DE2028126A1 - Fokussier und Ablenksystem fur einen Strahl von geladenen Teilchen - Google Patents

Description

«II· Il

2028129

Hikagaku Kenkyusho
Kitaadachi (Saitama, Japan)

Fokussiar- und Ablenksystem für einen Strahl
von geladenen Teilchen

Die Erfindung betrifft ein System zum Fokussieren und
Ablenken eines Elektronenstrahls und hat die Aufgabe,
den Durchmesser des von dem Elektronenstrahl auf der bestrahlten Fläche erzeugten Brennflecks zu verkleinern und den Elektronenstrahl mit höherer Genauigkeit abzulenken
als in den bekannten Systemen·

Ein dünner Elektronenstrahl, der in zwei Dimensionen, von . oben nach unten und von links naoh rechts, abgelenkt wird, kann für sehr viele Zwecke verwendet werden, beispielsweise in Kathodenstrahlröhren von Fernsehgeräten und Instrument en zur Wellenformaberwaohungjr ferner für Peraseh-Biläaufnahmeröferen, z. B. Vidikon- und Orthökoa-Hüfcrea, ferner

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für Elektronenstrahlspeicher, Elektronenstrahl-Bearbeitungsvorriohtungen und mit Elektronenstrahlabtastung. ar-'beitende Mikroskope. Bei allen diesen Anwendungen des Elektronenstrahls tastet dieser ein'zweidimensionales Muster ab. Sie Genauigkeit des abgetasteten Musters wird erhöht, wenn man die Größe des Brennpunktes des Elektronenstrahls herabsetzt. Ferner muß die Richtung des zum Abtasten einer Fläche verwendeten, abgelenkten Elektronenstrahls mit hoher Präzision und guter Reproduzierbarkeit bestimmt werden. Die Erfindung schafft ein Elektronenstrahl-Fokussierungs- und -Ablenksystem, in dem die vorstehend angegebenen Forderungen dadurch erfüllt werden, daß in nächster Nähe der mit Elektronenstrahlen zu bestrahlenden Fläche ein sehr kurzbrennweitiges elektronenoptisches Linsenelement angeordnet und synchron mit der Ablenkung des Elektronenstrahls bewegt, oder der Winkel verändert wird, unter dem der Strahl auf dem kurzbrennweitigen linsenelement auftrifft.

Die Erfindung schafft somit zum Fokussieren und Ablenken eines Strahls aus geladenen Teilchen ein System mit einer Quelle von geladenen Teilchen, die dazu dient, einen Strahl von geladenen Teilchen zu erzeugen und die Richtung des Strahls elektromagnetisch abzulenken, und mit einer mit dem Strahl zu bestrahlenden Fläche oder einem mit dem Strahl zu bestrahlenden Schirm. Dieses System ist dadurch gekennzeichnet, daß entweder im Bereich des Schirms eine oder mehrere elektromagnetisch erzeugte, kurzbrennweitige Linsen angeordnet und die elektromagnetisch erzeugte Linse synchron mit der Ablenkung des Strahls elektromagnetisch verlagert

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wird oder daß zwischen der Strahlquelle und dem Schirm mindestens zwei Sätze von Kitteln zum Ablenken des geladenen Strahls vorgesehen sind, so daß der Ort und die Richtung, an dem bzw. in der der Strahl auf der Linse oder der Gruppe von Linsen einfällt, unabhängig voneinander gesteuert werden können und der Strahl daher auf einen sehr kleinen, gewünschten Bereich des Schirms fokussiert werden kann« Dieses neuartige System ermöglicht eine Verkleinerung des von dem Strahl auf dem Schirm gebildeten Brennpunktes und · eine genauere Ablenkung des Strahls.

Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung gehen aus der nachstehenden Be-Schreibung eines Ausführungsbeispiela der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen hervor. In diesen zeigt

Fig. 1 schematisch ein elektronenoptisches System üblicher Art zum Abtasten eines Schirms mit einem Elektronenstrahl,

Pig. 2 schematisch ein optisches System, in dem der Elektronenstrahl der Hg. 1 durch einen lichtstrahl ersetzt ist, um die Erläuterung zu vereinfachen. . .

Pig. 3 und 4 sind echematische Darstellungen zur Erläuterung ■ des Erfindungsgedankens anhand eines optischen Systems· Dabei zeigt Pig. 3 eine Anordnung mit einer einzigen Linse und Pig. 4 eine Anordnung mit mehreren Linsen«

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Pig. 5 und 6 sind schematische Darstellungen eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt Pig. 5 eine Anordnung mit elektrostatischen linaenelementen und Pig. 6 eine Anordnung mit elektromagnetisch erzeugten Linsenelementen·

Pig, 7 erläutert die Wirkungsweise des Systems nach Pig. 6, ■

) Pig. 8 die Wirkungsweise des Systems nach Fig. 5.

Pig. 9 erläutert die erfindungsgemäß erzielbare Genauigkeit der Ablenkung anhand eines optischen Systems.

Pig. 10 erläutert schematisch eine Ausführungsform der Erfindung mit zwei Ablenksystemen,

Pig. 1t zeigt in größerem Maßstab einen 2eil der Pig. 10 zur Erläuterung der Afclenkgehauigkeit·

Pig. 12 erläutert eine Anordnung mit drei Ablenksystemen.

W Pig· 13 erläutert eine Anordnung mit kombinierten Ablenksystemen und

Pig* H zeigt in einem Vertikallängssohnitt eine doppeltablenkende Kathodenstrahlröhre gemäß der Erfindung.

Nachstehend wird der Erfindungegedanke anhand eines gewöhnlichen optischem Linsensystem anstatt eines elektronenoptische Linsensystem erläutert.

Pig. 1 zeigt den Aufbau einer üblichen Elektronenstrahlquelle. Dabei ist mit K eine Elektronen emittierende Kathode und G- eine Elektrode mit einer Blende S bezeichnet, 1,Ii t GA1 und GA2 sind Beschleunigungselektroden und mit G-L ist eine Elektrode zur Erzeugung einer elektrostatischen elektronenoptischen Linse bezeichnet. SO ist der mit dem Elektronenstrahl zu bestrahlende Schirm und DP eine Ablenkelektrode. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß in dieser Elektronenatrahlquelle die Kathode K das Potential Hull hat; in diesem Pail liegt an den Beschleunigungselektroden GA1 una G-A2 eine positive Spannung und an der linsenerzeugenden Elektrode Gl eine niedrigere positive Spannung als an den Beschleunigungselektroden G-AT und GA2. An der mit der Blende S versehenen Elektrode G- liegt gewöhnlich eine schwache negative Spannung. Ein von der Kathode K erzeugter Elektronenstrahl EBa oder EBb wird infolge der Linsenwirkung der Elektroden syst erne GrJU , G-L, G-A2 auf den Schirm SO fokussiert« Der Ort, an dem der Strahl auf dem Schirm einfällt, wird «durch eine Ablenkspannung gesteuert, die an der Ablenkelektrode DP liegt. Anstelle des vorstehend beschriebenen Elektronenstrahl-Folcussierungsaystems mit einer elektrostatischen Linse wJC V läufig auch ein System verwendet, in der als Pokussierlinse eine für den Elektrodenstrahl elektromagnetisch erzeugte Linse verwendet wird, die in ELg₀ 1 mit PO bezeichnet ist. Man kann den Elektro-

' nenstrahl auch elektromagnetisch ablenken, wobei ein Ablenkstrom durch eine in Pig. 1 bei DO aagedeutete Ablenkspule fließt. Jedes dieser Fokus si erver fähr en führt de. zu, daß das elektronenoptische System auf dem 9chlrB SO ein Bild SPa

' oder SPb der Blende 3 erzeugt«

Die Beziehung zwischen dem Durohmesser d_? des von dem Elektronenstrahl auf dem Schirm gebildeten Punktes und ' dem Durchmesser d. der Blende wird ausgedrückt durch

cL₂ = d^/02 (1)

Dabei ist mit θ der Austrittswinkel des Elektronenstrahls aus der Blende und mit θ₂ der Einfallswinkel des Strahls auf dem Schirm bezeichnet. Die von dem» elektronenoptischen Linsensystem bewirkte Vergrößerung ist M = θ/θρ. Bei einer Herabsetzung dieser Vergrößerung wird auch der Punktdurchmesser dp entsprechend kleiner. Zum Ablenken des Elektronenstrahls muß jedoch der Abstand Ip zwischen der elelrtronenoptischen Linse und dem Schirm SO mindestens ebensogroß sein wie die Strecke D, über die der Elektronenstrahl abgelenkt werden soll· Damit die Intensität des Elektronenstrahls genügend groß ist, kann der Abstand 1. zwischen der elektronenoptischen linse und der Blende S nicht über einen bestimmten Grenzwert hinaus vergrößert werden<. Die Beziehung zwischen der Bildvergrößerung M und den Abständen 1. und Ip kann daher wie folgt ausgedrückt werdent

M = Q₁Ze₂ = (I₂Zl₁) / V₁A₂ (2)

Dabei ist mit V₁ das auf di· Elektronen beschleunigend wirkende Potential- in der Nähe der Blende und mit V das auf die Elektronen beschleunigend wirkende Potential in der Näh· des Schirm· beaeioha·*. Die in dip Qleiohung (2) ein-BUS·tuende Spannung i*t im »teeatliohtn von de» Anwendungamoic abbftnfig. d*b T«ri*ltai* der Abstände l_g bu I₁

_ 7 —

kann bei gewöhnlichen Elektronenstrahlgeräten nicht sehr klein sein« Aus diesem Grunde liegt die Vergrößerung M gewöhnlich im Bereich von 1 - 10 und ist es sehr schwer, den Pun.rtdurchmesser d_ zu verkleinern. In Pig. 1 sind mit SPa und SPb zwei Punkte auf der Ablenkfläche bezeichnet. Der Ablenkwinkel zwischen diesen Punkten ist mit ^C bezeichnet.

Um die Erläuterung zu vereinfachen, ist in Fig. 2 der ' Elektronenstrahl der Pig. 1 durch einen lichtstrahl ersetzt.

In Fi£r. 2 ist mit 3DA eine Lichtquelle, mit S eine Lichtaustrittsblende und mit LE eine Linse bezeichnet. Diese drei Seile bilden zusammen einen Lichtprojektor. Ein aus der Linse LE austretender Lichtstrahl LBa oder LBb wird unter Bildung eines Punktbildes SPa oder SPb auf einem Schirm SO fokussiert. Zum Ablenken des Lichts kann man beispielsweise den Projektor (LE, S und LA) gegenüber einer Horizontalen durch eine gedachte Schwenkachse D um einen Winkel cL ablenken» so daß man den Punkt SPa oder SPb erhält. Wenn das optische System die Vergrößerung M und den Blendendurchmesser d.. hat, beträgt der Punktdurcfcmeeser, d«

Bei einer Vergrößerung M, einem Abstand I* awischen^ der Linse LE und der Blende 0, einem Abstand !„zwischen dem Schirm SO und der Lins* LE, einem Austrittswinkel ,€L des Lichts aus der Blende lind einem Einfallswinkel Ba .auf dem Schirm ist ' ..--. ^:"-

j Off U /HfS

μ - 9^e₂ - I₁A₂ (4)

In der Anordnung nach Figo 2 ist I₂ und damit auch die Vergrößerung M sehr groß, so daß der Durchmesser d_? des Punktes auf dem Schirm nicht verkleinert werden kann.

Sie Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber diesen bekannten Anordnungen dar, weil sie eine Verkleinerung des Punktdurchmessers d~ ermöglicht.

In Fig. 3 ist der Erfindungagedanke anhand eines optischen Systems erläutert.

Die mit S₁ IAf 8, IiEf IiB und SC bezeichneten Teile entsprechen den gleich bezeichneten Teilen in Hg. 2. Erfin- dungsgemäß iat vor dem Schirm eine Linse UM mit kurzer Brennweit· angeordnet, so daß der Lichtstrahl IiBa stark konvergent und der Einfallswinkel Θ. des Lichtstrahls auf dem Schirm größer und infolge der Beziehung M « ®-j/©o d-ie Vergrößerung M kleiner ist· Der Durchmesser des Lichtpunktes

_{3 1} ( 5)

ninat daher ab·

Der Abstand Z der optischen Achse OZ der Linse IU von der Horlßontalen durch die Schwenkachse S muß synchron und gleichsinnig mit dem Ablenkwinkel oC des Lichtstrahls verändert werden« Bei einem Abstand d zwischen der Schwenk achse D und dem Schirm SO miß die Linse ZU so bewegt werden, daß die Beziehung

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' Λ

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- 9 - ■

X = d tg oC (6)

erfüllt ist.

In diesem Pall "braucht die in der Nähe des Schirms angeordnete kurzbrennweitige linse IiM nicht aus einem einzigen Linsenelement zu bestehen, wie dies in Pig. 3 dargestellt ist, sondern kann die Linse LM gemäß Pig. 4 durch eine aus einer Reihe von Linsenelementen bestehende Anordnung LMP ersetzt werden. Wenn in diesem Pail die Linsenelemente in regelmäßigen Abständen λ nebeneinander angeordnet sind, darf der Lichtstrahl auch in der ITähe der optischen Achse auf eines der Linsenelemente auftreffen·

In diesem Pail muß der Abstand χ der aus mehreren Linsenelementen bestehenden Anordnung von der durch die Schwenk-" achse D gehenden Horizontalen die Beziehung

χ + η ^ a d tg'oC (7)

erfüllen, in der η eine ganze Zahl oder Null isti Der Abstand χ braucht daher nicht größer zu sein als λ .

Erfindungsgemäß wird nun der vorstehend anhand eines optischen Systems erläuterte Gedanke .auf die Fokussierung eines 'Elektronenstrahls angewendet· . .--.-;

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird naohstahend an-.hand der Piguren 5 und 6 ausführlich beschrieben· " ;

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COPY

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I ι

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In den figuren 5 und 6 iat mit EG eine Elektronenstrahlquella bezeichnet, die imstande ist, auf übliche, vorstehend beschriebene Weise einen abgelenkten Elektronenstrahl zu erzeugen« Mit SO ist ein Schirm bezeichnet, der mit einem Elektronenstrahl abgetastet werden soll. Gemäß Fig. 5 ist eine Gruppe von dünnen leitern GDL knapp vor dem Schirm SO angeordnet. Wenn an diese Leitergruppe eine geeignete Spannung angelegt wird, erhält man ein elektrostatisches Linsenelement LMP, das bewirkt, daß aus demselben 'Grund wie in dem optischen System der Punktdurchmesser d^ sehr klein wird.

In Pig, 6 sind in der Rahe des Schirms SC Spulen LCP angeordnet, die ein Magnetfeld H erzeugen, so daß ein magnetisches Linsenelement LMP vorhanden ist, das ebenso wirkt wie das elektrostatische-Linsenelement in Fig. 5.

Der Abstand X des elektronenoptischen Linsenelements das ein elektrostatisches oder magnetisches Element sein kann, von der durch die Blende S gehenden Horizontalen muß synchron mit dem Ablenkwinkel °*" des Elektronenstrahl a verändert werden· Da diese Veränderung elektrisch bewirkt wird, kann sie sehr schnell erfolgen· Besonders bei Verwendung von mehreren Linsenelementen kanu man zum Bewegen der Linsenelemente eine sehr einfache Schaltung verwenden· Dies wird nachstehend anhand von magnetischen Linsenelementen erläutert. . '

7 zeigt Spulen LCP₁ die den in 31g· 6 gezeigten gleichen und durch die Ströme rechtwinklig zu der Zeichenebene fließen» Es fließt ein Strom I^ durch jede Spul« 1 aufwärts

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und durch jede Spule \^% abwärts. Perner fließt ein. Strom I₂ durch jede Spule 2 aufwarte und durch jede Spule 2· abwärts· Man kann jetzt wie in einem Motor mit längsbewegung einen Strom dazu verwenden» das Magnetfeld so zu bewegen, daß der Abstand X einen gewünschten Wert besitzt« Wenn die Abstände zwischen gleichbezeichneten Spulen den Wert Λ haben, kann das magnetische Linsenelement nur dann den Abstand X erhalten, wenn die verwendeten Ströme den Bedingungen

1₁ = I cos (2 Tl/A )

1₂ « I sin (2Ττ/λ )

entsprechen. In diesem Jail befindet sich die lütte der optischen Achse des Linsenelaments an ö.3r Stelle» an welcher die z-Komponente des Magnetfeldes (in ^Jer Rlohtung. aus welcher der Elektronenstrahl ■ «infällt) semen Spitzenwert hat· —-Es werden daher dieselben ^anktirrpn erhalten wie mit mehreren konvexen Linsenelementen I2£P in Ia^. 7· Zum Bewegen des Linsensystems braucht man nur die zwei Ströme X., und I₂ au verändern. Fig. 7 zeigt einen Zustand, in dem I₂ * O und I^ > O ist. ■ . ." - '

Fig. 8 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel mit elektrostatischen Linsenelementen. Wenn an aufeinanderfolgend· Leiter SDL₁ die den Leitern GDL in Ag· 5 entsprechen, vier verschiedene Spannungen T₁, V₁, Y₂ und V· angelegt werden, die beispielsweise den Beziehungen

-V₁ « Y₁ m γ co« (2 Ti/ h ) - V₂ - V₂ - V «in (2 Τ2/Λ )

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entsprechen, und Leiter, an denen gleiche Potentiale liegen, in den Abständen A voneinander angeordnet sina, können die in Pig· 8 mit UvIP bezeichneten elektrostatischen linsenelemente in die Stellung gebrächt werden, die dem Abstand X entspricht. In der.in Fig. 8 gezeigten Stellung der Linsenelemente ist Y_ = V ₂ = 0, V¹.. > 0 und V- < 0.

Bei Verwendung einer gewöhnlichen Vidikonröhre mit elektromagnetischer Fokussierung und elektromagnetischer Ablenkung als Elektronenstrahlquelle EG in dem in Fig. 6 ge !zeigten System mit magnetischen Linsenelementen konnte beim Betrieb des Systems mit einer Beschleunigungsspannung von 300 V zwischen der Kathode IC und der Elektrode G, einem Abstand )\ von 4 cm zwischen einander entsprechenden Spulen LOP und einem Magnetfeld H von etwa 200 Gauss der Leuchtfleck auf etwa ein Fünftel der normalen Größe verkleinert werden.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß die Erfindung eine beträchtliche Verkleinerung des Durchmessers des Elektronenstrahls auf dem Schirm gegenüber den mit üblichen Systemen erzeugten Strahldurchmessern ermöglicht. Die Erfindung führt zu dem weiteren Vorteil, daß sie die Genauigkeit der Ablenkung des Elektronenstrahls beträchtlich verbessert.

In dem in Fig. 1 dargestellten, üblichen Elektronenstrahlablenksystem ist die Genauigkeit des Ortes, an dem der Strahl auf dem Schirm einfällt, direkt von aem Ablenkwinkel oC abhängig. Dagegen geht aus der Fig. 9 anhand einer optischen Anordnung hervor, welche Genauigkeit der Ablenkung durch die Anwendung der Erfindung erzielt werden kann. Dabei

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haben die Bezugszeichen LM, OX und SO dieselbe Bedeutung wie in Fig, 3, doch hat die Fig. 9 einen größeren Maßstab. Es ist mit XM eine Linse» mit OX deren optische Achse und mit SG der Schirm bezeichnet. Da der 11 diaprojektor wie in Fig. 3 entfernt angeordnet ist, fällt der Lichtstrahl auf der Linse LM in Form eines Stroms von im wesentlichen parallelen Einzel-Lichtstrahlen ein. Selbst wenn die Lichtstrahlen in dem Projektor abgelenkt werden, z. B. in Fig. von IiEL nach LB₂ > erzeugen sie auf dem Schirm ein Bild an ein und demselben Punkt, der auf der optischen Achse OX liegt. Die Ablenkung der Lichtstrahlen von LB₁ nach LB₂ hat daher nur dann eine störende Wirkung, wenn die Licht- strahlen nicht mehr auf dem Linsenelement LM einfallen. Dasselbe gilt für den Elektronenstrahl, bei dem die Genauigkeit des primären Ablenkvorganges nur dann genügt, wenn der Strahl in den wirksamen Bereich der Linse gelangt. Dieser wirksame Bereich hat den Durchmesser λ . Die Lage der optischen Achse OX der Linse ist so gewählt, daß bei Verwendung eines elektrostatischen oder eines magnetischen Linsenelements, das wie in Fig. 5 oder 6 von Leitern bzw. Spulen erzeugt wird, die optische Achse OX gegenüber den ortsfesten Leitern oder Spulen etwas versetzt ist, so daß die Lage der Achse OX mit großer Genauigkeit bestimmt werden kann.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, in denen die Bewegung eines kurzbrennweitigen elektronenoptischen Linsenelementg mit der Ablenkung des Strahls synchronisiert und auf diese Weise der Strahl fokussiert und seine Ablenkung bestimmt wird. Nachstehend werden Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen

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-H-

das kurzbrennweitige Linsenelement ortsfest ist und zwei oder mehrere Ablenksysteme vorgesehen sind, damit der Ort ' und die Richtung, an dem bzw. in der der Strahl einfällt, unabhängig voneinander gesteuert werden können.

In Fig. 10 sind mit LB, LOL, 12,IPa, LtIPb usw. elektronenoptische Linsen bezeichnet, die von einem elektromagnetischen PeId gebildet werden und der Klarheit halber als konvexe optische Linsen dargestellt sind. Mt DPM, DPRI¹ " ' und PPA, DPA¹ sind Ablenkelektroden zur elektrostatischen Ablenkung des Elektronenstrahls bezeichnet. Anstelle der plattenförmigen Ablenkelektroden kann man auch Spulen verwenden, die eine elektromagnetische Ablenkung bewirken. Mit LMPa bis LMPe ist eine Anzahl von Linsenelementen bezeichnet, die eine kurze Brennweite f haben und vor einem

gemeinsamen Schirm SO angeordnet sind. Der Abstand der Mittelebene der Linsenelemente LMP von dem Schirm beträgt

f · Die Mittelebenen einer Kollimatorlinse LCL mit der c

Brennweite f und der kurEbrennweitigen Linsenelemente LLIP

sind voneinander in einem Abstand angeordnet, welcher der Brennweite f entspricht. Der Abstand zwischen der Mittelfe ebene der Kollimatorlinse LOL und der Mittelebene des Ablenksystems entspricht ebenfalls der Brennweite f . Das Ablenksystem DPM wird nachstehend als ortsbestiiamendes Ablenksystem ixtsseiehnet. Eine Fokus si er linse LB hat die Brennweite f, . Der Abstand zwischen der Mitt©!ebene des stellungsbeetimmenden Ablenksystems DPM und der Itittelebene der Eokussierlinse LB entspricht der Brennweite f, « Der Abstand zwisohen der Mittelebene des Linsenelejutnts LB und der IUt- - telebene des Ablenksysteme DPA ist ebenfalls gleich f^. Das Ablenksystem DPA wird nachstehend als riohtungsbestimmendes Ablenksystem bezeichnet*

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"In der in Pig. 10 dargestellten Ausführungsform ist zwischen aer IIittelebene der lcurzbrennweitigen Linsenelemente IMP und der Lüttelebene der Kollimatorlinse LOL der Abstand f vorhanden, und sind zwischen der Mittelebene der Fokussierlinse LB und der Kittelebene des ortsbestimmenden Ablenksystems DPLi Una zwischen der Ilittelebene der Fokussierlinse LB und ■ :er rüttelebene des richtungsbestimmenden Ablenksystems DPA die Abstände f, vorhanden, um eine einfachere Erklärung zu ermöglichen· Dieee Abstände können jedoch unabhängig voneinander verändert werden.

In der vorstehend beschriebenen Anordnung sendet die Elektronenstrahlquelle einen Elektronenstrahl EB aus, der mit Hilfe der Platten des richtungsbestiemenden Ablenksystems DPA so abgelenkt wird, daß je nach der an die Ablenkplatten DPA unu DPA' angelegten Spannung jenseits der Fokussierlinse der Strahl EB., EBp oder EB. vorhanden ist. Wenn an das ortsbestimmende Ablenksystem DPI»! keine Ablenkspannung angelegt wird, tritt der Elektronenstrahl EB₁, EB₂ oder EB^ durch das Linsenelement IiOP , das den Strahl auf dem Schirm

SC an den Punkt SP^, SP_c2 oder SP -> f okussiert. In diesem Pail bewirkt das richtungsbestimmende Ablenksystem DPA, daß der Punkt, an dem der Elektronenstrahl auf dem Linsenelement LMP- einfällt, unverändert bleibt und nur die Einfallsrichtung verändert wird. Diese Tatsache ergibt sich aus der Definition der Brennweite des Linsenelements im allgemeinen. Wenn durch Anlegen einer Ablenkspannung an die Elektroden DPIi und DPM¹ des ortsbestimmenden Ablenksystems DPM der Elektronenstrahl abgelenkt wird, kann er auf einem anderen Linsenelement als dem Linsenelement LMP , beispielsweise dem Linsenelement LTiP, , einfallen. In diesem Pail ist die Richtung,

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in welcher der Strahl auf dem Linsenelement IMP, einfällt,

b '

wieder von der Spannung abhängig, die an das richtungsbestimmende Ablenksystem DPA angelegt wird, und wird der Strahl auf den Punkt SP, _Λ , SP,,, oder SP, -, des Schirms ab-

Dl' Dd Dj

gelenkt, je nachdem, ob die Ablenkung jaur Bildung des Strahls EB₁, EB₂ oder EB-, führt. Infolge der Fokussierfunktion der Linsenelemente und der in Figo 10 gezeigten Anordnung der Linsenelemente, des AnleriFyyfitei-1·; und des. Schirms verändert das ortsbestimmende Ablenksystem DPM den Ort, an dem der Elektronenstrahl durch die von den lcurzbrennweitigen Linsenelementen IuQ? bis Ia₁IP₁. gebildete

el ti

Anordnung tritt, so daß der Elektronenstrahl in das gewünschte Linsenelement dieser Gruppe gelenkt werden kann, indem man an das ortsbestimmende Ablenksystem eine geeignete Spannung anlegt. Dagegen ermöglicht das richtungsbestimmende Ablenksystem DPA, wie vorstehend beschrieben wurde, eine Veränderung der Richtung, mit welcher der Elektronenstrahl auf dem gewünschten Element der Linsenelemente LIIP bis LMP

a e

einfällt.

Die Ablenkgenauigkeit des ortsbestimmenden Ablenksystems DPIi ist nicht kritisch, weil es genügt, wenn der Elektronenstrahl auf das gewünschte kurzbrennweitige Linsenelement einfällt. Dies ist in Pig« 11 erläutert, die in größerem Maßstab einen Teil der Fig. 10 zeigt. Aus der Fig. 11 erkennt man, wie ein Strahl auf verschiedenen Strahlengängen durch das Linsenelement LMP, tritt. Es sei jetzt angenommen, daß ein gerade einfallender Strahl EB,~ oder ein schräg einfallender Strahl EB, , durch die Lütte des Linsenelements LlIP tritt und auf den Punkt ₂ oder SP, -, des Schirms fokussiert wird. Wenn die an das

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1 0 9 8 0 β / 12 7 S

ortsbestimmende Ablenksystem DPM angelegte Ablenkspannung mit einem Fehler behaftet ist, bleibt die Richtung, mit welcher der Elektronenstrahl auf dem Linsenelement IMP,

b einfällt, unverändert und wird der Ort, an dem der Strahl einfällt, nach EB,₂ oder EB_b^ verlagert, während infolge der Fokus si erfunkt ion des Linsenelementa die Lage des Brennpunkts auf dem Schirm unverändert bleibt. Die Genauigkeit des richtungsbestimmenden Ablenksystems ist ebenfalls nicht kritisch. Da die Linsenelemente kurzbrennweitig sind, führt ein Fehlerwinkel von AoC Radian zu einer Abweichung des Brennpunktes auf dem Schirm von f /\cC . Wenn in den üblichen Anordnungen zum Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls die Genauigkeit des Ortes einer endlichen Anzahl N von in einer Reihe liegenden Leuchtpunkten gegenüber den Zwischenräumen zwischen den Punkten erhöht werden soll, müssen die Ablenkspannung (oder bei elektromagnetischer Ablenkung der Ablenkstrom) und die Beschleunigungsspannung mit einer Genauigkeit von Toleranz von 100/toCT^ genau gesteuert werden, wenn der Sicherheitsfaktor E in dem Bereich von etwa 2-5 liegen soll. Das heifit, daß bei IT « 1000 und K = 2 die Toleranz + 0,05 $ beträgt. Dagegen kann man erfindungsgemäß eine Reihe von etwa f K kurzbrennweitigen Linsenelementen vorsehen, so daß die Toleranz des Ablenkstroms oder der Ablenkspannung von + 100/iC \fi"?S bzw. bei Έ =» 1000 und K = 2 von + 1,6 fi vorhanden ist» Diese Toleranz beträgt somit etwa das Dreißigfache der Toleranz in der üblichen Anordnung.

In Fig. 12 ist die Fokussierlinse LB in'Fig· 1Q durch ein weiteres Ablenksystem DPB ersetzt. Die ortabestimmende Ab-* lenkspännung hat in diesem Fall an der Ablenkplatte DPM den Wert +Y und an der Platte BPM¹ den Wert -V. ferner hat in

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diesem Fall die richtungsbestimmende Ablenkspannung an den Ablenkplatten DPA und DPB¹ den Y/ert +V und an den Ablenk-. platten DPA¹ und DPB den Wert -V~ . Der von dem Ablenksystem DPA abgelenkte Elektronenstrahl wird von dem System DPB in der entgegengesetzten Richtung abgelenkt, so daß dasselbe Ergebnis erhalten wird wie gemäß Hg. 10.

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform, in welcher die Ablenkplatten DBI und DPB in Fig. 12 einerseits und die Platten DPM' und DPB¹ andererseits in je einem Stück vereinigt sind. In diesem Fall wird an die vereinigten Ablenkplatten DPMB bzw. DPMB¹ eine Spannung angelegt, die der Summe der ortsbestimmenden Ablenkspannung V und der negativen richtungs-

bestimmenden Ablenkspannung -V entspricht. Bei einem Vergleich der Ausführungsformen nach Fig. 12 und 13 erkennt man, daß die Anordnung nach Fig. 13 ähnlich aufgebaut isb, die Toleranz der an die kombinierte Ablenkplatte DPMB angelegten Spannung V ~ V^ aber etwa auf die Hälfte herabgesetzt ist.

Um die Erläuterung zu vereinfachen, ist in der vorstehenden Beschreibung angenommen, daß der Elektronenstrahl nur in ψ einer Richtung abgelenkt wird. Der Erfindungsgedanke kann aber ebensogut auf eine Ablenkung in zwei Richtungen (X und Y) oder auf eine Ablenkung in der Richtung X oder Y angewendet werden, so daß die IiQUchtpunkte in dieser Richtung verkleinert werden und Striche bilden und die Genauigkeit der Ablenkung entsprechend erhöht wird« Man, kann, dieselbe Maßnahme mit gleichem Erfolg aber auch sowohl auf die Ablenkung in dar Richtung X als auch auf die Ablenkung in der Richtung Y anwenden,· Tor stehend wurde die Erfindung anhand von

_ 19 -

Systemen beschrieben, in denen ein Elektronenstrahl verwertet wiru. Der Erfindungsgedanke ist aber auch auf Syanweinbar, in aenen von anueren gelaaenen Teilchen Sxruhxei; verwendet werden.

yi_};· 14 zeijt eine Au3führungsform einer erfindungsgemäßen üir.richt αη_ν· r/ira Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls. Die üestandteile sind gewöhnlich wie bei einer ...axhodenatrahiröhre in einem aus Glas bestehenden GlaskolGL mu ar. diesen herum angeordnet. Die Elektronenstrahl-

Ei ähnelt der in einer gewöhnlichenKathodenstrahlröhre verwendeten. Die schraffiert dargestellte Beschleuni_t;ungselektroäe AQ besteht aus einem Film auf der Innenwanaung deB Glaskolbens. Der Schirm SC i3t mit einem fluoreszeηr.fähigen "aterial überzogen. WS ist eine feinmaschige Elektrode r.iit einer Llaschenweite von 0,1 mm. Die feinmaschige Elektrode BLIS ähnelt der Elektrode PIIS, ist aber mit einer zylindrischen-Elektrode Bl·¹ verbunden. Diese ist hohlsylindrisch, ^xul^ ihre axiale Länge beträgt das 0,5- bis 1,0-fache ihres Radius. Da über lie Elektrode AQ an der Elektrode KF ein Pluspotential aufrechterhalten wird, ist eine elektrostatische Kollinatorlinse LGL vorhanden, deren sphärische Aberration infolge der axialen Länge von RF auf ein Minimum herabgesetzt wird. LjLt LIJ? ist eine I'etallplatte beseich.net, die kleine Löcher von 1,5 mm Durchmesser besitzt. Diese Löcher sind in Abständen von 2 mm in einem quadratischen Muster angeordnet. Insgesamt sind 32 χ 32 = 1024 dieser Löcher vorhanden. An der Platte ILIP liegt eine Spannung, die etwa 40 - 50 fo der Spannung der benachbarten feinmaschigen Elektroden FMS und BMS beträgt. Infolgedessen wird auf der

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perforierten Platte LLD? eine Gruppe von elektrostatischen Linsen erzeugt, von denen jede eine Brennweite von 30 mm hat. Hit ΌΡΙΙ3 und DPA sind elektromagnetische Ablenksyoteme bezeichnet, die aus Ablenkspulen bestehen und die elektrostatische Ablenkeinrichtung gemäß, !'ig. 10, 12 und 1-3 ersetzen. In Fig, 14 dient DPA zur riehtungsbestimmenden Ablenkung und DPMB sowohl zur richtung^ als auch zur ortsbestimmenden Ablenkung, In jedem System erfolgt eine Ablenkung in beiden Richtungen X und Y. Im Betrieb dieser Röhre . mit einer an RP, BMS und MS angelegten Beschleunigungsspannung von 2 ICV₅ aber mit einer Nullspannung an der Kathode, wurde auf dem Schirm ein Punkt in einer Grüße von i)0 Mikrometern oaer weniger erzeugt, während in üblichen Kathodenstrahlröhren die Punkte eine Größe von 300 - 500 · liikrometern haben. Bei einem Schirm von 64 χ 64 mm für 1024 x 1024 Leuchtpunkte betrug daher die Reproduzierbarkeit der Orte des Lauchtpunktes + 30 micrometer und die Toleranz des Ablenkstroms + 0,5 f°» Infolgedessen konnte der Leuchtpunxct mit einer höheren Genauigkeit gesteuert weruen als in einer" Gewöhnlichen Kathodenstrahlröhre.

Wenn man eine Gruppe von kurzbrennweitigen Idnaenelementen | ii. der vorstehend beschriebenen Y/eise anordnen v/i 11, kann nan uiese linsenelemente mit Hilfe einer perforierten Platte bilden, wodurch die Herstellung sehr vereinfacht und eine hohe HerstellungBgenauigkeit leicht -erzielt werden kann, was in der Praxis einen sehr großen Vorteil darstellt.

- " " BAD ORlGifSiAL

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Claims (1)

1. Pat e η t a η s ρ r ü c h e

   .) System zum Fokussieren und Ablenken eines" Strahls von geladenen Teilchen, gekennzeichnet durch eine Strahlauffangeinrichtung, auf die der Strahl fokussiert wer- - den soll, eine Einrichtung zur Projektion des Strahls längs eines Strahlengangs zu der Strahlauffangeinrichtung hin, mehrere im Bereich der Strahlauffangeinrichtung angeordnete, kurzbrennweitige Einrichtungen zum Erzeugen von kurzbrennweitigen Linsenelementen, die zum Konvergentmachen des Strahls dienen, eine Einrichtung zum Verändern der Sichtung, in welcher der Strahl auf einem der Linsenelemente einfällt, und eine Einrichtung zum Verlagern des Strahls von einem Linsenelement auf ein anderes β

   2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzbrennweitigen Einrichtungen elektrische Leiter aufweisen, die zwischen«der Projektionseinrichtung und Strahlauffangeinrichtung angeordnet sind und zur Bildung einer Reihe von elektrostatischen Linsen dienen.

   3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzbrennweitigen Einrichtungen Spulen aufweisen, die in der Nahe der Strahlauffangeinrichtung-angeordnet sind und zur Bildung einer Anzahl von magnetischen Linsen dienen.

   4. System nach Anspruch 2, daduroh gekennzeichnet, daß zwischen den kurzbrennweitigen Einrichtungen und der Projektionseinrichtung eine perforierte Platte angeordnet ist."

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   System nach Ansprach. 1, dadurch geko-m/.fi ^:.c} ι >■".·, •la!3 eine Einrichtung vorgesehen igt, die dazu dient, den Ort der optischen Achse von einzelnen Linsenelementen synchron mit Veränderungen des Ablenkwinkels des Strahls bei seiner Verlagerung von einem Linsenelement zu einem anderen zu verändern.

   System zum Fokussieren und Ablenken eine3 Elektronenstrahls, gekennzeichnet durch einen Schirm, auf den der Strahl fokussiert werden soll, eine Elektronenstrahlquelle zur Projektion des ütrahls zu dem Schirm hin, ein kurzbrennweitiges Gitter, das zwischen der Elektronenstrahlquelle und dem Schirm angeordnet unu auf ein solches Potential geladen ist, daß mehrere Linsenelemente gebildet werden, die dazu dienen, den Strahl in einem Brennpunkt konvergent zu machen, eine Ablenkeinrichtung zum Ablenken des Strahls von einem Linsenelement zu einem anderen und eine Einrichtung zum Synchronisieren der Steuerung des Potentials des kurzbrennweitigen Gitters mit dem Betrieb der Ablenkeinrichtung derart, daß bei einer Veränderung des Ablenkwinkels des Elektronenstrahls der Ort der optischen Achse jedes Linsenelements verändert wird.

   System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß,das kurzbrennweitige Gitter dazu dient, mehrere der genannten Linsenelemente mit in gleichen Abständen voneinander angeordneten, optischen Achsen zu erzeugen.

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   . System ZAZ. fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahl«, .χ- kenn zeichnet durch, einen Schirm, auf den der Stra;ii ;c".:u33iert werden soll, eine Elektronenstrahlquö—.e zxT Projektion des Strahls zu dem Schirm hin, eine Reihe von Spulen, die in der Kühe-des'Schirms an-,-eer-Uidt . sin:; un3 sum Aufbau von Llagnetfeldern dienen, woiciie mehrere Linsenelemente sum Konvergentmachen des Strahls ;:u einem Brennpunkt auf dem Schirm bilden, eine ■ Ablenkeinrichtung sum Ablenken ae3 Strahls von einem . Liuaer.oleir.ent ::u einem anaern and eine Einrichtung sum Synchronisieren äer Steuerung der Kagnetfelder mit dem betrieb eier"Ablenkeinrichtung aerart, aaß uie Orte der eptischeu Achsen der Linsenelemente synchron mit der Verä;u.jivui.-Ues Ablenkwinkels verändert werden.

   }. System 2UI.1 Fokussieren eines Elektronenstrahls auf einen S'/nirn, gekennzeichnet durch eine Elektronenstrahlquelle cum Projizieren des Strahls zu dem Schirm hin, eine Reihe von elekti'onenstrahlfokussierenden Elementen, die zwischen dem Schirm und der Elektronenstrahlquelle angeordnet sind und zur Bildung von mehreren Linaenelecienten zum Fokussieren des Strahls dienen und deren Abstand von dem Schirm einer vorherbestimmten kurzen Brennweite entspricht, ein riclrtron^sbestimmendes System, an das zur Veränderung der Richtung, in welcher der Elektronenstrahl auf einem gewählten der linsenelemente einfällt, einrichtungsbestimmendes Ablenksignal angelegt werden kann, und ein ortsbestimmendes Ablenksystem, an aas zum Verlagern des Elektronenstrahls von einem Linsenelement zum andern ein ortsbestimmendes Ablenksignal angelegt werden kann.

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   10. System nach Anspruch 9, uadiorch gekennzeichnet, ciai3 das richtungsbestimmende Ablenksystem eine Pokussiei¹-linse und eine Strnhlablenkeinrichtung besitzt, die zwischen der Elektronenstrahlquelle und dem ortsbestimmenden Ablenksystem angeordnet sind β

   11. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das richtungsbestimmende Ablenksystem mindestens zwei Ablenkeinrichtungen besitzt, uie längs des Strahlengangs ues Strahls zwischen der Elektronenstrahlquelle und dem ortsbestimmenden Ablenksystem angeordnet sinu, und an uie eine uieser Ablenkeinrichtungen ein richtun_r"3uesi'imiaendes Ablenksignal einer gegebenen Polarität and an die andere dieser Ablenkeinrichtungen ein riehtingsbestimmendes Ablenksignal aer entgegengesetzten Polarität angelegt wird.

   12. System nach Anspruch y, dadurch gekennzeichnet, daß das riehtung3bestirani9nüe und das ortsbestimmenae Ab— -lenksystem min-.Ostens zwei Able n/:e ir.ri ent angen besitzen, die längs aes Strahlengangs des Strc.n_3 zwisciien uer Elekti-oneustrahlqueile ^Ka uer iteixvs von elüktronenatrahlfdi'issierenäen Elementen angoGi—..:jet sind, un-ji an die eiz".e o.ieser Einrichtungen ein ricJxtJingsbestimmendes Ablenksignal einer gegebenen Polarität und an die andere dieser Einrichtungen die Jifferenz zwischen einem ortsbestimmenden Ablenksignal und dem richtungsbestimmenden Ablenksignal angelegt win,.

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   -2b -

   U« Syutem a um Fokussieren und Ablenken eine a Elsie br onenstrahls auf einen Sehirin nach.einem .der Ansprüche 9 bio 12, gekennzeichnet durch eine lieihe von kursbrennweiti^en eleiCtroiienoptischen Linsen, die im Abstand inrer lirsnnweite von aeiu Schirm angeorJaut sind, un.i eine iLollimatorlinaj, üie langes uoa Straiilsngan.^ts aes Elsi:- ■fcronenatralils awiaehen (lon Linoen' und einem ortabostiu— mendeu Ablenkayateia iu Abstand oowohl von den Linsen als auoxi von dem Ablenksystem angeordnet ist, vrabei uer läu^o deo 3trahlen_L';an£;3 des Elektronenatrahla geraeoaene Abstand des ortsbestiaimenden Ablenksystema von der iiolliniatorlinso der Brennweite der Lollimatorlinse entspricht und das ortsbestimmonde Ablenksystem daaii dient, den Elektronenstralil von einer der kurzbrennwei ti^eii elektronenoptischen Linsen zu einer anderen au verlagern β

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