DE1806891C3

DE1806891C3 - Magnetische Linse

Info

Publication number: DE1806891C3
Application number: DE19681806891
Authority: DE
Inventors: Thomas Birmingham Warwickshire Mulvey
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1967-11-03
Filing date: 1968-11-04
Publication date: 1982-03-04
Also published as: NL6815642A; GB1253652A; NL163897C; DE1806891B2; NL163897B; FR1591233A; DE1806891A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine magnetische Linse zur Fokussierung eines aus elektrisch geladenen Teilchen bestehenden Strahls auf eine Auftreffstelle eines Objekts, mit einer in .Strahlrichtung nach der Auftreffttelk' konzentrisch zur Strahlachse angeordneten ringförmigen elektrischen Spulenwicklung.

Beispielsweise aus der US- PS 29 50 390 ist es bekannt, die ringförmige elektrische Spulenwicklung einer magnetischen Linse vor der Auftreffstelle anzuordnen, so daß die Spulenwicklung den zu fökussiereriden elektrischen Teilchenstrahl umgibt. Dabei ist der Abstand zwischen der der Auftreffstelle zugewandten Stirnfläche der Spülenwicklung und der Auftreffstelle kleiner als der mittlere Wicklungsdurchmesser. Die Fokussierung mittels einer solchen vor der Auftreffstet-Ie angeordneten, den Strahl umschließenden Spulenwicklung ist beispielsweise bei Elckironcnstralil-Schneid' oder Schweißgeräten zweckmäßig. Bei manchen Anwendungen, beispielsweise bei Eleklronensonden-Röntgenmikroanalysegeräten, stört jedoch die Tatsache, daß die den Strahl umschließende Spulenwicklung, die sich über eine beträchtliche axiale Weglänge erstreckt, oft zu unerwünschten konstruktiven Beschränkungen der magnetischen Linse führt.

Bei Röntgenmikroanalysen werden beim Beschüß der zu untersuchenden Probe mit Elektronen Röntgenstrahlen emittiert, die für die im Beschußbereich enthaltenen chemischen Elemente charakteristisch sind. Diese Röntgenstrahlen werden, wenn die Spulenwicklung der magnetischen Linse vor der Auftreffstelle angeordnet ist, zu einem großen Teil von der Linsenkonstruktion abgefangen.

Dieses Problem ist bei einer aus der DE-PS 8 98 637 bekannten magnetischen Linse der eingangs genannten Art bereits behoben. Dadurch, daß bei dieser Linse iJie Spulenwicklung hinter der Auftreffstelle angeordnet ist, wird erreicht, daß der nutzbare Raumwinke'bereich der von der Auftreffstelle emittierten Strahlen (Röntgenstrahlen) möglichst groß ist

Bei den aus den beiden genannten Druckschriften bekannten magnetischen Linsen handelt es sich jeweils um gekapselte Spulen, d. h. die Spulenwicklungen sind mit Ausnahme eines kleinen Luftspalts vollständig in einen magnetisch leitfähigen Mantel eingekapselt. Bezüglich der Feldverteilung ist bei solchen Linsen die Form der Spulenwicklung als solche unwesentlich und die Feldverteilung und damit die optischen Eigenschaften hängen nahezu vollständig von der Form des Luftspalts ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Linse der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sie auch ohne magnetischen Mantel um die Spulenwicklung bereits die bestmöglichen optischen Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung du.oh die im kennzeichnenden Teil des Anspn-cns 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen magnetischen Linse ergibt sich eine sehr konzentrierte, genaue und symmetrische Fokussierung des Teilchenstrahls auf die Auftreffstelle, was bei Anwendungen der Linse in der Elektronenmikroskopie oder der Röntgen-Mikroanalyse von besonderer Bedeutung ist. um brauchbare Ergebnisse zu erzielen. Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäße magnetische Linse durch eine nur sehr geringe sphärische Aberration aus.

Bevorzugte Bemessungsverhältnisse und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Einige Ausführungsbtispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen Jie

F ι g. I und 2 zwei grundsätzliche Ausführungsbeispie-Ie einer magnetischen Linse nach der Erfindung im Axialschniu.die

F ι g. 3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele einer magnetischen linse nach der Erfindung mit einer rückwärtigen Schicht aus magnetisch leitfähigem Material und einer Kühleinrichtung,

Fig.5 eine weitere Ausgestaltung einer magnetischen Linse mit einer rückwärtigen magnetisch leitenden Schicht, und

Fig.6 eine magnetische Linse mit einer Einrichtung, weiche die Spulenwicklung auf einer den supraleitenden Zustand hervorrufenden tiefen Temperatur hält.

In Fig. I ist schematisch eine Strahlenquelle III

dargestellt, die einen gebündelten Elektronenstrahl emittiert. Zur Fokussierung dieses Elektronenstrahls 12 auf eine Auftreffstelle (Brennpunkt) Fauf einem Objekt 16 ist hinter dem Objekt eine zur Strahlachse des Elektronenstrahls konzentrische Spulenwicklung 13 angeordnet, deren der Strahlenquelle zugewandte vordere Stirnfläche mit 14 und deren hintere Stirnfläche mit 15 bezeichnet ist. Bei dem Objekt 16 kann es sich beispielsweise um eine elektronenmikroskopisch oder durch Röntgen-Mikroanalyse zu untersuchende Probe handeln.

Die Spulenwicklung 13 ist als Zylinderspule mit der axialen Länge T, dem Innenradius R1 und dem Außenradius R 2 ausgebildet. Der sich al? Mittelwert von Innenradius R 1 und Außenradius R 2 ergebende mittlere Wicklungsdu^rchmesser beträgt ein Mehrfaches des mit W bezeichneten Axialabstands zwischen der Auftreffstelle des Elektronenstrahls auf dem Objekt 16 und der vorderen Stirnfläche 14 der Spulenwicklung. Die Differenz zwischen dem Außenradius R 2 und dem Innenradius R 1 beträgt mindestens das Zwrifache der axialen Spulenlänge T.

Außerdem ist der Außenradius R 2 mindestens zweimal, vorzugsweise jedoch dreimal so groß wie der Innenradius R1 und der Außenradius R 2 beträgt vorzugsweise mindestens das Fünffache der axialen Spulenlänge T. Durch diese Bemessungsverhältnisse erhält man sehr gute optische Eigenschaften und es lassen sich so starke Magnetfelder erzeugen, daß auch Elektronen mit sehr hoher Energie fokussiert werden können, ohne daß wesentliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Wärmeabfuhr von der Spulenwicklung 13 auftreten. Wie Fig. 1 deutlich erkennen iäßt, ist der nutzbare Raumwinkelbereich vorderhalb des Objekts 16 zur Auswertung von von dem Objekt emittierten Strahlen (Röntgenstrahlen) optimal und nur durch den für den einfallenden Elektronenstrahl benötigten Raum beschränkt.

Während die in Fig. I dargestellte Spulenwicklung IJ eine flache Form hat. ist die in Fig.'¹ dargestellte Spulenwicklung 13 leicht konisch ausgebildet. Sie weist jedoch gleiche Eigenschaften wie die in Fi g. 1 gezeigte flache Spulenwicklung auf.

In F i g. 2 ist außerdem schematisch ein Röntgenstrahlendetektc/ 38 dargestellt, der vcn dem Objekt 16 emittierte, strichpunktiert dargestellte Röntgenstrahlung 39 empfängt. Dieser Röntgenstranlendetektor kann an beliebiger Stelle in dem Raumwinkelbereich zwischen dem Spulenwk'.lungsumfang 40 und dem vom Elekt-oiienstrahl 12 eingenommenen Raum angeordnet sein.

Eine Verbesserung der Eigenschaften der durch die Spulenwirklung gebildeten magnetischen Liiise läßt sich dadurch erreichen, daß man an der rückwärtigen Stirnfläche der Spulenwickluiig gemäß F i g. 3 eine Schicht 17 irr Form einer Platte aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität angordnet, wobei es sich beispielsweise um Weicheisen. Transformatorblech oder Mumetall handeln kann. Durch Verkleinerung der Reluktanz des durch die Spulenwicklung verlaufenden magnetischen Kreises !aßt sich eine höhere magnetische Flußdichte erreichen, so daß Elektronenstrahlen höherer Energie fokussiert werden können- Eine noch weitere Verkleinerung der Reluktanz erreicht man dadurch, daß auch der Umfang der Spulenwicklung mit «5 einem Ring 18 aus einer. Material hoher magnetischer Permeabilität umkleidet und gegebenenfalls auch die Vordere Stirnfläche der Spulenwicklung mit einem solchen Material in Form einer ringförmigen Platte 19 versehen wird. Der in Fig. 3 dem Innenradius der Spulenwicklung entsprechende Innenradius der ringförmigen Platte 19 kann auch größer als der Innenradius der Spulenwicklung sein.

Aus konstruktiven Gründen kann es zweckmäßig sein, die an der hinteren Stirnfläche der Spulenwicklung angeordnete, magnetisch hochpermeable Schicht zum äußeren Wicklungsumfang hin verjüngend auszubilden. Diese Ausführungsmöglichkeit zeigt Fig.4, in welcher die Spulenwicklung mit 30 und die an ihrer hinteren Stirnfläche angeordnete magnetisch hochpermeable Schicht mit 20 bezeichnet ist. In magnetischer Hinsicht bringt diese Gestaltung keine Nachteile, da die magnetische Flußdichte im radial inneren Bereich wegen der dort kleineren Umfangslänge ohnehin wesentlich größer als im radial äußeren Randbereich ist. Demgemäß kann die Verjüngung so gewählt sein, daß man im Material der Schicht 20 eine überall etwa gleiche magnetische Flußdichte erhält.

Selbstverständlich soll das durch die SpulenwicKlung 13 bzw. 30 erzeugte Magnetfeld so symmetrisch wie möglich sein. Beeinträchtigungen der MagnetHdsymmetrie können am ehesten durch Anschlußverbindungen im Bereich de:> Innenradius der Spulenwicklung verursacht werden. Eine zweckmäßige, Symmetriestörungen weitestgehend ausschließende Anschlußmöglichkeit ist in F i g. 5 ,»ezeigt Demgemäß ist zwischen der Spulenwicklung 13 und der an ihrer hinteren Stirnfläche angeordneten, die magnetisch hochpermeable Schicht bildenden Platte 17 eine dünne elektrische Leiterschicht 22, beispielsweise eine Kupferfolie, angeordnet. An dieser Leiterschicht 22 können mehrere, mit gleichen Winkeiabstäiiden am inneren Wicklungsumfang verteilten Stellen Wicklungsanschlüsse 23 angelötet sein, von denen eine in Fig. 5 dargestellt ist. Damit kann der Stromfluß zum inneren Wicklungsende in bezug auf die Wicklungsachse im wesentlichen als symmetrisch angesehen werden. Der Anschluß des äußeren Wicklungsendes hat nur unbedeutenden Einfluß auf die Symmetrie des Magnetfeldes, jedenfalls im achsnahen Bereich. Es spielt keine Rolle, ob die Spulenwicklung aus Leitungsdraht gewickelt ist (F i g. 5) oder als Spirale aus einem iso'ierten düi.nen Me;allstreifen ausgebildet ist.

Wenn stärkste Magnetfelder erforderlich sind, entste hen durch den Stromfluß in der Spulenwicklung beträchtliche Wärmemengen, die abgeführt werden müsser. Zu diesem Zweck zeigt F i g. 3 eine Anordnung zur Kühlung der Spulenwicklung. gemäß welcher die die magnetisch hochpermeable Schicht bildende Platte 17 sowie die gegebenenfalls vorhandene vordere ringförmige Platte 19 mit Kühlkanälen 24 bzw. 27 versehen ist. die über Zu· und Ableitungen 25, 26 bz'v. 28, 29 von einem Kühlmittel durchströmt sind.

Eine andere, für magnetische Linsen höchster Leistung geeignete Kühlmoghchkeit zeigt Fig. 4, τ: welcher die Spul· ,wicklung 30 selbst von Kühlkanälen

31 durchzogen ist. die über Zu- und Ableitungen 36 und 37 von einem Kühlmittel durchströmt sind. Die Kühlkanäle 31 unterteilen die Spulenwieklung in eine Anzahl konzentrischer Wicklungsabschnitte, die jeweils axial etwas gegeneinander versetzt sind. Die einzelnen Wicklungsabschnit^ sind an ringförmigen Stirnpletten

32 und 33 befestigt, und die so gebildete Spulenwicklungsanordnung isl durch einen inneren Rohrabschnitt 34 und einen äußeren Rohrabschnitt 35 dicht abgeschlossen.

Wärmewirkungen in der Spulenwicklung können vollständig ausgeschlossen werden, wenn die Spulenwicklung im supraleitenden Zustand gehalten wird. Zu diesem Zweck ist eine kryogene Einrichtung vorgesehen, welche die Spulenwicklung 13 auf einer den supraleitenden Zustand hervorrufenden tiefen Temperatur hält. Eine solche Einrichtung zeigt Fig.6. in welcher die Strahlenquelle II, das Objekt 16 und der Röntgenstrahlendetektof 38 in einer Vakuumkammer 41 angeordnet und die Spulenwicklung 13 unterhalb des

Bodens der Vakuumkammer an einer Platte 49 in einem doppelwandigen Behälter 43 so gehalterl ist, daß beide Wicklungsstirnflächen mit flüssigem Helium 42 Berührung haben. Der Behälter 43 ist mit einer Fülleitung 46 und einer Entlüftungsleitung 47 versehen. Zum weitgehenden Ausschluß eines Wärmeauslauschs zwischen dem Behälter 42 und seiner Umgebung ist der Behälter 42 in einen weiteren, mit flüssigem Stickstoff 44 gefüllten doppelwandigen Behälter 45 eingetauchu der durch einen Deckel 48 abgeschlossen ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetische Linse zur Fokussierung eines aus elektrisch geladenen Teilchen bestehenden Strahls auf eine Auftreffstelle eines Objekts, mit einer in Strahlrichtung nach der Auftreffstelle konzentrisch zur Strahlachse angeordneten ringförmigen elektrischen Spulenwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (W) zwischen der der Auftreffstelle zugewandten Stirnfläche der Spulenwicklung (13, 30) und der Auftreffstelle kleiner als der mittlere Wicklungsdurchmesser ist und daß die Differenz zwischen dem Außenradius (R 2) und dem Innenradius (R 1) der Spulenwicklung (13, 30) mindestens das Zweifache der axialen Spulenlänge (T) beträgt

2. Magnetische Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenradius (R 2) der Spulenwicfchng (13, 30) mindestens das Zweifache des Innenrauius (R 1) beträgt

3. Magnetische Linse nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet daß der Außenradius (R 2) der Spulenwicklung (13, 30) mindestens das Dreifache des Innenradius (R 1) beträgt

4. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenradius (R 2) der Spulenwicklung (13, 30) mindestens das Fünf farbe der axialen Spulenlänge (T) beträgt

5. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwicklung (13, 30) an ihrer in Strahlrichtung rückwärtigen Stirnfläche mit einer Schich. (17, 20) aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität versehen ist (F ig. 3 und 4).

6. Magnetische Linse nach Anspru;h 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der magnetisch leitfähigen Schicht (17) Kühlkanäle (24) angeordnet sind(F ig. 3).

7. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Spulenwicklung (30) Kühlkanäle (31) gebildet sind (F ig. 4).

8. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 7. gekennzeichnet durch eine Einrichtung, weiche die Spulenwicklung (13) auf einer den supraleitenden Zustand hervorrufenden Temperatur hält (F i g. 6).

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