DE2059781A1 - Magnetic lens arrangement with superconducting shielding cylinders with ferromagnetic pole pieces - Google Patents
Magnetic lens arrangement with superconducting shielding cylinders with ferromagnetic pole piecesInfo
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Description
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¥PA¥ PA
Magnetische 'LiBsenanordnimg mit, supraleitenden ÄbscfoimzvlinderaMagnetic LiBsenanordnimg with, superconducting Äbscfoimzvlindera
Zusatz zxMB. Patent « *«· ... (Patentanm. P 15 64 714.0)Addition zxMB. Patent «*« · ... (patent application P 15 64 714.0)
Die Erfindung betrifft eine magnetische Linsenanordnung für KorpuskularStrafelgeräte* insbesondere eine Objektiv-Linsenanordnung für Elektronenmikroskope,, mit zwei in Richtung der Achse der Linsenanordnung mit Abstand aufeinanderfolgenden» koaxial zu dieser Achse angeordneten Abschirmzylindern aus supraleitendem Material. Diese stehen mit einem Tiefkühlmittel in wärmeleitender Verbindung und bewirken eine Konzentration des mittels einer geeigneten Anzahl stromdurchflossener, vorzugsweise aus supraleitendem Material bestehender Linsenwicklungen erzeugten magnetischen Feldes im Bereich des Korpuskularstrahles. Der Linsenspalt ist frei von abschirmenden Teilen aus supraleitendem Material und die Größe des für das magnetische Feld wirksamen Spaltes ist derart gewählt, daß bei einem bestimmten Wert (H ) der Feldstärke außerhalb des Linsenspaltes und der Abschirmzylinder der Maximalwert (H ) der Feldstärke im Linsenspalt und der Feldgradient im Linsenspalt längs der Achse eine unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegende Öffnungsfehlerkonstante der Linsenanordnung, hat. The invention relates to a magnetic lens assembly for Corpuscular puncture devices * in particular an objective lens arrangement for electron microscopes, with two in the direction of the Axis of the lens arrangement with spacing successive » shielding cylinders arranged coaxially to this axis superconducting material. These are in a thermally conductive connection with a deep-freeze and cause concentration by means of a suitable number of current-carrying, preferably lens windings made of superconducting material generated magnetic field in the area of the corpuscular beam. The lens gap is free of shielding parts superconducting material and the size of the gap effective for the magnetic field is chosen such that at a certain Value (H) of the field strength outside the lens gap and the shielding cylinder is the maximum value (H) of the field strength in the Lens gap and the field gradient in the lens gap along the axis has an aperture error constant of the lens arrangement which is below a predetermined value.
Eine Anordnung der vorgenannten Art ist aus der Offenlegungsschrift 15 64 714.0 bekannt. Es handelt sich dabei um eine Linse, die vollständig frei von ferromagnetischem Material zur Beeinflussung des magnetischen Feldflusses ist. Das supraleitende Material der Abschirmzylinder verhindert, daß das magnetische Feld der Linsenwicklungen auch an anderen Stellen als dem Linsenspalt auf den durch die Linsenanordnung zu fokussierenden Korpuskularstrahlen einwirken kann.An arrangement of the aforementioned type is from the Offenlegungsschrift 15 64 714.0 known. It is a lens which is completely free of ferromagnetic material to influence the magnetic field flux. The superconducting one The material of the shielding cylinder prevents the magnetic field of the lens windings from also at points other than the lens gap on the corpuscular rays to be focused by the lens arrangement can act.
P'ür ein hohes Auflösungsvermögen einer wie oben genannten Ling ist es. wesentlich, den Öffnungsfehler klein zuFor a high resolution of a ling like the one mentioned above is it. essential to make the opening error small
9/012/0012. Bts#iKQoon , rt Λ „ r -2-9/012/0012. Bts # iK Qoon , rt Λ " r -2-
halten. Hierfür Ist es notwendig, die sog. Halbwertsbreite für die an sich, bekannte Fel&verteilung Im Linsenspalt bei möglichst hoher' maximaler Feldstärke H0 im Linsenspalt möglichst klein zu halten, d.h. einen großen Feldgradienten Im Spalt zu erreichen. Mit Ifosehlrmzyllndern aus supraleitendem Material wurde eine geringe Halbwertsbreite im Linsenspalt erreicht. Zwar kann durch Verringerung der Spaltbreite die Halbwertsbreite verkleinert werden, jedoch nimmt dabei die maximale Feldstärke H0 im Spalt ab.keep. For this, Is it necessary to the so-called. FWHM for the per se known Fel & distribution to keep as small as possible in the lens gap 0 in the lens gap at the highest possible 'maximum field strength H, that is to achieve in the gap a large field gradients. With Ifosehlmzyllndern made of superconducting material, a small half-width was achieved in the lens gap. Although the half-width can be reduced by reducing the gap width, the maximum field strength H 0 in the gap decreases.
Es ist mithin eine Aufgabe der Erfindung einen Weg anzugeben, nach dem ohne großen Aufwand eine Erhöhung der maximalen Feld* stärke im Linsenspalt erreichbar ist. Insbesondere soll auch eine einfache Möglichkeit für eine ausreichende Justierung der Linsenanordnung gegeben sein.It is therefore an object of the invention to provide a way by which an increase in the maximum field strength in the lens gap can be achieved without great effort. In particular, an easy way is to be given an adequate adjustment of the lens array.
Für eine wie oben angegebene Lineenanordnung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Linsenspalt, angranzend an die einander gegenüber liegenden Stirnflächen der Abschirmzylinder in der Achse und, mit Abstand voneinander je ein ringförmiger Polschuh aus ferr©magnetischem Material, die zusammen ein den magnetischen Fluß konzentrierendes Polschuhpaar bilden, als einzige ferromagnetische Körper zur Führung des magnetischen Flusses vorgesehen sind. Insbesondere sind die Polschuhe aus Holmium oder Dysprosium hergestellt. Diese Materialien haben bet den tiefen Temperaturen ferromagnetische Eigenschaften, und zwar mit z.B. gegenüber Eisen wesentlich höherem Wert der SIttigungsmagnetisierung.For a line arrangement as given above, this task becomes solved according to the invention in that in the lens gap, adjoining the opposite end faces the shielding cylinder in the axis and, at a distance from each other, an annular pole piece made of ferr © magnetic material, which together form a pair of pole pieces concentrating the magnetic flux, as the only ferromagnetic body for Guidance of the magnetic flux are provided. In particular, the pole pieces are made from holmium or dysprosium. These materials have ferromagnetic properties at low temperatures, with, for example, significant compared to iron higher value of the saturation magnetization.
Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen: Bekanntlich beeinflußt eine eintretende Sättigung der Magnetisierung der Polschuhe das durch die Polschuhe zu formende magnetische Feld in starkem, und awar für das Auflösungsvermögen der Linse nachteiligem Maße. Schwierigkeiten dieser Art sind insbesondere bei Linsenanordnungen mit Polschuhen aus Eisen beobachtet worden. Zu ihrer wenigstens teilweisen Behebung eind bereits verschiedene Wege vorgeschlagen worden. Ein Weg istThe following considerations led to the invention: As is known, the occurrence of saturation affects the magnetization the pole pieces the magnetic field to be formed by the pole pieces in a strong, and awar for the resolving power the lens to a disadvantageous extent. Difficulties of this type are particularly encountered with lens assemblies with iron pole pieces been observed. To remedy them, at least in part various routes have already been proposed. One way is
VPA 9/012/0012 -3-VPA 9/012/0012 -3-
-: ν- : ν
2 0 9830/00752 0 9830/0075
dadurch gekennzeichnet, daß man der bisher verwendeten magnetischen Abschirmung aus Eisen, Polschuhspitzen aus Dysprosium oder Holmium gegeben hat. (Comptes Rendus 1967, Serie B-, S. 747 - 750). Ein anderer Weg ist gemäß Comptes Rendus 1969» Serie B, S. 1707 - 1710, beschritten worden. Die dort beschriebene Linsenanordnung mit Abschirmung und Polschuhen aus Eisen besitzt zur Unterstützung der Abschirmung koaxial hintereinander angeordnete supraleitende Zylinder.characterized in that one of the previously used magnetic Shielding made of iron, pole piece tips made of dysprosium or holmium. (Comptes Rendus 1967, series B-, p. 747-750). According to Comptes Rendus 1969, Series B, pp. 1707-1710, another approach has been taken. The one described there Lens arrangement with shield and pole pieces made of iron has to support the shield coaxially one behind the other arranged superconducting cylinders.
Es wurde auch versucht, für eine hochauflösende Linsenanordnung jegliches ferromagnetisches Material, unter anderem wegen seiner großen Masse und seines Raumbedarfes, zu vermeiden. Seit längerer Zeit werden daher auch Linsenanordnungen mit ausschließlich supraleitendem Material zur Abschirmung und Formgebung des magnetischen Feldes untersucht. Körper mit gegenüber ferromagnetisehen Abschirmungen nur relativ geringer Wandstärke reichen bereits zur vollständigen Abschirmung, aus.Attempts have also been made to use any ferromagnetic material for a high-resolution lens arrangement, among other things because of its large mass and its space requirements. For a long time, therefore, lens arrangements have also been used exclusively investigated superconducting material for shielding and shaping the magnetic field. Body with opposite ferromagnetic see Shields with only a relatively small wall thickness are sufficient for complete shielding.
Mit der Erfindung wurde nun die Lösung gefunden, nach der die Vorteile der hohen Abschirmwirkung supraleitenden Materials mit der magnetfeld-konzentrierenden Wirkung eines ferromagnetischen Materials, insbesondere mit hoher Sättigungsmagnetisierung, wie sie bei Holmium und Dysprosium vorliegt, mit Vorteil in Kombination miteinander auszunutzen. Vorteilhaft ist insbesondere, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung durch das nur zusätzlich vorgesehene ferromagnetische Material kein für die Linsenwicklungen nutzbarer Raum in der Anordnung und nahe am Spalt verloren geht. Vergleichsweise zur bekannten Ausführungsform aus ausschließlich supraleitendem Material erreicht man mit der erfindungsgemäßen Linsenanordnung bei gleichem äußerem Feld HQ der Linsenwicklungen eine höhere Feldstärke H aufWith the invention, the solution has now been found, according to which the advantages of the high shielding effect of superconducting material with the magnetic field-concentrating effect of a ferromagnetic material, in particular with high saturation magnetization, as is the case with holmium and dysprosium, can be used advantageously in combination with one another. It is particularly advantageous that in the solution according to the invention, because the ferromagnetic material is only additionally provided, no space that can be used for the lens windings is lost in the arrangement and close to the gap. In comparison to the known embodiment made exclusively of superconducting material, the lens arrangement according to the invention achieves a higher field strength H with the same external field H Q of the lens windings
d Od O
der Achse bei sogar geringerer Halbwertsbreite.of the axis at an even lower half width.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus den Figuren zu einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel hervor. Further details and advantages of the invention can be found in FIGS Figures for a particularly preferred embodiment.
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Fig. 1 zeigt eine Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung. Fig. 2 zeigt eine spezielle Ausführungsform für die Polschuhe.1 shows an overall representation of a lens arrangement according to the invention. Fig. 2 shows a specific embodiment for the pole pieces.
Mit 1 sind zwei Linsenwicklungen mit supraleitendem Draht bezeichnet.
Die supraleitenden Abschirmzylinder sind mit 2 und die zu diesen Zylindern gehörige äußere supraleitende Abschirmung
der Linsenwicklungen ist mit 4 bezeichnet. Die Linsenwicklungen und die Abschirmungen liegen in flüssigem Helium.
Der Innenraum der Abschirmzylinder 2 ist frei von magnetischen Feldern. Die erfindungsgemäß, vorgesehenen Polschuhe 6 aus
ferromagnetischem Material sind an die Stirnflächen 5 der Ah-P
schirmzylinder 2 angrenzend axial ausgerichtet angeordnet,
Sie stehen mit den Abschirmzylindern oder den übrigen gekühlten Teilen in ausreichendem Wärmekontakt. Das magnetische Feld
der Linsenwicklungen 1 drängt sich zwischen den Stirnflächen 5 in den Spalt zwischen den Abschirmzylindern 2 hinein. Insbesondere
infolge der hohen Sättigungsmagnetisierung der Polschuhe kann eine hohe Feldstärke HQ mit geringer Halbwertsbreite
im Bereich der Achse der Linsenanordnung erreicht werden. Eine Feldstärke HQ « 60 k OE wu:
von 6 mm ohne weiteres erzielt.With 1 two lens windings with superconducting wire are designated. The superconducting shielding cylinders are denoted by 2 and the outer superconducting shielding of the lens windings belonging to these cylinders is denoted by 4. The lens windings and the shields are in liquid helium. The interior of the shielding cylinder 2 is free of magnetic fields. The pole shoes 6 of ferromagnetic material provided according to the invention are arranged axially aligned adjacent to the end faces 5 of the Ah-P shield cylinders 2; they are in sufficient thermal contact with the shield cylinders or the other cooled parts. The magnetic field of the lens windings 1 is forced into the gap between the shielding cylinders 2 between the end faces 5. In particular, as a result of the high saturation magnetization of the pole shoes, a high field strength H Q with a small half-width can be achieved in the area of the axis of the lens arrangement. A field strength H Q «60 k OE wu:
of 6 mm easily achieved.
Eine Feldstärke H = 60 k OE wurde bei einer HalbwertsbreiteA field strength H = 60 k OE was at a half width
Die Justierung der im übrigen exakt aufgebauten Linsenanordnung wird durch Verschiebung der erfindungsgemäß vorgesehenen Polschuhe erreicht. Diese Justierung wird dadurch erleichtert, daß die Polschuhe selbst nicht in flüssigem Helium zu liegen brauchen. Aus letzterem Grunde ist auch der Spalt für das einzubringende Objekt (nicht dargestellt) leichter zugänglich.The adjustment of the otherwise precisely constructed lens arrangement is achieved by shifting the pole pieces provided according to the invention achieved. This adjustment is facilitated by the fact that the pole pieces themselves do not need to be in liquid helium. For the latter reason, the gap for the object to be introduced (not shown) is also more easily accessible.
Fig. 2 zeigt in einer Ausschnittdarstellung mit vergrößertem Maßstab eine besonders bevorzugte Formgebung für die Polschuhe an dem Beispiel eines Polschuhes. Die Fläche 5 und die Fläche 7 sind Konusflächen. Zwischen der Stirnfläche 5 des Abschirmzylinders 2 und 'der angrenzenden Stirnfläche 7 des ringförmigen Polschuhes entsteht auf Grund der gemäß einer Weiterbildung der Erfindung verschieden groß gewählten Konuswinkel der ein-Fig. 2 shows in a detail view on an enlarged scale a particularly preferred shape for the pole shoes using the example of a pole piece. The surface 5 and the surface 7 are conical surfaces. Between the end face 5 of the shielding cylinder 2 and 'of the adjoining end face 7 of the ring-shaped pole piece is created on the basis of a further development of the invention differently selected cone angle of the
VPA 9/012/0012 -5-VPA 9/012/0012 -5-
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ander gegenüber stehenden Flächen 5 und 7 ein ring- und keilförmiger Spalt. Diese Flächen können auch ballige Form haben. Durch entsprechende Formgebung der Flächen 5, 7, 8 und Wahl des Durchmessers der Bohrung in 2 und/oder 6, kann in prinzipiell bekannter Weise der Feldverlauf im Spalt beeinflußt werden.on the other opposite surfaces 5 and 7 an annular and wedge-shaped gap. These surfaces can also have a spherical shape. By appropriately shaping the surfaces 5, 7, 8 and selecting the diameter of the bore in 2 and / or 6, the field profile in the gap can be influenced in a manner known in principle.
5 Patentansprüche
2 Figuren5 claims
2 figures
VPA 9/012/0O12 209830/007S VPA 9/012 / 0O 12 209830 / 007S
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