DE1806891A1 - Einrichtung zur Fokussierung von aus geladenen Teilchen bestehenden Strahlen - Google Patents

Description

ing. B. HOLZEB

M. 466

Augsburg, den 2. November 1968

National Research Development Corporation, Kingsgate House,

66-74 Victoria Street, London, S.W.I, England |

Einrichtung zur Fokussierung von aus geladenen Teilchen

bestehenden Strahlen

Die Erfindung betrifft Einrichtungen mit einer magnetischen Linse zur Fokussierung von aus geladenen Teilchen bestehenden, von einer Strahlenquelle erzeugten Strahlen, insbesondere von Elektronenstrahlen.

Es ist bekannt, Elektronenstrahlen dadurch zu fokussieren, daß man sie axial durch ein Magnetfeld mit axialer

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Magnetfeldverteilung hindurchführt, welches durch eine stromführende, den betreffenden Elektronenstrahl umgebende Wicklung erzeugt wird. Die Fokussierung von Elektronenstrahlen ist beispielsweise bei Elektronenstrahl-Schneid- bzw. Schweißgeräten, bei Beleuehtungssystemen von Elektronenmikroskopen der Übertragungsart, bei abtastenden Elektronenmikroskopen und bei Elektronensonden-Röntgenstrahlen-Mikrountersuehungsgeräten erforderlich. Bei allen diesen Gerätearten, jedoch insbesondere bei der letztgenannten Art von Mikrountersuchungsgeräten, ist es erforderlich, einen Elektronenstrahl auf einer sehr kleinen Targetfläche zu fokussieren. Es ist erwünscht, daß der Bereich, in welchem der Strahl zu konzentrieren ist, so klein und dicht wie möglich ist und es ist demzufolge wesentlich, daß auch die Aberationen der Linse so klein wie möglich sind.

Bisher verwendete magnetische Linsen werden jeweils um den Weg des betreffenden Strahles herum angeordnet und nehmen längs dieses Strahles einen beträchtlichen Weg ein. Derart angeordnete Linsen zwingen oft zu unerwünschten baulichen und formmäßigen Beschränkungen der betreffenden Linse solcher bekannten Art aufweisender Geräte. Demgemäß finden beispielsweise in Elektronenmikroskopen magnetische Kondensorlinsensysteme Anwendung, welche so dicht um den betreffenden Elektronenstrahl herum angeordnet sind, daß ein sehr starkes

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Pumpensystem erforderlich ist, um innerhalb der eingeengten Strahlendurchgänge die gewünschten Vakuumzustände aufrechtzuhalten.

Röntgenstrahlen-Mikroanalysen sind bekanntlich von dem Nachweis von Röntgenstrahlen abhängig, die von dem mit Elektronen beschossenen Bereich einer Probe ausgestrahlt werden, da die ausgestrahlten Röntgenstrahlen für die im I Beschußbereich liegenden Elemente jeweils charakteristisch sind. Die Röntgenstrahlen werden in bezug auf die bestrahlte Probenfläche nach allen Richtungen hin ausgestrahlt, und zwar von der Flächennormalen bis nahezu flächenparallelen Winkelbereichen. Es ist ein besonderes Merkmal der vorstehend erwähnten bekannten Elektronensonden-Röntgenstrahleijk-Mikrountersuchungsgeräte, daß bei ihnen die ausgestrahlten Röntgenstrahlen über einen beträchtlichen räumlichen Winkel hinweg durch die Linsenkonstruktion abgefangen werden, durch welch λ letztere der auf der betreffenden Probe zu fokussierende Elektronenstrahl hindurchgeleitet wird. Dies hat einerseits eine nur geringe Empfindlichkeit bezüglich der Ermittlung der ausgestrahlen Röntgenstrahlen und andererseits mechanische Schwierigkeiten bezüglich des Aufbaues und der Anordnung solcher Geräte zur Folge, welche so angeordnet werden müssen, daß einerseits die betreffende Probe und andererseits das Röntgenstrahlenspektrometer beobachtet werden können, welch

letzteres zur Zerlegung der ausgestrahlten Röntgenstrahlen in ihre verschiedenen Komponenten dient.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Einrichtungen der vorstehend beschriebenen Art einen größeren Bereich der von einem betreffenden Objekt jeweils ausgestrahlten Röntgenstrahlen erfassen und hierdurch eine größere Empfindlichkeit "bezüglich der Ermittlung solcher Röntgenstrahlen erzielen zu können, wobei gleichzeitig ein bezüglich der Anwendung solcher Einrichtungen günstigerer Aufbau ermöglicht werden soll. ·

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine Einrichtung mit einer magnetischen Linse zur Fokussierung von aus geladenen Teilchen bestehenden, von einer Strahlenquelle erzeugten Strahlen gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Linse eine aus einem elektrischen Leitermaterial, vorzugsweise Leitungsdraht, bestehende Wicklung aufweist, welche die Achse des betreffenden, aus geladenen Teilchen bestehenden Strahles entweder vor oder hinter der Auftreffstelle eines bestrahlten Objektes in einem Arbeitsabstand umgibt, welcher kleiner als der mittlere Wicklungsdurchmesser ist. ■

Unter mittlerem Wickluh|sdüröhmessef ist hierbei der

Mittelwert zwischen dem äußeren und inneren Wicklungsdurch-• messer zu verstehen.

Durch die Erfindung ergibt sich demzufolge ein magnetisches Linsensystem zur Fokussierung von aus geladenen Teilchen bestehenden Strahlen, welches höchst zufriedenstellende optische Eigenschaften hat, insbesondere eine nur sehr geringfügige sphärische Aber at ion, und welches in bezug auf das zu beschießende Objekt so ausgebildet und angeordnet werden kann, daß in bezug auf den Gesamtaufbau von bekannten Geräten mit herkömmlichen magnetischen Linsensystemen wesentliche Verbesserungen erreicht werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man ein magnetisches Linsensystem mit höchst zufriedenstellenden optischen Eigenschaften dadurch erreichen kann, daß man eine aus einem elektrischen Leiter, beispielsweise Leitungsdraht { bestehende Wicklung in bezug auf ihren Durchmesser nahe des zu beschießenden Objektes anordnet, und zwar auch dann, wenn die Wicklung in bezug auf den aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl hinter dem zu beschießenden Objekt angeordnet ist.

Wenn die Wicklung nahe vor dem zu beschießenden Objekt angeordnet wird, so erhält man gemäß der Erfindung dann eine besonders kleine sphärische Aberation, wenn die Differenz

zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser der vorzugsweise ringförmigen Wicklung mindestens zweimal so groß ist wie die axiale Wicklungslänge und wenn der Wicklungsaußenradius mindestens zweimal· so groß wie der Wicklungsinnenradius ist. Hierbei ist unter der axialen Wicklungslänge die durchschnittliche Stärke der eigentlichen Wicklung in axialer Richtung zu verstehen. Die eine oder auch beide dieser Bedingungen können auch auf negativ angeordnete Wicklungen Anwendung finden, d.h. auch auf Wicklungen» die hinter dem ^Λ: zu beschießenden Objekt angeordnet sind.

Derartige Wicklungen können in an sich bekannter Weise die Form von dicken Scheiben oder Platten haben, und obwohl diese Wicklungen vorzugsweise flache Ringflächen haben, können sie selbstverständlich auch flach konisch oder gewölbt geformt sein, so daß sie'beispielsweise mit einer konkaven Fläche der die geladenen Teilchen aussendenden Quelle gegenüberstehen. Der Kegelhalbwinkel einer derart geformten Wicklung sollte nicht kleiner als 75 \ vorzugsweise jedoch nicht kleiner als 85° sein, obwohl], wenn die Wicklung hinter dem beschossenen Objekt angeordnet ist, auch noch Wicklungshalbwinkel von etwa 6O von Vorteil sein können.

Magnetische Linsen nach der Erfindung haben vorzugsweise

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eine scheibenförmige oder flache, pfannkuchenförmige Form mit einem Außenradius, der mindesteng dreimal so groß wie der Innenradius ist, wobei der Außenradius wiederum vorzugsweise fünfmal so groß wie die axiale Wicklungslänge ist. Die Gesamtheit einer solchen Wicklung nach der Erfindung kann entweder unmittelbar hinter oder unmittelbar vor dem beschossenen Objekt angeordnet sein und in dieser Anordnung auf den betreffenden Strahl eine starke Fokussierwirkung ausüben. Eine solche scheibenförmige Wicklung kann derart in ein Gerät eingebaut sein, daß der gesamte Raum zwischen der die geladenen Teilchen erzeugenden Strahlenquelle und dem beschossenen Objekt rund um den aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl herum frei bleibt, so daß dieser Raum zur Anordnung eines Strahlendetektors oder eines anderen Gerätes bzw. einer anderen Einrichtung ausgenützt werden kann. Wenn die Wicklung hinter dem zu beschießenden Objekt angeordnet wird, so besteht ein wesentlicher praktischer Vorteil darin, daß diese Wicklung in geeigneter Weise in einer kryogenen Einrichtung untergebracht werden kann, so daß sie auf Temperaturen gehalten werden kann, bei welcher sie supraleitend ist, wodurch sehr hohe Erregerströme und demzufolge auch sehr starke Magnetfelder zur Fokussierung des betreffenden Strahles möglich sind*

Gemäß einer weiteren ÄusbilduilLg der Erfindung kann die

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Wicklung der magnetischen Linse zumindest an ihrer der die geladenen Teilchen erzeugenden Strahlenquelle abgelegenen Seite eine Schicht aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität aufweisen. Diese Schicht aus magnetischem Material kann innerhalb des Wieklungsumfanges durchgehend angeordnet sein und weist vorzugsweise konzentrisch zur Wicklung einen wegnehmbaren mittleren Teil auf, so daß diese Wicklung auch derart angeordnet werden kann, daß sie den aus geladenen Teilchen bestehenden Strahl umgibt.

Die Schicht aus magnetischem Material kann sieh auch rund um den Wicklungsumfang herum erstrecken und kann auch mindestens einen Teil der Seite bedecken, welche der die geladenen Teilchen erzeugenden Strahlenquelle zugewandt ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die magnetische Rüekenschicht eine elektrische Verbindung zur , Mitte der Wicklung aufweisen.

Obwohl ein wesentlicher Vorteil der scheibenförmigen Magnetlinsenwicklung darin besteht, daß zur Erzeugung eines starken, zur Fokussierung dienenden Magnetfeldes eine verhältnismäßig hohe Stromdichte Anwendung finden kann, da eine derartige Wicklung verhältnismäßig große, zu ihrer

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Kühlung verwendbare Flächen aufweist, kann eine solche Wicklung auch durch besonders vorgesehene Kühlmittel noch zusätzlich gekühlt werden, beispielsweise, indem die genannte Schicht aus magnetischem Material oder aber der Wicklungsaufbau selbst entsprechende Kühleinrichtungen aufweisen.

Mehrere Ausführungsbeispiele einer Einrichtung nach der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 · einen schematischen Axialschnitt

einer Einrichtung nach der Erfindung,

aus welchem die relative Anordnung

einer Magnetlinsenwicklung, ferner

eines Target und eines aus geladenen

Teilchen bestehenden" Strahles ^r-

sichtlich ist, (

Fig. 2 einen der Fig, I ähnlichen Axial

schnitt einer weiteren Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung, . j

Fig. 3 einen schematischen Axialschnitt

einer magnetischen Linse nach der

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Erfindung, deren -Wicklung eine rückwärtige Schicht aus magnetischem Material und eine Anordnung zur Kühlung dieser Wicklung aufweist,

Fig. 4 einen schematischen Axialschnitt einer

nochmals weiteren Ausführungsform einer Linsenwicklung nach der Erfindung,- die ebenfalls eine Kühlanordnung und eine Schicht aus magnetischem Material aufweist,

Fig. 5 einen sohematischen Axial-Teilschnitt

einer Linsenwioklung nach der Erfindung, aus welchem eine Verbindung von der aus magnetischem Material bestehenden Schicht zu dem Inneren Ende der Linsen- · wicklung ersichtlich ist,

Fig« 6 einen sohematischen Vertikalsohnitt

einer weiteren Äusführungsform nach der Erfindung, durch welche die Linsenwicklung auf einer Temperatur haltbar • ist, bei welcher sie supraleitend ist,

und

Fig. 7 einen schematischen Axialschnitt

einer nochmals abgewandelten Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung, "bei welcher die Linsen-

wicklung vor dem Target angeordnet ist.

In Fig. 1 ist schematisch eine Strahlenquelle 11 dargestellt, die geladene Teilchen erzeugt, wobei nachstehend angenommen wird, daß es sich hierbei um Elektronen handelt, die durch in den Zeichnungen nicht dargestellte Mittel zu einem Elektronenstrahl 12 gebündelt werden. Achssenkrecht zu diesem Elektronenstrahl 12 ist konzentrisch eine Wicklung 13 angeordnet, deren der Strahlenquelle 11 zugewandte Seite mit und deren Rückseite mit 15 bezeichnet ist. Die Wicklung ist vorzugsweise im wesentlichen ringförmig und hat einen Innenradius Rl, einen Außenradiüs R2 und eine axiale Länge T. Der mittlere Wicklungsdurchmesser MD ist (R2 +Rl) und ist mehr- ( mais größer als ein mit W bezeichneter Arbeitsabstand, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Als Arbeitsabstand W 1st der Abstand zwischen der Wicklungsvorderseite und dem Brennpunkt F bezeichnet. Die. Wicklung ist gemäß der Erfindung vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Differenz (R2 -Rl) zwischen dem äußeren Wicklungsradius und dem inneren Wicklungsradius mindestens zweimal so groß wie die axiale Wicklungs-

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länge T ist, daß ferner der äußere Wicklungsradius R2 mindestens zweimal, vorzugsweise jedoch dreimal so groß wie der Wicklungsinnenradius Rl ist und daß außerdem der äußere Wicklungsradius R2 mindestens fünfmal so groß wie die axiale Wicklungslänge T ist. Bei einer derartigen Wicklung hat sich gezeigt, daß das magnetische Linsensystem höchst zufriedenstellende optische Eigenschaften aufweist und mit ihm so starke Magnetfelder erzeugbar sind, daß auch .Elektronen sehr hoher Energie fokussiert werden können, ohne daß hierbei übermäßige Schwierigkeiten bezüglich der Wärmeableitung der Wicklung 13 auftreten. Durch geeignete Erregung der Wicklung Ij5 werden die Elektronen des Strahles 12 im Arbeitsabstand W in einem Brennpunkt P eines Target fokussiert, wobei der Arbeitsabstand W der Abstand zwischen der vorderen Begrenzungslinie der Wicklung Ij5 und dem Target ist. Das Target kann beispiels-^ weise eine Probe 16 sein, in deren Oberfläche der Brennpunkt F liegt. Diese Probe 16 kann beispielsweise mikrogeschweißt oder aber ganz allgemein untersucht werden, beispielsweise als Objekt einer elektronenmikroskopischen Untersuchung oder in Form einer Elektronensonden-Röntgenstrahlen,Mikroanalyse. Für den zuletzt genannten Anwendungszweck ist die Erfindung von besonderem Vorteil, da sich durch die Einrichtung nach der Erfindung nur eine sehr kleine Einschnürung des räumlichen Winkels ergibt, über welchen hinweg die ausgestrahlten Röntgenstrahlen ermittelt werden können, während bei Verwendung

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von bekannten magnetischen Linsen dieser Winkel beträchtlich eingeschnürt wird, wie dies' eingangs bereits erwähnt wurde.

Die in Pig. 1 dargestellte Wicklung 13 hat eine im wesentlichen flache Form. Gleiche Eigenschaften weisen auch Wicklungen auf, die eine leicht konische Form haben, wie dies beispielsweise in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. In Fig. ist außerdem in Blockform schematisch ein Röntgenstrahlen-Ermittlungsgerät 38 dargestellt, welches die von der Probe längs einer strichpunktiert gezeichneten Linie 39 ausgestrahlten Röntgenstrahlen empfängt. Der Detektor 38 kann innerhalb des von dem Brennpunkt F ausgehenden, dem Umfange 40 der Wicklung gegenüberliegenden räumlichen Winkels an jeder beliebigen Stelle angeordnet sein, ausgenommen selbstverständlich den verhältnismäßig kleinen, von dem Elektronenstrahl 12 eingenommenen räumlichen Winkelbereich.

Eine Verbesserung der Linseneigenschaften kann dadurch erreicht werden, daß man an der Rückseite der Wicklung in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise eine Schicht bzw. eine Platte aus magnetischem Material anbringt. Dieses magnetische Material kann beispielsweise Weicheisen, Transformatorblech oder Mumetall sein. Durch Verkleinerung der Reluktanz des durch die Wicklung verlaufenden magnetischen Kreises kann eine höhere

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Flußdichte zur Anwendung kommen, so daß Elektronenstrahlen höherer Energie fokussiert werden können. Die Reluktanz kann weiter noch dadurch verkleinert werden, daß man auch den Wicklungsumfang mit einem Ring 18 aus magnetischem Material umgibt und gewünsentenfalls auch an der Wicklungsvorderseite magnetisches Material in Form einer ringförmigen Platte 19 anbringt. Die in Fig. J5 dargestellte ringförmige Platte 19 weist einen Innenradius auf, welcher demjenigen der Wicklung entspricht; der Platteninnenradius könnte jedoch auch größer sein als der WicklungSinnenradius.

Aus konstruktiven Gründen kann es zweckmäßig sein, die aus magnetischem Material bestehende rückwärtige Schicht bzw. Platte in ihrer Stärke zum Außenrand hin zu verjüngen, wie dies in Fig. 4 bei 20 dargestellt ist. Dies bringt keine magnetischen Nachteile mit sich, da in einer Platte gleichmäßiger Stärke die Flußdichte nahe der Plattenmitte wesentlich größer ist als am Plattenumfangsränd. Die Platte kann radial nach außen hin derart verjüngt sein, daß die Magnetflußdichte über die ganze Platte hinweg im wesentlichen überall gleich groß ist.

Die Verteilung der Magnetfeldstärke längs der Wicklungsachse wird zweckmäßigerweise anhand der Halbwertbreite be-

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schrieben. Unter Halbwertbreite ist hierbai der längs.der Wicklungsachse zwischen denjenigen Punkten einer Magnetfeldverteilungskurve gemessene Abstand zu verstehen, bei denen die Feldstärke jeweils ihren halben Maximalwert hat. PUr die

hier beschriebenen Wicklungsformen liegt die Größe der Halbwertbreite, der axialen Magnetfeldverteilung kennzeichnenderweise in dem Bereich von 2 »Rl bis 10 »Rl, wobei Rl der

Innenradius der in Fig. 1 dargestellten Wicklung ist. ^

Es ist erwünscht, daß das durch die Wicklung IJ erzeugte Magnetfeld so symmetrisch wie möglich ist. Beeinträchtigungen der Magnetfeldsymmetrie kommen am ehesten bei Verbindungen am inneren Wicklungsradius vor. Eine Möglichkeit einer derartigen Verbindung ist in Fig. 5 dargestellt; Gemäß dieser Ausführungsform ist zwischen der Wicklung IJ und der aus magnetischem Material bestehende RUckenplatte eine dünne Leiterschicht 22 beispielsweise eine Kupferfolie, i angeordnet. An diese Folie 22 kann beispielsweise durch Anlöten eine zu der Innenseite der Wicklung IJ führende Leitung 2J angeschlossen sein. Solche Verbindungen zu der Folie 22 können von mehreren, jeweils mit gleichem Abstand zueinander rund um den inneren Wicklungsumfang herum verteilten, nahe der aus magnetischem Material bestehenden Rückenplatte 17 gelegenen Stellen aus vorgenommen werden,

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so daß der Stromfluß zu dieser inneren/ zu der Wicklung führenden Verbindung in bezug auf die Wicklungsachse im wesentlichen als symmetrisch angesehen werden kann. Die Verbindung zu der Wicklungsaußenseite hat einen nur unbedeutenden Einfluß auf die Symmetrie des durch diese Wicklung erzeugten Magnetfeldes, zumindest im Bereich nahe der Wicklungsachse, welcher der wichtigste Magnetfeldbereich ist.

Fig. 5 zeigt zwar eine aus Leitungsdraht gewickelte Wicklung, abweichend hiervon ist es jedoch auch möglich, zur Bildung einer die gleichen Gesamtabmessuhgen aufweisenden Wicklung eine fortlaufende Spirale aus einem isolierten dünnen Metallstreifen zu verwenden. Falls anodisiertes Aluminiumband verwendet wird, benötigt dieses außer der Oxydsohicht keine besondere Isolation, da der Spannungsabfall^v von der einen Windung zu der jeweils nächstfolgenden Windung fc verhältnismäßig klein ist. Derartige, nahezu aus einem festen Körper bestehende Wicklungen begünstigen insbesondere die Wärmeableitung.

. Wenn stärkste Magnetfelder erforderlich sind, so werden ! · durch den hierfür erforderlichen Strom in dem Wicklungsaufbau' beträchtliche Wärmemengen erzeugt. Um hierbei mögliche Beschädigungen des Wicklungsaufbaues zu vermeiden, sind

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entsprechende Kühlanordnungen erforderlich. Diese Kühl-' anordnungen können beispielsweise die Form von in der aus magnetischem Material bestehenden Rückenplatte gebildeten Kanälen haben, durch welche ein Kühlmittel hindurchströmt. Ein AusfUhrungsbeispiel einer solchen Anordnung ist in Fig. jj dargestellt. Die Stirnseite 15 der Wicklung Ij5 ist eng anliegend mit der aus magnetischem Material bestehenden Rücken- f platte 17 verbunden, so daß zwischen diesen beiden Teilen ein guter Wärmeübergang gebildet ist. Die Verbindung zwischen der aus magnetischem Material bestehenden Platte 17 und der Wicklungsseite 15 kann beispielsweise aus einem Epoxiharz bestehen, in welches pulverisiertes Metall oder andere Substanzen hoher Wärmeleitfähigkeit eingemischt sind. Ίη der aus magnetischem Material bestehenden Rückenplatte ist eine Vielzahl von Kanälen 24 gebildet, die einen gemeinsamen Einlaß 25 und einen gemeinsamen Auslaß 26 aufweisen. Die j

Kanäle haben die Form einer Spirale und verlaufen so dicht wie nur ausführbar hinter der, der Wicklung zugewandten Stirnseite dieser Rückenplatte. Die Kanäle 24 können auch die Form von in die Rückenplatte eingegossenen Rohren haben. Abweichend hiervon können diese Kanäle 24 auch in die betreffende Stirnfläche dieser Rückenplatte eingefräst und durch eine dünne aufgeklebte Folie abgedeckt sein, welch letztere entweder aus magnetischem oder auoh unmagnatisohem Material

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bestehen kann und welche so dünn sein kann, daß durch sie die Reluktanz des magnetischen Kreises nicht merklich erhöht wird..Es kann auch erwünscht sein, die Wicklung an ihrer vorderen Stirnseite ebenfalls zu kühlen, was in gleicher Weise durch eine Anzahl von Kanälen 27 erreicht werden kann, die einen Einlaß 28 und einen Auslaß 29 aufweisen. Die mit diesen fe Kanälen 27 versehene Platte 19 kann entweder vollständig oder teilweise aus magnetischem Material oder aber vollständig aus unmagnetischem Material bestehen.- Gewünschtenfalls kann auch die Platte 17 aus unmagnetischem Material bestehen, und zwar dann, wenn infolge des Linsenaufbaues kein Magnetflußweg mit kleiner Reluktanz erforderlich ist.

PUr Linsen höchster Leistung kann es erwünscht sein, eine in bezug auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen andere Wicklungskonstruktion zu verwenden, durch welche die Kühlung in stärkerem Maße unterstützt wird. Eine in diesem Sinne abgewandelte Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. Die Wicklung dieser abgewandelten Ausführungsform ist in , ' einer Vielzahl von konzentrischen Wicklungsabschnitten J5O

gewickelt, welche abwechselnd in axialer Richtung zueinander ι - . '

derart versetzt sind, daß zwischen den einzelnen Wioklungsabschnitten Kanäle yi., gebildet sind» Die einzelnen Wicklungs« absohnitte sind jeweils abwechselnd an ringförmigen Platten j52,

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ft

befestigt und die ganze Anordnung ist durch, einen inneren Rohrkörper 34 und einen äußeren Rohrkörper 35 dicht abgeschlossen. Die Kanäle j51 werden über einen Einlaß J>6 und einen Auslaß 37 mit Kühlmittel versorgt. Um eine Störung der Magnetfeldsymmetrie der Linse durch eine dem Einlaß 36 zugeordnete Leitung zu vermeiden, besteht letztere aus unmagnetischem Material. Da bei dieser Konstruktion das Kühlmittel unmittelbar mit den Wicklungsabschnitten Berührung hat, ist es erwünscht, daß als Kühlmittel ein inertes Medium mit guten dielektrischen Eigenschaften verwendet wird. Ein geeignetes Strömungsmittel ist beispielsweise Transformatorenöl.

Wärmewirkungen in der Wicklung können vollständig vermieden werden, wenn diese Wicklung unter Bedingungen Anwendung findet, bei denen sie supraleitend ist. Für solche Bedingungen ist eine Anordnung besonders vorteilhaft, bei welcher der Elektronenstrahl in einem zwischen der Elektronenquelle und ( der Linsenwicklung angeordneten Brennpunkt fokussiert wird, wie dies in Pig. 1 dargestellt ist, da bei einer derartigen Konstruktion auch durch eine sehr umfangreiche kryogene Einrichtung der Strahlenweg der von der Probe l6 ausgestrahlten Röntgenstrahlen nicht versperrt wird, wie dies bei den üblicheren Linsenarten der Fall ist, die zwischen der Elektronenquelle und dem Brennpunkt des Elektronenstrahles angeordnet sirü.

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line Einrichtung nach der ErßiRclurig:,, f|ie n- Bedingungen arbeitet _? kann

in iig* 6 seshematisoh 4argestellten AjJtffe,a_$ haben. D;f.e, die geladenen Teilchen erzeugende Stpah^en^uelle Ii-, fernerdie £rQbe 16 und der Röntgenstrahlende 1jeki?i!?;p %8>, §ind inriephalb eines e¥akuierbaren EfehSuses 41 an-geGrdnpt^ das fön einer Platte 48 gehalten i$%vä; Die elektri^e^en der Strahlenquelle 11 und des petektqrs, 3& sind Zeichnungen nicht-dargestellt. Die Wicklung V*>„ deren elektrische Anschlüsse ebenfalls nicht dargestellt sind, tyird mit kurzem Abstand unterhalb des Bodens des Gehäuses ^l von einer Platte 49 so gehalten, daß beide Wicklungsstirnseiten unmittelbar mit flüssigem Helium 42· Berührung haben, welches sich in einem doppelwandigen Behälter 43 befindet, der durch.die Platte 49 abgedeckt ist. Für die Verwendung unter supraleitenden Bedingungen besteht der Leitungsdraht der Wicklung vorzugsweise aus einer Legierung aus Niobium und Zirkonium oder einer Legierung aus Niobium und Titan oder Niobium-Starmid (Nb^Sn). Der Behälter 43 kann über eine Leitung 46 gefüllt werden, zu welchem Zwecke auch eine Entlüftuhgsleitung 47 vorgesehen ist. Eine oder auch beide Leitungen können an nicht dargestellte Vorrichtungen angeschlossen sein, welche dazu dienen, das sich von der flüssigen Heliumphase 42 verflüchtigende Helium zu sammeln und für die erneute Verwendung zu speichern. Um die Wärmeübertragung zu dem Behälter

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und zu seinem Inhalt weitgehend einzuschränken, kann dieser Behälter 4;5 in flüssigen Stickstoff 44 eingetaucht sein, welcher sich in einem doppelwandigen Behälter 45 befindet, •der durch die Platte 48 abgedeckt ist.

In besonderer Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung weist die Wicklung beispielsweise einen Innenradius von Rl = J5,3> cm und einen Außenradius von R2 = 10 cm auf, so daß das Verhältnis ~| « J5 ist. Wenn der Elektronenstrahl eine Beschleunigungsspannung von 25 kV und die Wicklung eine magnetomotorische Kraft von 2 700 A/Wdg aufweist, so erhält man bei einer Anordnung nach der in Fig. 1 dargestellten Art einen Arbeitsabstand von minus 1 cm, d.h. der Brennpunkt des Elektronenstrahles liegt zwischen der Strahlenquelle und der fokussierenden Wicklung.

Nach einem weiteren besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Wicklungsinnenradius Rl = 2 cm und der Wicklungsaußenradius R2 = 11,4 cm groß, so daß das Verhältnis ~| = 5,7 beträgt. Wenn hierbei der Elektronenstrahl eine Beschleunigungsspannung von ^O kV und die Wicklung eine magnetomotorische Kraft von 1 600 A/Wdg aufweist, so erhält man einen Arbeitsabstand von minus 2 cm.

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Fig, 7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, gemäß welcher die Wicklung 13 abweichend von. den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vor dem Target 1β angeordnet , ist. Der im Target fokussierte Brennpunkt F des von der Wicklung 13 umgebenen Elektronenstrahles 12 liegt mit einem Arbeitsabstand W hinter der inneren Begrenzungslinie dieser Wicklung 15. Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Wicklung derart angeordnet ist, daß der Arbeitsabstand W kleiner als der mittlere Wicklungsdurchmesser MD ist, während die Differenz (R2 - Rl) zwischen dem Wicklungsaußenradius und dem Wicklungsinnenradius mindestens zweimal so groß wie die axiale Wicklungslänge T und der Wicklungsaußenradius R2 mindestens zweimal so groß wie der Wicklungsinnenradius Rl ist, dieses magnetische Linsensystem mit dem vor der Wicklung angeordneten Target ebenfalls sehr zufriedenstellende optische Eigenschaften aufweist und auch starke Magnetfelder erzeugen kann, mittels welchen auch Elektronenstrahlen hoher Energie fokussierbar sind.

Die in Fig. 4 dargestellte Konstruktion, bei welcher die Wicklung eine aus megnetischem Material bestehende Rückenschicht bzw. RUckenplatte aufweist, kann gewünschtenfalls derart abgeändert werden, daß Sie auch bei einer Einrichtung nach der in Fig. 7 dargestellten Art Anwendung finden kann. Zu diesem Zwecke kann die rückwärtige Platte beispielsweise

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einen zu der Wicklung z,entris.chen, wegnehmbaren Teil 21 aufweisen! so, daß bei weggenommenem Teil 2% die Elektronen des Strahles 12 unter geeigneten Bedingungen bezüglich der Wieklungserregung und der Elektronenenergie durch die so gebildete öffnung hindurchtreten können und in einem an der, der strahlenquelle abgewandten Wicklungsseite gelegenen Brennpunkt fokusslerbar s.ind.

Es ist ersichtlich, daß, insbespndere zur Ableitung der in der Wicklung des magnetischen Linsensystems erzeugten Wärme, die Wicklung so konstruiert sein kann, daß sie sich in ihrer axialen Stärke, ausgehend vom Innenradius, radial nach außen hin verjüngt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wäre dann unter axialer Wicklungslänge T die durchschnittliche axiale Wicklungsstärke zu verstehen. In. gleicher Weise entspricht bei einer sich nach außen hin verjüngenden, in ihrer Gesamtform kegelförmigen Wicklung der Kegelwinkel dem durchschnittlichen Kegelwinkel, der sich aus den Kegelwinkeln der beiden WicklungsStirnflächen ergibt.

Claims (11)

1. Fa t en t ans prücshe

   1, Einrichtung mit einer magnetischen Linse zur
   Fokussierung von aus geladenen Teilchen bestehender, von einer Strahlenquelle erzeugten Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Linse eine aus einem elektrischen Leitermaterial,

   fe vorzugsweise Leitungsdraht* bestehende Wicklung (13) aufweist, welche die Achse des betreffenden, aus geladenen Teilchen bestehenden Strahles (12) entweder vor oder hinter der Auftreffstelle (F) eines bestrahlten Objektes (16) in einem Arbeitsabstand (W) umgibt, welcher kleiner als der mittlere Wicklungsdurchmesser (MD) ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   • daß die ringförmige Wicklung (I3) in Richtung des betreffenden Strahles (12) vor der Auftreffstelle (F) des bestrahlten Objektes (16) angeordnet ist, daß ferner die Differenz (R2 - Rl) zwischen dem Wicklungsaußenradius (R2) und dem Wicklungsinnenradius (Rl) mindestens zweimal so groß ist wie die axiale
   Wicklungslänge (T) und daß der Wicklungsaußenradius mindestens zweimal so groß ist wie der Wicklungsinnenradius (Fig. 7)·
3. 3· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
   daß die ringförmige Wicklung (I3) in Richtung des aus geladenen

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   .Teilchen"bestehenden Strahles (12) hinter der Auftreffstelle (F) des bestrahlten Objektes (16) angeordnet ist und daß die Differenz (R2 - Rl) zwischen dem Wicklungsaußenradius und dem Wicklungsinnenradius mindestens zweimal so groß ist wie die axiale Wicklungslänge (T) (Pig. 2, 6).
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsaußenradius (R2) mindestens zweimal so groß

   ist wie der Wicklungsinnenradius (Rl). (j
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß.der Wicklungsaußenradius (R2) mindestens dreimal so groß ist wie der Wicklungsinnenradius (Rl).
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß der Außenradius (R2) der ringförmigen Wicklung (1>) mindestens fünfmal so groß ist wie die axiale Wicklungslänge (T). a
7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (I3) zumindestens an ihrer der Strahlenquelle (11) der geladenen Teilchen abgewandten Seite (15 bzw. JjJ) eine Schicht (17 bzw. 20) aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität aufweist (Pig. j5 bzw. 4).

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8. 8. Einrichtung nach Anspruch ¹J₃ dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Materialschicht (20) einen wegnehmbaren mittigen, zu der Wicklung (lj5) konzentrischen Teil (21) aufweist (Fig. 4). . ; .; ' -
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der aus magnetischem Material bestehenden Schicht .(17) eine Anordnung (24) zur Kühlung der Wicklung (12) untergebracht ist (Fig. 3).
10. 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (j50) zum Zwecke ihrer Kühlung innerhalb des Wicklungsaufbaues eine entsprechende Kühlanordnung (31) aufweist (Pig. 4).
11. 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel (42 bzw. 49) zur Aufrechterhaltung einer Temperatur, bei welcher die Wicklung (IJ) supraleitend ist (Pig. 6).

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