DE2146071C3 - Anordnung zum Erzielen eines von magnetischen Störfeldern freien Raumes - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzielen eines von magnetischen Störfeldern freien Raumes zur Aufnahme störfeldempfindlicher Einrichtungen, wie Teilen von Elektronenmikroskopen, Spektroskopen u.dgl., mit drei magnetfeldempfindlichen Sonden, die im von Störfeldern freizuhaltenden Raum in drei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen angeordnet sind und die die Summe der in die jeweiligen Richtungen einer Sonde fallenden Magnetfelder aulnehmen, mit drei an die Sonden angeschlossenen Vorrichtungen. die in Abhängigkeit von der Summe aller von einer Sonde aufgenommenen Magnetfelder elektrische Ströme erzeugen, und mit drei an die genannten Vorrichtungen angeschlossenen Spulen, die nach den Richtungen der drei Sonden ausgerichtet sind und die von den genannten Strömen in der Weise durchflossen werden, daß am Ort der Sonden die Summen aller dort vorhandenen Magnetgelder praktisch Null ergeben. Unter Störfeldern sollen in diesem Zusammenhang sowoh statische Störfelder, wie das magnetische Erdfeld, al· auch insbesondere jede Art von alternierenden odei sich plötzlich ändernden unerwünschten Magr.etfelderr verstanden werden.

Moderne Elektronenmikroskope besitzen ein Auflö sungsvermögen, das unter idealen Umgebungsbedin gungen an die theoretische Grenze von 2,3 heran reicht. Zu den idealen Umgebungsbedingungen gehör es auch, daß keine magnetischen Störfelder vorhandei sind, die den Elektronenstrahl ablenken. Bereits Feldei von 0.5 bis 1 m Oe haben jedoch merkbare Ablenkun gen zur Folge. Konstante Störfelder bewirken nur eii Versetzen der Abbildung. Sie können meist in einfache! Weise kompensiert werden, solange die relative Lag< von Störfeld und Elektronenstrahlmikroskop sich nich ändert. Dagegen wird durch die Einwirkung von alter nierenden Störfeldern die Abbildungsschärfe und darni die Auflösung beeinflußt.

Bei Farbfernsehbildröhren bewirkt bereits eine Ver Schiebung des Elektronenstrahls um wenige Zehnte eines Millimeters erhebliche Farbverzerrungen. Dahei besteht für Forschungs- und Entwicklungszwecke be den Herstellern von Bildröhren das Bedürfnis nact störfeldfreien Räumen. Ebenso werden vielfach in dei Umgebung von Spektroskopen strörfeldfreie Räum« benötigt.

Eine Möglichkeit zum Entstören von Räumen be steht darin, diese Räume passiv gegen Störfelder abzu schirmen. Das kann geschehen durch mehrlagige Wän de aus magnetisch hochpermeablem Material, oder, in Falle von Wechselfsldern, durch Wände aus gut leiten den Metallen. Soll die dabei erzielte Abschirmwirkunj den gestellten Anforderungen entsprechen, so muß en außerordentlich großer Aufwand getrieben werden.

Es ist weiterhin bekannt, Störfeldfreie Räume herzu stellen, indem man um diese Räume herum in Richtunj der Koordinaten X, V, Z Spulen anordnet, etwa ii Form von Helmholtz-Spulen, indem man an einem On an dem die Störfelder in praktisch gleicher Größe um Richtung auftreten wie im zu entstörenden Raun einen Tripel magnetfeldempfindlicher Fühler, in folgen den kurz als Sonden bezeichnet, in den gleichen Koor dinaten X, Y, Z anordnet, indem vermittels entspre chender Schaltungsmittel vo den Signalen der Sondei Ströme abgeleitet werden, die den am Sondenort auf tretenden Magnetfeldern proportional sind und inden man diese Ströme in der Weise in die den jeweilige] Sonden entsprechenden Spulen einleitet, daß sie dei ursprünglich innerhalb der Spulen herrschenden Ma gnetfeldern entgegengerichtete und in der Größe ent sprechende Magnetfelder erzeugen und somit die ur sprünglichen Magnetfelder auf Null kompensieren.

Diese Technik hat jedoch schwerwiegende Nachtei Ie, die im folgenden erläutert werden sollen. Zunächs ist es nötig, die Sonden an einem Ort anzuordnen, de vom zu entstörenden Raum so weit entfernt sein muf. daß die Kompensationsspulen keine Rückwirkunge auf die Sonden haben. Dies widerspricht der Bedin gung, daß am Sondenort die Störfelder in Betrag uni Richtung den Störfeldern im zu entstörenden Raur gleich sein müssen. Die Bedingung läßt sich zwar fü derart homogene Felder wie das magnetische Erdfel realisieren, nicht mehr jedoch oder nur in begrenzter Maße für Störungen, die von Motoren, Gencratoret stromführenden Leitungen u. dgl. hervorgerufen wer den.

Ein weiterer Nachteil rührt daher, daß sowohl di

5oi.den als auch die Vorrichtungen, die die den Sondensignaien entsprechenden Ströme ableiten außerordentlich konstant arbeiten müssen. So hat z. B. jede Änderung der Verstärkung in einem der Sondenkanäle eine gleich große Änderung des Kompensationsfeldes der entsprechenden Spule zur Folge. Das bedeutet jedoch, daß ein hoher technischer Aufwand betriebe λ werden muß, damit die notwendige Konstanz der Kompensationskreise gewährleistet werden kann.

Schließlich ist noch von Nachteil, daß im zu entstörenden Raum besondere Sonden und dazugehörige Magnetometer vorgesehen werden müssen, wenn die Störfreiheit des Raumes laufend überwacht werden soll.

Eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art weist die genannten Nachteile nicht auf. Es kann jedoch bei einer solchen Anordnung zu Rückwirkungen der Spule einer Koordinaienrichtung auf Sonden einer anderen Koordinatenrichtung kommen, wenn die Sonden nicht mehr innerhalb des absolut homogenen Bereiches der Spulenfeider angeordnet sein können, oder wenn die Sonden bzw. die Spulen nicht exakt senkrecht zueinander angeordnet sind.

Die Erfindung macht sich eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art zur Aufgabe, bei der unerwünschte Rückwirkungen auf die Sonden ausgeschlossen sein sollen. Dies wird erreicht, indem zur Unterbindung der Rückwirkungen der Spule einer Koordinatenrichtung auf Sonden einer anderen Koordinatenrichtung Kompensationswicklungen an den genannten Sonden vorgesehen sind, die von einer dem Strom durch die genannte Spule proportionalen Strom in der Weise durchflossen werden, daß die Rückwirkung der Spule auf die Sonden gerade aufgehoben wird.

In manchen Fällen bauen die störfeldempfindlichen Einrichtungen magnetische Eigenfelder im zu entstörenden Raum auf. Nach einem die Erfindung ausgestaltenden Vorschlag können Rückwirkungen dieser Felder auf die Sonden unterbunden werden, indem man am Sondenort eine oder mehrere Kompensationsspuien vorsieht, die vom die Egenfelder hervorrufenden Strom in der Weise durchflossen werden, daß die Eigenfelder am Sondenort auf Null kompensiert werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und an Hand einiger Figuren dargestellt. Es zeigen im einzelnen:

F i g. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Anordnung zur Entstörung eines Elektronenmikroskopes,

F i g. 2 eine ähnliche Anordnung, jedoch mit Kornpensatioiisspulen auf den Sonden,

F i g. 3 eine Anordnung mit dynamischer Regelung.

Fig. 1 zeigt den Vakuumzylinder I eines nicht dargestellten Elektronenmikroskopes etwa in der Mitte des Feldes einer dreidimensionalen Helmholtz-Spulenanordnung 3, deren Spulenpaare 5, 6; 7, 8 und 9, 10 in Richtung der Koordinaten X, Y und Z ausgerichtet sind. In unmittelbarer Nachbarschaft des Vakuumzylinders 1 sind drei Sonden 12, 14 und 16 angebracht, die ebenfalls nach den Koordinaten X, Yund Zausgerichtet sind. Diese Sonden sind über die Leitungen 18, 20 und 22 an die Eingänge von drei Magnetometern 24, 26 und 28 angeschlossen, deren Ausgänge wiederum mit den Eingängen von drei Leistungsverstärkern 30, 32 und 34 verbunden sind. Leistungsverstärker 30 speist über Leitung 36 des I Iclmholtz-Spulenpaar 5, 6, dessen Magnetfelder in der X-Richtung liegen. In gleicher Weise speisen die Leistungsverstärker 32 und 34 über die Leitungen 38 und 40 die Helmhoitz-Spulenpaare 7, 8 und 9, 10, deren Felder in der Y- bzw. Z-Richtung liegen. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber sind die Spulen 5 bis 10 mit jeweils nur einer einzigen Windung dargestellt worden, obwohl in der Regel höhere Windungszahlen vorzusehen sind.

Ströme durch die Helmhoitz-Spulenpaare haben Magnetfelder der jeweiligen Koordinatenriclitung zur Folge. So erzeugt etwa ein Strom durch das Spulenpaar 5, 6 ein Magnetfeld in der X-Richtung. Diese Felder haben bei günstiger Dimensionierung der Helmholtz-Spulenanordnung einen relativ großen homogenen Bereich innerhalb der Spulenpaare. Man kann deshalb in der Regel annehmen, da3 die Feldstärke am Ort der Sonden 12, 14, 16 praktisch die gleiche ist, wie innerhalb des Vakuumzylinders 1, wenn der Abstand zwischen Vakuumzylinder 1 und den Sonden 12, 14, 16 hinreichend klein gehalten wird.

Für jede der drei vorgesehenen Koordinaten X, Y und Z bilden Sonde, Magnetometer, Leistungsverstärker und Helmholtz-Spulenpaar einen geschlossenen Regelkreis, so z. B für die V-Koordinate Sonde 12 mit Magnetometer 24, Leistungsverstärker 30 und Spulenpaar 5, 6. Liegt in der -Y-Richtung kein störendes äußeres Feld vor, so ist auch die Sonde 12 nicht ausgesteuert. Infolgedessen erzeugt das Magnetometer 24 keine Spannung, und der Leistungsverstärker 30 schickt keinen Strom in Spulenpaar 5, 6. Tritt dagegen ein Störfeld in der X-Richtung auf, so erzeugt das Magnetometer 24 eine Spannung, deren Größe und Richtung von Größe und Richtung des Feldes am Ort der Sonde 12 abhängen. Die der Spannung entsprechende Aussteurung des Leistungsverstärkers 30 hat einen Strom durch das Spulenpaar 5, 6 zur Folge. Dieser Strom baut ein dem Störfeld entgegengerichte'.es Magnetfeld auf, das selbst wieder auf die Sonde 12 zurückwirkt. Bei ausreichender Verstärkung im Regelkreis stellt sich die Größe des Spulenfeldes so ein, daß sich Spulenfeld und Störfeld gerade aufheben. Auf dieses Ergebnis haben Änderungen der Empfindlichkeit von Sonde und Magnetometer, der Verstärkung des Leistungsverstärkers sowie des Wirkungsgrades der Spule praktisch keinen Einfluß, sofern nur die Bedingung ausreichender Verstärkung im Regelkreis eingehalten wird.

Bei der beschriebenen Arbeitsweise in drei Koordinaten können sich gewisse Schwierigkeiten einstellen. Das Spulenfeld einer Koordinate kann nämlich kleine, aber unter Umständen doch störende Feldkomponenten in den Sonden der beiden anderen Koordinaten hervorrufen. Dies liegt zum Teil daran, daß eine genaue Justierung der Sonden nicht immer ganz einfach ist. Besondere Bedeutung erhält dieses Problem aber dann wenn die Sonden außerhalb des exakt homogenen Bereiches der Spulen angebracht sind. Die Folge der störenden Feldkomponenten fremder Koordinaten in den Sonden ist eine unerwünschte gegenseitige Beeinflus sung der drei Regelkreise untereinander. Um eine sol cne /u unterbinden, können auf jeder Sonde zwei Korn pcnsationswicklungen vorgesehen werden.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus den¹ Um stand, daß Elektronenmikroskope Eigenfelder erzeu gen, die an der äußeren Oberfläche des Vakuumzylin ders die Größenordnung von 10 Oe erreichen könner Naturgemäß müssen auch diese Felder die Regelunj beeinflussen, wenn dies nicht durch besondere Maßnah men verhindert wird.

Als besonders wirksame Maßnahme /ur Erreichuni

des genannten Zweckes hat sich die Einführung von Kompensationswicklungen auf den Sonden herausgestellt.

In F i g. 2 ist das Blockschaltbild einer Anordnung zur Herstellung eines Störfeldfreien Raumes dargestellt, worin den geschilderten Schwierigkeiten durch Kompensaiionsspulen um die Sonden begegnet wird. Die Sonden 42, 44, 46 sind in ähnlicher Weise wie in F i g. 1 nach den Koordinaten X, Y, Z ausgerichtet und in der Nähe des Vakuumzylinders des Elektronenmikroskopes 48 angeordnet. An die den Sonden 42, 44, 46 zugehörigen Magnetometer 50, 52, 54, deren Aussteuerung an den Meßinstrumenten 51, 53 und 55 überwacht werden kann, sind über die Leitungen 57, 59, 61 drei Leistungsverstärker 56, 58 und 60 angeschlossen, die in Abhängigkeit von den auf die Sonden einwirkenden Magnetfeldern Ströme erzeugen. Diese fließen durch die Widerstände 62,64,66 und speisen über die Leitungen 68, 70, 72 die in den Richtungen der Koordinaten X, Y, Z angebrachten Spulensätze 69, 71. 73, die den gleichen Aufbau wie in F i g. 1 besitzen können. Der Spannungsabfall über Widerstand 62 des in den λ-Spulensatz fließenden Stromes speist über einen einstellbaren Widerstand 76 eine unmittelbar um die Y-Sonde 44 gelegte Kompensationswicklung 86 und über einen einstellbaren Widerstand 78 eine unmittelbar um die Z-Sonde 46 gelegte Kompensationswicklung 88. In ähnlicher Weise speisen die Spannungsabfälle über den Widerständen 64 bzw. 66 die Kompensationwicklungen 84 und 89 mit den einstellbaren Widerständen 74 und 79, bzw. die Kompensationswicklungen 85 und 87 mit den einstellbaren Widerständen 75 und 77. Drei weitere unmittelbar auf die Sonden 42, 44, 46 aufgebrachte Kompensationswicklungen 9Z 93,94 werden über einstellbare Widerstände 96, 97,98 durch einen Strom gespeist, der vom Feldstrom des magnetischen Länsensystems des Elektronenmikroskopes 48 abgeleitet wird.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 2 ist grundsätzlich die gleiche wie die zuvor beschriebene Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. \. Zur Kompensation der Fremdfeldkomponenten der einzelnen Sonden geht man folgendermaßen vor. Vorübergehend werden die drei Regelsysteme durch Auftrennen der Leitungen 57, 59, 61 zwischen den Magnetometern 50, 5Z 54 und den Leistungsverstärkern 56, 58, 60 unterbrochen. Zunächst bleibt das Linsensystem des Elektronenmikroskopes ausgeschaltet und von den Spulensätzen ist nur einer in Betrieb, etwa der über Leitung 68 gespeiste A"-Spu!ensatz 69. Auf beliebige Weise wird jetzt ein bestimmter Strom durch den X-Spulensatz 69 über Leitung 68 und über den Widerstand 62 veranlaßt Falls das Feld des X-Spulensatzes 69 Komponenten in der Richtung der V-Sonde 44 und/oder der Richtung der Z-Sonde 46 zur Folge hat wird dies an den Meßinstrumenten 53 und/oder 55 angezeigt. Durch geeignete Wahl der Polung der Kompensationswicklungen 86,88 an den Anschlußklemmen 100,101 und durch Einstellen der Widerstände 76,78 werden die Anzeigen der Meßinstrumente 53,55 auf Null gebracht Damit ist der Einfluß des X-Spulensatzes auf K-Sonde 44 und Z-Sonde 46 praktisch beseitigt In entsprechender Weise verfährt man anschließend nacheinander mal dem Y- und Z-Spulensatz. Eine Oberlcreuzbeeinflussung der drei Regelsysteme ist damit ausgeschlossen. Man kann daher die beschriebene Art der Kompensation sinnvollerweise mit »Kreuzkompensaiion« bezeichnen.

Auch für die Kompensation des EigenfeldeJnflusses des Elektronenmikroskopes auf die drei Regelsysteme bleiben die Leitungen 57, 59, 61 noch unterbrochen. Bc Fehlen fremder Störfelder wird die Anzeige der Meß instrumente 51, 53, 55 Null sein, und erst das Einschal ten des Elektronenmikroskopes wird an den Meßin strumenten 51, 53, 55 unterschiedliche Ausschläge her vorrufen. Durch geeignete Polung der Anschlüsse de Kompensationsspulen 92, 93, 94 an den Anschlußklem men 102, 103 und 104 und durch Einstellen der Wider stände 96,97,98 werden die Ausschläge der Meßinsiru

ίο mente 51, 53, 55 auf Null gebracht. Damit ist praktiscl der Einfluß des Elektronenmikroskopes auf die Regel systeme auch für verschiedene Feldströmc eines ma gnetischen Linsensystems auskompensiert. Sind mehre rc selbständig einstellbare magnetische Systeme vor handen, so muß für jedes eine eigene Kompensations spule pro Sonde vorgesehen werden.

Nach Durchführung der beschriebenen Abgleichar beiten können die Unterbrechungen der Leitungen 5/ 59, 61 wieder beseitigt werden. Damit ist die Anord nung im betriebsbereiten Zustand, und Frerndfeldsiö rungen werden ausgeregelt, ohne daß es zu Überkreuz beeinflussungen der drei Regelsysteme kommt um ohne daß eine Änderung des Eigenfeldes des Elcktro nenmikroskopes die Regelung beeinflußt.

Eine andere Maßnahme zum Ausschalten des Ein flusses der Eigenfelder des Elektronenmikroskope kann darin bestehen, daß die Sonden an Stellen mon tiert werden, die von den Eigenfeldern nur minimal be einflußt werden. Diese Maßnahme kann für sich alleii in vielen Fällen genügen. Werden andere MaPnahmei vorgezogen, so empfiehlt sich oft der zusätzliche Ein satz der zuletzt genannten Maßnahme.

Eine weitere Möglichkeit zum Ausschalten de Eigenfeldeinflusses besteht darin, daß vor jeder Mes

sung oder nach jeder Änderung der Einstellung des ma gnetischen Linsensystemes eine grobe Kompensatioi des Eigenfeldes von Hand erfolgt. Man kann dann voi der statischen Regelung auf eine dynamische überge hen, etwa indem man zwischen den Magnetometern 5C 52, 54 und den Leistungsverstarkern 56, 58, 60 Koppel kondensatoren einführt. In F i g. 3 ist für diesen Fall de Bereich um die Magnetometer und Leistungsverstärke in entsprechender Abänderung dargestellt.

Die KoppelkondensatOTen 110, 111, 112 vcrbindei die Ausgänge der Magnetometer 50, 52, 54 mit den Ein gangen der Leistungsverstärker 56, 58, 60. Die Eingän ge der Leistungsverstärker 56,58,60 sind außerdem mi den Schleifern von drei Potentiometern 114, 115. 111 verbunden, deren äußere Klemmen jeweils an eine ge genüber den Eingängen der Leistungsverstärker positi

ve bzw. negative Spannung angeschlossen sind, im üb

rigen soll die Schaltung der Darstellung von F i g. 2 ent sprechen.

Das Kompensieren von Hand geschieht in der Wei se, daß man z.B. mit Potentiometer 114 so lange dii Gleichspannung am Eingang des Leistungsverstärker 56 verändert bis ein Nullausschlag am Meßinstrumen 51 anzeigt daß die Summe aller Magnetfelder in de Richtung der X-Sonde Null ergibt Ebenso verfähr man mit den Potentiometern 115 und 116 für die Y und Z-Richtung. Damit sind außer dem Eigenfeld de; EJektronenmikroskopes auch alle anderen am Ort dei Sonden vorliegenden magnetischen Gleichfelder er faßt selbstverständlich auch das magnetische Erdfeld

Die Zeatkonstantc der Regelung ergibt sich aus der Ka pazhät der Koppelkondensatoren 110. 111. 112 unc dem Emgangswidersoand der nachfolgenden Schaltung Sie kann so dimensionicrl ν erden, daß man ζ. B. cin(

untere Grenzfrequcnz von 0,1 Hz erhält. Wesentlich langsamere Feldänderungen werden dann nicht mehr ausgeregelt. Da die Meßzeiten bei Elektronenmikroskopen in der Regel unter 10 Sekunden liegen, i.si eine solche Grenzfrequenz noch zulässig. Dagegen werden alle schnellen Feldänderungen, die ja das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskopes beeinträchtigen, zuverlässig ausgeregelt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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1. Anordnung zum Erzielen eines von magnetischen Störfeldern freien Raumes zur Aufnahme störfeldempfindlicher Einrichtungen, wie Teilen von Elektronenmikroskopen, Spektroskopen u. dgi., mit drei magnetfeldempfindlichen Sonden, die im von Störfeldern freizuhaltenden Raum in drei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen angeordnet sind und die die Summe der in die jeweiligen Richtungen einer Sonde fallenden Magnetfelder aufnehmen, mit drei an die Sonden angeschlossenen Vorrichtungen, die in Abhängigkeit von der Summe aller von einer Sonde aufgenommenen Magnetfelder elektrische Ströme erzeugen und mit drei an die genannten Vorrichtungen angeschlossenen Spulen, die nach den Richtungen der drei Sonden ausgerichtet sind und die von den genannten Strömen in der Weise durchflossen werden, daß am Ort der Sonde die Summen aller dort vorhandenen Magnetfelder praktisch Null ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbindung der Rückwirkungen der Spule (69) einer Koordinatenrichtung auf Sonden (44, 46) einer andren Koordinatenrichtung Kompensationswicklungen (86, 88) an den genannten Sonden (44, 46) vorgesehen sind, die von einer dem Strom durch die genannte Spule (69) proportionalen Strom in der Weise durchflossen werden, daß die Rückwirkung der Spule (69) auf die Sonden (44,46) gerade aufgehoben wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbindung der Rückwirkung des magnetischen Eigenfeldes der zu entstörenden störfeldempfindlichen Einrichtung (48) auf eine oder mehrere Sonden (42, 44, 46) an jeder der betreffenden Sonden (42, 44, 46) eine Kompensationswicklung (92, 93, 94) vorgesehen ist, die von einem dem das Eigenfeld hervorrufenden Strom proportionalen Strom in der Weise durchflossen wird, daß die Rückwirkung des Eigenfeldes auf die jeweilige Sonde (42,44,46) gerade aufgehoben wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (74 bis 79,96 bis 98) zum Einstellen des Stromes durch die Kompensationwicklungen (84 bis 89,92 bis 94) vorgesehen sind.