstante minimal ist und bei der der Bohrungsdurchmesser der Abschirmzylinder auf den für den Durchtritt des Korpuskularstrahls erforderlichen Mindestwert bemessen ist.

In erster Linie ist dabei an eine elektromagnetische Objektivlinsenanordnung für Elektronenmikroskope gedacht, jedoch kann die Erfindung auch für andere Korpuskularstrahlgeräte, beispielsweise Ionenmikroskope oder Beugungseinrichtungen, immer dann mit Vorteil Anwendung finden, wenn man bestrebt ist, das Linsenfeld mit möglichst großer Feldstärke nur in einem in Strahlrichtung gesehen kurzen Bereich an den Korpuskularstrahl auf diesen einwirkend gelangen zu lassen.

Die eben beschriebene Linsenanordnung nach dem Hauptpatent zeigt in ihren wesentlichen Teilen Fig. 1. Der in der Linsenwicklung 1, die man bevorzugt ebenfalls aus einem supraleitenden Material herstellen wird, erzeugte magnetische Fluß wird von den beiden aus supraleitendem Material bestehenden, mit einem nicht dargestellten Tiefkühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehenden Abschirmzylindern 2 und 3 nur im Linsenspalt s an den Korpuskularstrahl herangelassen, der längs der Achse ζ durch Bohrungen in den Zylindern 2 und 3 hindurchtritt. Dei Spalt s wird durch die Stirnflächen 6 und 7 der beider Zylinder gebildet. Man erkennt, daß in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel diese Stirnfläche! durch Vorsehen einer Abschrägung zumindest unge fähr dem Verlauf der Feldlinien im Spalt s angepaß und damit Magnetflußsprünge im supraleitenden Ma terial vermieden sind.

Diese Maßnahme wird bereits im Hinblick auf di besonderen Anforderungen an eine elektromagnet) sehe Linse mit kleinem Öffnungsfehler getroffen. Be kanntlich erfolgt der Einsatz supraleitender Materia lien im Rahmen derartiger Linsenanordnunge

deshalb, weil der in das Auflösungsvermögen eingehende Öffnungsfehler der Linsenanordnung um so kleiner gehalten werden kann, je größer die magnetische Feldstärke im Bereich des Korpuskularstrahles und je kleiner die Länge dieses felderfüllten Bereiches ist. Mit üblichen, d. h. bei normalen Temperaturen arbeitenden und mit Eisenrückschlüssen sowie Polschuhen versehenen elektromagnetischen Linsen lassen sich diese Forderungen im Hinblick auf die magnetischen Eigenschaften des Eisens nicht in einem für hohe Auflösungen ausreichenden Maße erfüllen. Zur Erzeugung hoher magnetischer Feldstärken im Bereich des Korpuskularstrahles sind nämlich große Eisenquerschnitte zwecks Vermeidung von Sättigungserscheinungen erforderlich, wodurch die axiale Länge des Bereiches, in dem das Linsenfeld auf den Strahl einwirkt, vergrößert wird. Supraleitende Materialien gestatten demgegenüber die Erzielung wesentlich höherer magnetischer Feldstärken ohne nennenswerte Vergrößerung der axialen Länge des Einwirkungsbereiches des Linsenfeldes auf den Korpuskularstrahl.

Die Öffnungsfehlerkonstante C₀ hängt außer von dem Maximalwert H₀ der Feldstärke im Linsenspalt von dem Feldgradienten längs der Achse im Linsenspalt ab. Betrachtet man als anschauliches Beispiel den Fall eines zumindest ungefähr glockenförmigen Feldes, so ist die den Feldgradienten bei gegebenem Maximalwert H₀ der Feldstärke im Spalt bestimmende Größe die Halbwertsbreite 2d.

Diese für die Erfindung wichtige Größe sei an Hand Fig. 2 erläutert. In dieser Figur ist längs der Achse auf der Koordinate z, die auf die halbe Halbwertsbreite d normiert ist, der Verlauf der auf ihren Maximalwert H₀ normierten Feldstärke H/H„ im Spalt aufgetragen. Unter der Halbwertsbreite Id versteht man definitionsgemäß die Feldbreite bei H/H₀ = 0,5.

Für die Erfüllung der obengenannten Forderung, den Bereich der Einwirkung des Linsenfeldes auf den Strahl möglichst »kurz« zu halten, ist es also wichtig, diese Halbwertsbreite Id klein zu halten. Bisher war man der Auffassung, daß die Größe Id von der Spaltweite s, der Form der sich gegenüberstehenden, den Spalt s definierenden Stirnflächen der Zylinder und von der Wandstärke der Abschirmzylinder abhängt, die in Fig. 1 mit w bezeichnet ist. Es sei bemerkt, daß Fig. 1 lediglich zur Erläuterung der vorliegenden Verhältnisse dienen soll und daß die Wandstärke der beiden Zylinder auch unterschiedlich groß sein kann.

Im Hinblick auf diese Auffassung hat man entsprechend Fig. 1 im Hauptpatent bereits vorgeschlagen, die sich gegenüberstehenden Stirnflächen so zu formen, daß Magnetflußsprünge im supraleitenden Material vermieden sind, und sie daher in ihrer Form durch Abschrägung oder Abrundung dem Verlauf der Feldlinien anzupassen. Im übrigen hat man unter Zugrundelegung entsprechend gewählter Spaltlängen s die Wandstärken w der Abschirmzylinder so gewählt, daß das magnetische Feld in die Zylinder möglichst wenig eindringt.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß die Halbwertsbreite 2d von einem Minimalwert ab praktisch unabhängig von der Wandstärke der Abschirmzylinder ist. Ausgehend von dieser Erkenntnis besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, die eingangs beschriebene magnetische Linsenanordnung nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, Haß mößlichc Instabilitäten bei hohen Stromdichten dadurch vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abschirmzylinder im Bereich ihrer sich den Linsenspalt bildend gegenüberstehenden Stirnflächen aus einem supraleitenden Material höherer Stromtragfähigkeit bestehen als in ihren restlichen Bereichen.

Physikalisch gesehen kann bei der Erfindung das Magnetfeld in den Mantelbereich der Abschirmzylinder außerhalb des Spaltes eindringen.

Die Erfindung geht also von der Erkenntnis aus, daß es an sich zulässig ist, wenn der magnetische Linsenfluß zumindest im Bereich des Außenmantels der Abschirmzylinder in diese eindringt, sofern er nur vom Eindringen bis in den Bereich des Korpuskularstrahles (außer im Linsenspalt) gehindert wird. Durch das Eindringen des Feldes in den Mantelbereich werden sogar in erwünschter Weise Instabilitäten vermieden, die sonst durch zu hohe kritische Stromdichten hervorgerufen werden könnten. Wesentlich für eine definierte Begrenzung der Halbwertsbreite 2d ist jedoch, daß der Fluß möglichst wenig in die Stirnflächenbereiche der Abschirmzylinder eindringt, da hierdurch eine effektive Spaltweite geschaffen werden würde, die gegebenenfalls erheblich größer als die konstruktiv vorgesehene Spaltweite s ist und demgemäß die Abbildungseigenschaften der Linsenanordnung in liei oben beschriebenen Sinne nachteilig beeinflußt.
Bei der Erfindung sind also die Abschirmzylinder aus zwei supraleitenden Materialien zusammengesetzt, und es bestehen lediglich die dem Spalt zugekehrten Stirnflächen aus einem eine hohe Stromtragfähigkeit besitzenden und damit stark abschirmenden Material, so daß dort das Eindringen des magnetisehen Feldes praktisch verhindert ist, während der restliche Bereich des Zylinders aus einem Material besteht, in das der magnetische Fluß ohne Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften der Linse eindringen kann.

Diese Unterteilung der Materialzusammensetzung ist im Hinblick auf die Vermeidung von Instabilitäten (Flußsprüngen) insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn man die Form der sich gegenüberstehenden Stirnflächen der Zylinder dem Verlauf der Feldlinien anpaßt.

Wie bemerk', liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Wandstärke der Abschirmzylinder weitgehend ohne Einfluß auf die Halbwertsbreite 2d ist. Dies zeigt das Diagramm nach Fig. 3, in dem über dem Verhältnis des maximalen Feldstärkewertes H_n längs der Achse des Linsenspaltes zu der Außenfeldstärke H_a der Verlauf der Halbwertsbreite 2d unter Berücksichtigung verschiedener Parameter aufgetragen ist. Die ausgezogenen Kurven gelten für konstante Wandstärken w, während sich für konstante Spaltweiten s die horizontal verlaufenden gestrichelten Geraden ergeben. Diese gestrichelten Geraden entsprechen Änderungen der Wandstärke w, während die ausgezogenen Kurven für Änderungen der Spaltw Jte s kennzeichnend sind; die jeweils andere Größe ist bei diesen Änderungen konstant gehalten. Die angegebenen Zahlenwertc sind nur Beispiele einer Untersuchung im elektrolytischen Trog

Aus dem horizontalen Verlauf der Linien für konstante Spaltweiten s folgt, daß bei einer Änderung der Wandstärke w die hier interessierende Größe 2d zumindest praktisch ungeändert bleibt.

Den Feldverlauf in der Linse veranschaulicht

Fig. 4. Dort wird ein im elektrolytischen Trog gewonnenes Versuchsergebnis wiedergegeben, bei dem die supraleitenden Zylinder durch mit stirnseitigen Einsenkungen versehene Isolierzylinder 10 bis 13 simuliert sind, die auf ihren einander abgekehrten Stirnflächen mit Elektroden 14 bis 17 versehen sind. Hier werden die Verhältnisse also durch elektrische Spannungen zwischen den Elektroden, beispielsweise in Höhe von 10 V, und die dadurch erzeugten elektrischen Felder nachgebildet. Die Linsenbohrungen sind durch Einsenkungen an den sich gegenüberstehenden Stirnflächen der Zylinder 10 bis 13 nachgebildet.

Man erkennt, daß im linken Falle der Fig. 4, bei dem die Stirnflächen nicht dem Verlauf der Feldlinien angepaßt sind, die Feldausbreitung im Spalt gegen- ¹S über der im rechten Teil der Fig. 4 wiedergegebenen Formgebung der Stirnflächen behindert ist. Ferner sind die im Bereich hoher Feldstärke liegenden Außenkanten Gefahrenstellen für Flußsprünge, die Unsymmetrien (beispielsweise Astigmatismus) verur-Sachen können. Weiterhin zeigt die Figur, daß die Feldstärke an den Stirnflächen, und zwar besonders in der Nähe der Strahldurchtrittsbohrungen, kleiner als am Zylindermantel ist. Diese Tatsache ist wesentlich im Hinblick auf die erfindungsgemäße Verwendung supraleitenden Materials hoher Abschirmwirkung für die Stirnflächenbereiche, da dort infolge dieses Feldverlaufs keine hohen kritischen Abschirmstromstärken auftreten, die bei den vorliegenden hohen Abschirmstromdichten leicht zu Instabilitäten führen könnten.

Bei der erfindungsgemäßen Linsenanordnung kann man das Eindringen des Feldes nur an den Stirnflächenbereichen dadurch verhindern, daß diese Bereiche aus feinkörnigerem supraleitenden Ausgangsmaterial, beispielsweise aus Nb₃Sn in Form eines feinen Pulvers, bestehen als die restlichen Bereiche, in die das Feld ohne Beeinträchtigung der Abbildungsqualität der Linse eindringen kann. Ein entsprechendes Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß in eine Preßform für die Abschirmzylinder Schichten aus supraleitendem Material mit im Hinblick auf die später für die Stirnflächenbereiche erforderliche Stromtragfähigkeit gewählter Korngröße sowie supraleitendem Material mit einer derart gewählten Korngröße eingebracht werden, daß der Korpuskularstrahl außer im Linsenspalt gegen das Linsenfeld abgeschirmt wird, und daß nach dem Einbringen des Materials durch Druck- und Temperaturbehandlung alle Körner miteinander verbunden werden.

Es können aber auch alle Bereiche der Abschirmzylinder aus dem gleichen supraleitenden Ausgangsmaterial bestehen und das Material der Stirnflächenbereiche kann die Stromtragfähigkeit erhöhende strahhmgsinduzierte Gitterdefekte aufweisen. Diese Ausbildung der Erfindung läßt sich dadurch erreichen, daß zunächst die Formgebung der Abschirmzylinder aus einheitlichem supraleitendem Ausgangsmaterial erfolgt und dann die später den Linsenspalt bildenden ⁶<> Stirnflächenbereiche mit energiereichen Teilchen bestrahlt werden.

Wie nämlich aus einer Arbeit von H. J. Bode und K. Wohlleben in »Physics Letters 24A« (1967), Seite 25, hervorgeht, lassen sich die Abschirmeigenschaften beispielsweise eines Nb₃Sn-Supraleiters durch Bcsnrahlung beispielsweise mit energiereichen Deuteronen und Protonen bei bestimmten Teilchenflüssen im gewünschten Sinne beeinflussen.

Besonders zweckmäßig ist es, bei dem zuletzt beschriebenen Herstellungsverfahren einen radialsymmetrischen Bestrahlungsgradienten einzustellen, bei dem der Bereich der Linsenbohrung am stärksten bestrahlt wird. Hierdurch läßt sich erreichen, daß die kritische Stromdichte nahe der Strahldurchtrittsbohrung des Abschirmzylinders, wo das Feld und demgemäß die Neigung zu Flußsprüngen bereits stark abgenommen haben, am höchsten liegt. Das bedeutet, daß infolge vernachlässigbaren Eindringens des Feldes an dieser Stelle die effektive Form von Linsenbohrung und Spalt praktisch der konstruktiv vorgegebenen Form entspricht.

Man kann auch vor einer Bestrahlung mit langsamen Neutronen in das Material an den Stirnflächen, die den Spalt begrenzen, spaltbare Materialien einlegieren. Hierfür eignet sich, wie aus »Journal of Applied Physics«, 37 (1966), Seite 2218, hervorgeht, beispielsweise Uran 235; es können auch andere spaltbare Elemente, gegebenenfalls in Mischung (Isotopengemische), verwendet werden. Diese Materialien verursachen unter dem Einfluß der Bestrahlung ebenfalls Gitterdefekte, die die Stromtragfähigkeit in der dünnen Legierungsschicht erhöhen. Als günstig haben sich Schichtdicken etwa zwischen 0,1 und größenordnungsmäßig 1 mm erwiesen. Diese Bestrahlung kann beispielsweise in einem Reaktor erfolgen.

Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Abschirmzylinder, der aus Nb₃Sn-Pulver mit unterschiedlicher Körnchengrößc durch Sintern hergestellt ist. Man erkennt, daß der dem Spalt benachbarte und in seiner Form dem Feldverlauf angepaßte Stirnflächenbereich 20 aus einem feineren Ausgangsmaterial hergestellt ist als der übrige Bereich 21 des Abschirmzylinders. Dadurch ist ein Eindringen des Feldes in den Abschirmzylinder im Bereich des Spaltes und damit eine Vergrößerung der Halbwertsbreite Id praktisch verhindert, während das Feld im Bereich 21 in den Abschirmzylinder eindringen kann, selbstverständlich nicht so weit, daß es in die Strahldurchtrittsbohrung 22 eindringen und den Strahl beeinflusser kann.

Verständlicherweise behindert die erfindungsgemäße Inhomogenität der Abschirmzylinder die Anpassung der Linse an die jeweils vorliegenden Erfordernisse in keiner Weise. So können im Linsenspal weitere felderzeugende Linsenwicklungen oder, wi« ebenfalls bereits in der älteren deutschen Patentan meidung P 16146933 vorgeschlagen, Stigmatorspu len oder Spulen zur Justierung des Strahles innerhall der Linse vorgesehen sein. Auch können im Bereicl der einander abgekehrten Enden der Abschirmzylin der beispielsweise scheibenförmige Abschirmmitte liegen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Magnetische Linsenanordnung mit stromdurchflossener Linsenwicklung und mit möglichst kleiner Öffnungsfehlerkonstante, für unter Vakuum arbeitende Korpuskularstrahlgeräte, mit zwei Abschirmzylindern, die in Richtung der Achse der Linsenanordnung in einem durch die sich gegenüberstehenden Stirnflächen der beiden Abschirmzylinder begrenzten Abstand aufeinanderfolgen und koaxial zu dieser Achse angeordnet sind, wobei diese Abschirmzylinder aus supraleitendem Material bestehen, eine Bohrung für den Durchtritt des Korpuskularstrahl aufweisen und mit einem Tiefkühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehen, bei der nach Patent 1564714 der durch diesen Abstand der Stirnflächen gebildete Cinsenspalt frei von abschirmenden Teilen aus supraleitendem Material ist, bei der der Abstand so bemessen ist, daß die Öffnungsfehlerkonstante minimal ist, und bei der der Bohrungsdurchmesser der Abschirmzylinder auf den für den Durchtritt des Korpuskularstrahls erforderlichen Mindestwert bemessen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmzylinder im Bereich (22) ihrer sich den Linsenspalt bildend gegenüberstehenden Stirnflächen aus einem supraleitenden Material höherer Stromtragfähigkeit bestehen als in ihren restlichen Bereichen (21).

2. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberstehenden Stirnflächen dem Verlauf der Feldlinien folgend geformt sind.

3. Linsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächenbereiche (20) der Abschirmzylinder aus feinkörnigerem supraleitendem Ausgangsmaterial bestehen als die restlichen Bereiche (21) (Fig. 5).

4. Linsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bereiche der Abschirmzylinder aus dem gleichen supraleitenden Ausgangsmaterial bestehen und das Material der Stirnflächenbereiche die Stromtragfähigkeit erhöhende strahlungsinduzierte Gitterdefekte aufweist.

5. Linsenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Bestrahlung mit langsamen Neutronen spaltbare Materialien einlegiert sind.

6. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmzylinder aus Nb₃Sn bestehen.

7. Verfahrer zur Herstellung der Linsenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Preßform für die Abschirmzylinder Schichten aus supraleitendem Material mit im Hinblick auf die für die Stirnflächenbereiche erforderliche Stromtragfähigkeit gewählter Korngröße sowie supraleitendem Material mit einer derart gewählten Korngröße eingebracht werden, daß von dem fertigen Abschirmzylinder der Korpuskularstrahl außer im Linsenspalt gegen das Linsenfeld abgeschirmt wird, und daß nach dem Einbringen des Materials durch Druck- und Temperaturbehandlung alle Körner miteinander verbunden werden.

K. Verfahren zur Herstellung der Linsenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Formgebung der Abschirmzylinder aus einheitlichem supraleitendem Ausgangsmaterial erfolgt und dann die später den Linsenspalt bildenden Stirnflächenbereiche mit energiereichen Teilchen bestrahlt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein radialsymmetrischer Bestrahlungsgradient eingestellt wird.