DE2213208C3 - Rotationssymetrisches, sphärisch korrigiertes korpuskularstrahloptisches Abbildungssystem - Google Patents

Description

der Objektivlinse 1 verlaufen noch divergent, diejenigen mit größerem Achsenabstand konvergent. Die ein-

ander benachbarten Strahlen schneiden sich etwa in

der Mitte zwischen den beiden Linsen in den Punkten 65 einer auf eine kurze Strecke begrenzten Kaustiklinie4;

Die Erfindung bezieht sich auf ein rotationssymme- die Kaustiklinien aller Büschel bilden eine ringförmige Irisches, sphärisch korrigiertes korpuskularstrahl-, Kaustikfläche. Strahlen mit größerem Achsenabstand insbesondere elektronenoptisches Abbildungssystem als dem des Hauptstrahls in der Objektivlinse 1 be-

sitzen in der^ Linse 2 einen kleineren Achsenabstand. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

Die durch den Offnungsfehler bedingte zusätzliche gelöst, daß in Strahlrichtung hinter der von der Ob-

Brechkrafi der Linse 2 lenkt diese Strahlen wegen jektivlinse erzeugten Kaustikfläche eine zweite, gegen-

ihres kleineren Achsenabstandes schwächer zur Achse über der Objektivlinse langbrennweitige Zusatzlinse

hin ab als den Hauptstrahl, während sie durch den 5 angeordnet ist, die vor der ersten Zusatzlinse eine

öffnungsfehler der Objektivhnse 1 stärker zur Achse weitere ringförmige Kaustikfläche erzeugt. Die zweite

hin abgelenkt wurden. Genau das umgekehrte gik für Zusatzlinse bewirkt eine Umkehr der von der Achse

Strahlen mit kleinerem Achsenabstand in der Objek- aus gerechneten Strahlreihenfolge vor dem Eintritt

linse 1 und größerem Achsenabstand in der Linse 2, des Hohlstrahlbündels in die erste Zusatzlinse, so

wieder bezogen auf den Hauptstrahl. Die Linsenan- io daß die bildseitige Strahlreihenfolge die gleiche ist wie

Ordnung wirkt daher so, daß sich die Einflüsse der die gegenstandsseitige und damit die Sinusbedingune

gleich großen Offnungsfehler beider Linsen auf die erfüllt werden kann.

Vereinigung der von einem Achsenpunkt ausgehenden Die Anwendung der Erfindung kommt insbesondere und durch die Ringzonen der beiden Linsen verlaufen- bei einer Abbildung durch Elektronenstrahlen, aber den Strahlen gegenseitig kompensieren. Die den Haupt- 15 auch durch Ionenstrahlen in Betracht. Die Linsen des strahlen benachbarten Strahlen schneiden daher die Abbildungssystems können sowohl als elektrostatische optische Achse hinter der Linse 2 etwa im gleichen wie als magnetische Linsen ausgebildet sein. Von bePunkt 5. sonderer Bedeutung ist das Abbildungssystem für

Das hier verwirklichte Prinzip der gegenseitigen Korpuskularstrahlmikroskope, insbesondere Elektro-

Kompensation des Einflusses der öffnungsfehler 20 nenmikroskope, bei denen eine vergrößernde Abbil-

zweier Rundlinsen der herkömmlichen Bauart wider- dung gefordert wird. In diesem Falle wird man die

spricht nicht dem Scherzerschen Theorem. Der resul- erste Zusatzlinse so gestalten, daß sie ebenso wie die

tierende Öffnungsfehler 3. Ordnung des Doppellinsen- zweite Zusatzlinse langbrennweitig gegenüber der

systems hat das gleiche Vorzeichen wie die öffnungs- Objektivlinse ist.

fehler 3. Ordnung der einzelnen Rundlinsen und ist 25 Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in von Null verschieden. Durch die Kombination zweier F i g. 2 dargestellt. Das Abbildungssystem besteht aus Linsen entstehen jedoch große resultierende Öffnungs- drei Linsen: Der zu korrigierenden Objektivlinse und fehler 5. und höherer Ordnung, deren Vorzeichen zum zwei Zusatzlinsen zur Korrektur. Das Präparat ist Teil dem Vorzeichen des resultierenden Öffnungsfeh- — wie beim Doppellinsen-ß-Spektrometer nach lers 3. Ordnung entgegengesetzt sind. Im Falle der 30 B ο t h e — innerhalb der Brennweite der Objektiv-Fokussierung des Hohlstrahlbündels kompensieren linse angeordnet. Das vom Achsenpunkt O der Objektsich gerade die eine Strahlenvereinigung störenden Ein- ebene ausgehende Strahlenbündel wird in der Ausflüsse der resultierenden öffnungsfehler 3., 5. und höhe- trittsblendenebene von einer Ringblende 3 begrenzt, rer Ordnung. Von dem entstehenden Hohlstrahlbündel werden wie-

L e η ζ (Habilitationsschrift, Aachen 1957) hat 35 der nur die Strahlen eines Zonenbüschels verfolgt. Die

gezeigt, daß mit dem Strahlengang nach F i g. 1 eine Strahlen des Zonenbüschels schneiden sich hinter der

Fokussierung 2. Ordnung möglich ist; d. h., daß die Objektivlinse 1 — bedingt durch deren Öffnungsfehler

Abweichung von der punktförmigen Vereinigung der — in den Punkten einer begrenzten Kaustiklinie 4.

Strahlen im Fokus nicht von Δ * in 1. und 2. Ordnung Hinter dieser Kaustiklinie ist die Strahlreihenfolge

abhängt, wobei Δ χ der Winkel ist, den ein Strahl des 40 — von der Achse 8 her gesehen — vertauscht und der

Hohlstrahlbündels mit dem Hauptstrahl einschließt. öffnungsfehler der zweiten Zusatzlinse 6 wirkt daher

Dieser Fokus ist wegen der Gestalt der ihn umgeben- dem Öffnungsfehler des Objektivs entgegen. Die zweite

den Kaustikfläche von Lenz als »Kegelschneiden- Zusatzlinse hat die Aufgabe, die Strahlreihenfolge so

fokus« bezeichnet worden (s. auch N oven, Zeit- wiederherzustellen, wie sie vor der Objektivlinse 1 be-

schrift für angewandte Physik, 1964, S. 329 bis 341). 45 stand. Die zweite Zusatzlinse 6 ist, verglichen mit dei

Eine mehr oder weniger scharfe Abbildung einer Objektivlinse 1, langbrennweitig, damit das Zonen

kleinen Umgebung des Achsenpunktes O setzt voraus, büschel nur eine geringe Ablenkung erfährt. Ihi

daß die Sinusbedingung öffnungsfehler soll besonders groß sein, damit sich di:

divergent in eine Randzone der Linse eintretender

sin λ _ J₀ Strahlen des Büschels in einer nicht zu großen Ent

"^j_n" ~ ^cons fernung hinter der Linse 6 längs einer zweiten, kurzer

Kaustiklinie 7 noch einmal schneiden. Nach diese

wenigstens annähernd erfüllt ist, wobei « die gegen- Überschneidung fokussiert die erste Zusatzlinse 2 da

standsseitige und ψ die bildseitige Neigung eines Strahls gleichfalls divergent in eine Randzone dieser Linse ein

gegen die Achse ist. Bei dem Strahlengang nach 55 tretende Zonenbüschel auf der optischen Achse. Dv

F i g. 1 ist die Reihenfolge der Strahlen hinter der erste Zusatzlinse 2 soll deshalb ebenfalls einen großei

Linse!, von der Achse her gesehen, gegenüber der öffnungsfehler haben. Sie ist langbrennweitig, dann

Strahlreihenfolge vor der Linse 1 vertauscht. Dadurch das Zonenbüschel im Bildraum einen kleinen Winkel _v

ist die Sinusbedingung grob verletzt. Die Anordnung mit der optischen Achse einschließt. Das Sinusver

nach F i g. 1 liefert daher zwar eine Abbildung des 60 hältnis von gegenstandsseitiger Neigung zu bildseitige

Achsenpunktes O im Punkt 5; sie ist jedoch außer- Neigung des Zonenbüschels bestimmt die Vergröße

stände, Strukturen eines Objektes abzubilden, das sich rung der Abbildung über eine Umgebung des Punktes O erstreckt.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, ein Ab- Λ/_ο = -i^{n Λ}?-. bildungssystem der eingangs genannten Art so weiter- 65 sin Vo zubilden, daß es in der Lage ist, nicht nur einen Achsenpunkt, sondern ein ausgedehntes Objekt scharf abzu- Aus der F i g. 2 erkennt man, daß das Zonenbüschi • ·· · ■ den Achsenpunkt O der Objektebene dreimal abbilde

Überträgt man diese Vorstellung in Fi g. 2 auf das ge- zeichen haben, ist der Zoneo-Ößnungsfehlerkoeffisamte Hohlstrahlbündel, dann folgt, daß in der zient C& des Abbildungssysteros aus drei Linsen negaersten und einer zweiten Zwischenbildebene als astig- tiv. Das System ist geringfügig überkorrigiert,
matischc Bilder des Achsenpunktes O Kauslikringe Diese Überkorrektur kann dadurch beseitigt werenlstehen, die die optische Achse konzentrisch um- 5 den, daß in Strahlrichlung hinter der ersten Zusatzschließen. Die Hauptstrahlen aller Zonenbüschel mit linse eine dritte, gegenüber der Objektivlinse langder optischen Achse als Symmetrieachse bilden die brennweitige Zusatzlinse angeordnet ist Durch den Hauptfläche des Hohlstrahlbündels. positiven Zonen-Öffnungsfehlierkoef&denten dieser Der Strahlengang in der F i g. 3 zeigt die Abbildung dritten Zusatzlinse läßt sich der negative Zonen-Öffeines in der Meridionalebene liegenden Bereiches 2 r 10 aungsfehlerkoeffizient 3. Ordnung des bisher beum den Achsenpunkt O der Objektebene herum durch handelten dreilinsigen Abbildungssystems kömpendas in F i g. 2 dargestellte Abbildungssystem. Der Be- sieren. Das Abbildungssystem aus einer Objektivreich ist durch einen Pfeil dargestellt, um anzudeuten, linse und drei Zusatzlinsen ist dann bis zur 3. Ordnung daß das ebenfalls in der Meridionalebene liegende erste sphärisch korrigiert. In Fig. 2 ist die dritte Zusatz-Zwischenbild 2/·' asligmatisch und umgekehrt, das ,₅ linse gestrichelt angedeutet und mit 10 bezeichnet,
zweite 2r" astigmatisch und aufrecht und das dritte Es soll nunmehr auf die Ausbildung von magneti-BiId 2t'" stigmatisch und umgekehrt ist. Die Vergröße- sehen Linsen eingegangen werden, die als langbrennrung jeder Abbildungsstufe ist durch das Verhältnis weitige Zusatzlinsen für das Abbildungssystem nach von Bildweite zu Gegenstandsweite gegeben, wobei der Erfindung geeignet sind. Eine derartige magnetibeide längs eines Zonenbüschel-Hauptstrahls zu mes- ₂o sehe Linse ist in F i g. 4 schematisch dargestellt; ihre sen sind. Das Produkt der drei Einzelvergrößerungen Spaltbreite ist mit S, ihr Bohriingsdurchmesser mit D M₁, M_t und M₃ ergibt die Gesamtvergrößerung Μ_1Ά, bezeichnet.

die gleichzeitig durch das Verhältnis Für alle langbrennweitigen Linsen mit kleiner

Linsenstärke ist die Größe

f
(s. F i g. 2) bestimmt ist. Es gilt also M_lt3 = M₀.

Es sei hier auf einen wesentlichen Unterschied wobei Ce der öffmragsfehlerkoeffizient und / die

zwischen der Korrektur des öffnungsfehlen in der _3O Brennweite ist, nur von dem Verhältnis der Spaltbreite S

Umgebung der Achse und der Korrektur einer Ring- zum Bohmngsdurchmesser D abhängig. Zum Beisp el

zone hingewiesen. Bei der Korrektur von der Achse ., ._ .. . s

her wird der zulässige Aperturwinkel« vergrößert β**«" «ne Linse mit ^- = 1:
und damit das Auflösungsvermögen verbessert. Im

Gegensatz hierzu kann man den Öffnungswinkel des ₃₅ Cs „₂

Hohlstrahlbündels von vornherein groß wählen und ρ ^
damit eine hohe Auflösung anstreben. Die Abdeckung

dis achsennahen Bereiches durch den zentralen Teil Wie oben bereits gezeigt wurde, wird von den Zusatzder Ringblende verschlechtert aber den Kontrast. linsen ein möglichst großer ÖJfnungsfehler gefordert, Durch eine Korrektur des Öffnungsfehlers der Ring- ₄₀ wobei die Brennweiten durch andere Bedingungen zone erreicht man eine Vergrößerung der zulässigen mehr oder weniger festgelegt sind. Man kann daher Ringbreite und damit eine Verbesserung des Kon- zur Erzielung eines großen Öffnungsfehlers nur vertrastes. Mit Vorteil wird bei dem Abbildungssystem suchen, den Bohrungsdurchmesser D möglichst klein nach der Erfindung die radiale Breite der ringförmigen zu wählen. Diese Möglichkeit ist jedoch dadurch beZone der Objektivlinse (d in F i g. 2) so gewählt, daß ₄₅ grenzt, daß die Bohrung größer sein muß als der Querdie Wellenaberration des Hohlstrahlbündels hoch- schnitt des Hohlstrahlbündels. Man gelangt daher bei stens λ/4 beträgt, wobei λ die Wellenlänge der abbil·- Verwendung von Zusatzlinsen kleiner Liaseastärke im denden Strahlung ist. Für eine scharfe Abbildung ist Baulängen des Abbildungssystems in der Größenordes femer auch hier von Vorteil, die Linsen des Abbil- ming von 1 m und mehr.

dungssystems so zu erregen, daß sich im Bildraum ein ₅₀ Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Er-

Kegeischneidenfokus ergibt findung werden daher als magnetische Zusatzünsen

Für das korrigierte Abbildungssystem aus drei Linsen solche verwendet, die annähernd teleskopische Linsengemäß den F i g. 2 und 3 läßt sich ein Zonen-Öffnungs- stärke haben. Diese Linsenstärke ist dadurch definiert, fehlerkoeffizient C& für das Hohlstrahlbündel wie daß achsparallel in die Linse eintretende, achsnahe folgt definieren: ₅₅ Strahlen die Achse innerhalb des Linsenfeldes einmal Q = M· Cöz(ot — «„)». ^oder mehrfach kreuzen und wieder achsparaUel aus

der Linse austreten. Bei diesen Linsen hängt die

Hierbei bedeuten ρ = Radius des Öffnungsfehler- Größe

scheibchens in der Bildebene des korrigierten Ab- Cs

büdungssystems, M die Vergrößerung, α, die Neigung 60 ~~Z~ ^*

eines Hauptstrahls des Hohlstrahlbündels in der Ob- *

jektebene, α die Neigung eines dem Hauptstrahl be- nur vom Spalt-Bohrungsverhältnis ab Bei gkidiem

nachbarten Strahles. Das Öffnungsfehlerscheibchen Bohningsdurchmesser D ist also bd dieser Linsea-

hängt von Δ « = (α - Oi₀) in 3. Potenz ab, weil das stärke der Öffnungsfehlerkoeffizient C₆ der 4. Potenz Abbildungssystem sphärisch bis zur 2. Ordnung korn- 6₅ der Brennweite proportional im Gegensatz zur

giert ist. Im Gegensatz zum Zonen-Öffnungsfehler- 3. Potenz bei kleiner Linsenstärke. Man kann bei

koeffizienten der emzelnen Rundlinsen, die nach dem teleskopischen Zusatzlinsen und bei einer Gesamtlänge

Scherzerschen Theorem grundsätzlich positive Vor- des Abbildungssystem* von z. B 500 mm dk Bohrung

10- bis 15mal größer machen, als der Durchmesser des Hohlstrahlbündels beträgt, wodurch es überdies möglich wird, etwaige Unrundheiten der Linsenfelder im Bereich des Hohlstrahlbündels durch Stigmatoren zu korrigieren.

Die F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Abbildungssystems nach der Erfindung, bei der die Zusatzlinsen 2 und 6 eine schwach überteleskopische Linsenstärke haben. Als Objektivlinse 1 ist ein an sich bekanntes Einfeld-Kondensorobjektiv eingesetzt, das nahezu den minimalen, mit Rundlinse und Vollstrahl erreichbaren öffnungsfehler besitzt. Ein solches Einfeld-Kondensorobjektiv ist eine Linse, bei der der in Strahlrichtung vor dem Objekt liegende erste Teil des Feldes als Kondensator und der zweite Teil als Objektiv wirkt. Zur Verminderung der Objektivbelastung ist auch vor der Objektivlinse eine Ringblende 9 angeordnet.

Für das /S-Spektrometer aus zwei gleichen Linsen hat i i

von der Objektivlinse 1 stärker abgelenkt als der andere Strahl 12 mit der größeren Strahlspannung U. Sie durchlaufen die Objektivlinse in verschiedenen Achsabständen: der energiearme Strahl 11 (U — Δ U) weiter außen als der energiereiche Strahl 12 (U). Die den Einfluß des Objektiv-Farbfehlers kompensierende Wirkung der zweiten Zusatzlinse 6 besteht darin, daß der energiearme Strahl 11 diese Linse weiter innen durchläuft als der energiereiche Strahl 12 und daher durch den Farbfehler dieser Linse schwächer abgelenkt wird. Hinter der zweiten Zusatzlinse und vor der ersten Zusatzlinse schneiden sich beide Strahlen noch einmal im Punkt R'. Sie treten daher in die erste Zusatzlinse 2 in derselben Reihenfolge ihrer Achsabstände ein wie in die Objektivlinse 1. Die Wirkung des Farbfehlers dieser Linse auf die Strahlablenkung muß daher von der zweiten Zusatzlinse 6 mit kompensiert werden. Mathematisch drückt sich die Farbfehlerkorrektur durch die zweite Zusatzlinse in der Achro-

B ο t h e 1950 gezeigt, daß das System bei bestimmten ₂o masiebedingung dadurch aus, daß in dieser — in den Brechkräften der Einzellinsen als Achromat wirkt. Das Farbfehlerkoeffizienten der drei Linsen linearen Gleidreilinsige Abbildungssystem gemäß der Erfindung wirkt auf ein Hohlstrahlbündel ebenfalls als Achro-

mat, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

Cf₁

Ob]

chung — der Farbfehlerkoeffizient der zweiten Zusatzlinse ein negatives Vorzeichen erhält.

Auch hinsichtlich der Korrektur des Farbfehlers der durch die Ringblende begrenzten Ringzone der Objektivlinse ist es — ebenso wie bei der Öffnungsfehlerkorrektur — von Vorteil, wenn die beiden Zusatzlinsen bei annähernd teleskopischer Linsenstärke arbeiten, insbesondere zur Erzielung einer nicht zu großen Baulänge.

An einem Beispiel soll jetzt gezeigt werden, welche Parameter des Abbildungssystems unabhängig vorgegeben werden können und welche anderen Parametei damit eindeutig festgelegt sind, wenn die Abbildung

Hierin bedeuten Cf₀₆₁, Cf₁, Cf₂ die Farbfehlerkoeffizienten für unendliche Vergrößerung der drei 30 Linsen in der Reihenfolge Objektivlinse, erste und zweite Zusatzlinse; /₀, Z₁ und /₂ sind die entsprechenden Brennweiten und r_u r₂ die Achsenabstände der Hauptfläche des Hohlstrahlbündels in den Zusatzlinsen; r₀ ist der Achsenabstand der Hauptfläche in der 35 sphärisch und chromatisch korrigiert und die Sinusbeim feldfreien Raum angenommenen Austrittsblenden- dingung erfüllt sein soll. Das Beispiel zeigt zugleich die

Leistungsfähigkeit eines korrigierten Elektronenstrahl-

ebene der Objektivlinse.

In F i g. 6 ist der Strahlengang für die Abbildung des Achsenpunktes der Objektebene durch das sphärisch und chromatisch korrigierte Abbildungssystem wiedergegeben. Dabei ist der Strahlenverlauf in den beiden Zusatzlinsen vereinfacht dargestellt; beide Linsen werden bei schwach überteleskopischer Linsenstärke betrieben und lenken die Strahlen so ab, wie es im Prinzip in F i g. 5 gezeigt ist.

Vom Achsenpunkt O der Objektebene in F i g. 6 gehen nach beiden Seiten der optischen Achse je zwei durchgezogen bzw. gestrichelt dargestellte Elektronen-Strahlenbüschel aus, die sich durch ihre Strahlspannung U bzw. U-AU unterscheiden und durch clie Ringblende 3 hinter der Objektivlinse 1 begrenzt winrden. Im folgenden werden die beiden links von der optischen Achse liegenden Strahlenbüschel betrachtet.

Der störende Einfluß des Öffnungsfehlers der Objektivlinse auf den Verlauf der beiden Zonenbüschel unterschiedlicher Strahlspannung wird in derselben Weise, wie oben für ein Zonenbüschel gezeigt wurde, durch den Einfluß der Öffnungsfehler der zwei Zusatzlinsen kompensiert.

Die Kompensation der Wirkung des Farbfehlers der Objektivlinse durch die Farbfehler der Zusatzlinsen wird am Beispiel der — im Objektiv von der Achse her gesehen — äußeren Randstrahlen 11 und 12 der Zonenbüschel erläutert. Sie sind dadurch ausgezeichnet, daß sie hinter der Objektivlinse die Ringblende 3 gerade am äußeren Rand R passieren und sich dort schneiden. Der gestrichelt gezeichnete Strahl 11 mit der kleineren Strahlspannung U-AU wird wegen des Farbfehlers Abbildungssystems nach der Erfindung.
Es werden vorgegeben:

1. die Strahlspannung U = 10 kV,

2. die Objektivdaten:

a) Brennweite / = 0,8 mm,

b) Öffnungsfehlerkoeffizient Cö = 0,5 mm,

c) Farbfehlerkoeffizient Cf = 0,6 mm.

Diese Daten besitzt ein Einfeld-Kondensorobjekti ν mit 5 = 2,5 mm und D = I mm, solange die Polschuhe magnetisch nicht gesättigt sind.

3. die konstanten Daten der Zusatzlinsen bei ge

wählter Polschuhgeometrie -^- = 1 und teleskop!

scher Linsenstärke:

a) Linsenstärkeparameter

kG^!mm²

kV

= 73,

b) Spaltinduktion B_Spait = 20 kg,

c) Öffnungsfehlerparameter

d) Farbfehlerparameter

C000

D³ = 20,

/²

D = 3,5.

4. die Abstände der Zusatzlinsen vom Objektiv

a) der Abstand Z₁ der ersten Zusatzlinse von

Objektiv. Er entspricht der Länge des Abbil

dungssystems und wird zu Z₁ = 500 mm ange

nommen.

509 646/2

b) der Abstand z₂ der zweiten Zusatzlinse vom a) Die Kurve JV₁ wurde für eine reelle, 25fach ver

Objektiv. größernde Abbildung durch das Abbildungs·

Er wird im folgenden variiert. *^{vstem a}"^s Objektivlinse und zwei Zusatzlinser

berechnet. Fur sie gut ΔM ~ Δ³&. Im Maxi-

Hieraus lassen sich alle anderen Größen des Ab- 5 mum der Kurve RA erhält man N₁ m 70Bildbildungssystems berechnen. punkte/Durchmesser. Es ist nicht zweckmäßig, In F i g. 7 sind die folgenden, die Leistungsfähigkeit einen größeren Abbildungsmaßstab zu wählen, des Abbildungssystems kennzeichnenden Größen als weil mit der Vergrößerung auch die Abwei-Kurven in Abhängigkeit von der Lage z_t der zweiten chung Δ M von der Sinusbedingung zunimmt. Zusatzlinse dargestellt: 10 b) Die Kurve N₂ wurde für eine virtuelle Abbildung durch das aus Objektivlinse, erster und

. ,. ,,-τ,- -1 Δα. .„ „ .. _c. zweiter Zusatzlinse bestehende Abbildungs-

1. die relative Ringapertur 2 — (Kurve RA). Sie _{system berechnetj wobej der} Vergrößerung-

zeigt ein Maximum von ca. 15%, wenn die zweite maßstab allein durch die anderen, oben

Zusatzlinse etwa in der Mitte zwischen der _l5 unter 1 bis 4 angegebenen Daten bestimmt ist.

Objektivlinse und der ersten Zusatzlinse angeord- Für die Kurve N₂ gilt Δ M ~ Δ*<χ; die Ab-

net ist. Beim Abbilden mit der Objektivlinse allein weichung von der Sinusbedingung ist also um

ohne Zusatzlinsen dürfte man bei gleicher Nei- die Potenz in Δ « kleiner, und die Anzahl der

gung «₀ des Hauptstrahls in der Objektebene die Bildpunkte/Durchmesser wächst gegenüber

. . _n. . . ,„ ..„ . -Λα «_{o 20} N₁ ssj 70 etwa um den Faktor 3 ... 10.

relative Ringapertur nicht großer als 2 — = 2 % ^l

wählen, wenn die Wellenaberration in der Ring- Man wird sowohl eine hohe Ringapertur (Kurve RA) zone den Wert λ/4 nicht überschreiten soll. Durch als auch eine möglichst große Anzahl der Bildpunkte/ die Korrektur des Öffnungsfehlers der Objektiv- Durchmesser (Kurve N₂) anstreben. Ein entsprechenlinse in der Umgebung der Hauptfläche des Hohl- ₂₅ der Kompromiß ergibt sich, wie in F i g. 7 eingezeichstrahlbündels läßt sich also die durch die λ/4-Be- net, bei einer Lage der zweiten Zusatzlinse mit z₂ dingung begrenzte Ringbreite um den Faktor 7... 8 = 313 mm; die Vergrößerung beträgt dann Λ/₀ + 196. vergrößern. Die der Kurve RA zugrundeliegende Einige Werte der Vergrößerungen, die sich bei ande-Bedingung für die Wellenaberration Wbei scharfer ren Lagen der zweiten Zusatzlinse ergeben, sind neben Abbildung lautet W = α Δ*χ < A/4. Durch ge- ₃₀ der Kurve N₂ als Parameter eingetragen. Es sind in eignete Wahl der Parameter des Abbildungs- allen Fällen hohe virtuelle Vergrößerungen. Mit einer systems läßt sich eine Abhängigkeit der Wellen- weiteren dritten Zusatzlinse, die in Stahlrichtung hinaberration von Δ » der Form W = α Δ*χ + b Δ*χ ter der ersten Zusatzlinse angeordnet ist, kann ein —λ/4 erzielen, wobei α und b entgegengesetzte Vor- reelles Bild erzeugt und die Ringapertur — aus zeichen tragen. Die zulässige Ringapertur 2 Δ α. ₃₅ den obenerwähnten Gründen — weiter vergrößert wererhöht sich dann um den Faktor 1,41 von 15% den. Einen derartigen Strahlengang zeigt F i g. 8, in der auf 21 %. die gleichen Bezugszeichen verwendet sind wie in . ,„ .., , , Fig. 2; aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß das Hohlstrahl-

2. die Punktauflösung δ_ρρ fur zwei inkohärent strah- bündel durch die erste Zusatzlinse 2 virtuell auf einen lende Punkte (Kurve PA). Sie beträgt im Maxi- _+ο Achsenpunkt 5' fokussiert wird.

mum der Kurve RaI 0.7 A. Unter sonst gleichen _{Bd dem Abstand = 5QQ mm fezw = 313 mm} Voraussetzungen erhalt man bei höheren Strahl- _{der ersten bzw 2wdten ZusatzJinse von der} Objektivspannungen als 10 kV eine bessere Punktauflo- _{Unse efgeben sich ffir diese Ua$ca Mgende} ^_erte.

sung, z. B. ,,nw ^ißre Polschuh-Bohrungsdurchmesser und ihre Spalt-

dpp = 0,26A bei U- 4U kV. _{weiten betragen D s i36 bzw D s 2 56}

Dabei sinkt aber die relative Ringapertur aut _{und ihre Brennweiten /l =} + 4o_mm bzw. /, =

2 —- m 10% + 428 mm. Die positiven Vorzeichen der Brennweiten

^α bedeuten, daß beide Linsen bei unterteleskopischer

3. die Anzahl N der auf dem Durchmesser des Ge- Linsenstärke betrieben werden. Durch die Polschuhsichtsfeldes aufgelösten Bildpunkte. Sie ist der Ab- 50 abmessungen und die Brennweiten sind die zur weichung der Strahlen des Zonenbüschels von der Korrektur notwendigen öffnungs- und Farbfehler-Sinusbedingung umgekehrt proportional, d. h., ,«..... ■, „ . . C₅ _,

⁶⁶ _sina koeffizienten wegen der Beziehungen-jf D³ = 20 und

je besser das Verhältnis M = —.— für jeden _r ^}

■ 1 c t.i a -7 u- TΪ ·♦ a -^fD = 3,5 eindeutig bestimmt

einzelnen Strahl des Zonenbuschels mit dem 55 /

Verhältnis M₀ = ^ des Hauptstrahls überein- _t?}^e Linsen mit annähernd teleskopischer Linsen-⁰ sin v, ^v starke, die in F1 g. 5 jeweils durch zwei linsenförmige stimmt, desto mehr Bildpunkte werden aufgelöst, Querschnitte symbolisiert sind, werden in der Regel „ 1 _ 1 π- j. »„,„μ v^», Q„f durch magnetische Linsen mit nur einem Linsenspalt ^Λ ~ M-M, - ~ΔΜ~· * ^{ur aie Anzam Λ aer am}" 60 und entsprechend hoher Erregung realisiert. Anderergelösten Bildpunkte sind in F i g. 7 zwei Kurven seits kann man auch, um die Bilddrehung aufzuheben, jVj und N_% wiedergegeben, die sich durch die die Zusatzlinsen 2 und 6, gegebenenfalls auch 10, als Abhängigkeit von Δ M als Funktion der Ring- Doppellinsen mit je zwei hintereinanderliegenden apertur Δ α unterscheiden: Spalten ausbilden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 ^ 2 mit einer Objektivlinse, die durch eine Ringblende bis Patentansprüche: auf eine ringförmige Zone abgeblendet ist, und einer ersten Zusatzlinse, die hinter der von der Ofcjekiivlinse

1. Rotationssymmetrisches, sphärisch korrigier- erzeugten ringförmigen Kaustikfläche des vom tes korpuskularstrahl-, insbesondere elektronen- 5 Achsenpunkt der Objektebene ausgehenden Hohloptisches Abbildungssystem mit einer Objektiv- strahibündels angeordnet ist und dieses Bündel auf linse, die durch eine Ringblende bis auf eine ring- einen Achsenpunkt fokussiert. Ein derartiges Abbiiförmige Zone abgeblendet ist, und einer ersten Zu- dungssystem ist beispielsweise aus dem Beitrag von satzlinse, die hinter der von der Objektivlinse er- B ο t h e aus »Naturwissenschaften«, Bd. 37, 1950, zeugten ringförmigen Kaustikfläche des vom io S. 41, bekannt

Achsenpunkt der Objektebene ausgehenden Hohl- Alle bisherigen Maßnahmen zur Korrektur des

Strahlbündels angeordnet ist und dieses Bündel auf öffnungs- und des axialen Farbfehlers von Elektroneneinen Achsenpunkt fokussiert, dadurch ge- objektivlinsen gehen von einem Theorem von kennzeichnet, daß in 3trahlrichtung hinter Scherzer aus, das besagt, daß magnetische oder der von der Objektivlinse (1) erzeugten Kaustik- 15 elektrische Abbildungsfelder, die rotationssymetrisch Däche (4) eine zweite, gegenüber der Objektivlinse raumladungsfrei und zeitlich konstant sind, immer einen (1) langbrennweitige Zusatzlinse (6) angeordnet ist, von Null verschiedenen positiven öffnungsfehler 4ie vor der ersten Zusatzlinse (2) eine weitere ring- 3. Ordnung und einen axialen Farbfehler 1. Ordnung förmige Kaustikfläche (7) erzeugt. besitzen. Ein Abweichen von diesen drei Eigenschaften

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch _ao ermöglicht die Korrektur der beiden Fehler. Von den gekennzeichnet, daß die erste Zusatzlinse (2) zwecks sich daraus ergebenden Wegen zur Korrektur, die man vergrößernder Abbildung ebenfalls langbrenn- bisher beschritten hat, seien hier genannt:

weitig gegenüber der Objektivlinse (1) ist. 1. Verwenden von Quadrupol-Oktopolfeldern (un-

3. Abbildungssystem nach Anspruch 1, gekenn- runde Linsen),

xeichnet durch eine solche radiale Breite (d) der 25 2. Erzeugen von Raumladungen oder Anbringen ringförmigen Zone der Objektivlinse (1), daß die einer zylinderförmigen Elektrode längs dir opti-

Wellenaberration des Hohlstrahlbündels hoch- sehen Achse.

»tens λ/4 beträgt, wobei λ die Wellenlänge der ab- 3. Verwenden von Hochfrequenzlinsen,

bildenden Strahlung ist. Dabei verspricht man sich von den unrunden Linsen

4. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch 30 das meiste, um die durch immer bessere Konstruktiogekcnnzeichnet, daß in Strahlrichtung hinter der nen schon kleinen öffnungs- und Farbfehler der jetziersten Zusatzlinse (2) eine dritte, gegenüber der gen Elektronenobjektivlinsen noch weiter zu reduzie-Objektivlinse (1) langbrennweitige Zusatzlinse (10) _ren.

Ungeordnet ist (F i g. 2 und S). Ein anderes Prinzip zur Kompensation desöffnungs-

5. Abbildungssystem nach Anspruch 4, dadurch 35 fehlers liegt dem eingangs genannten Abbildungsgekennzeichnet, daß das durch die Objektivlinse system zugrunde, das B ο t h e bei einem sogenannten (1), die erste (2) und die zweite (6) Zusatzlinse er- Doppellinsen-zS-Spektrometer verwendet hat. Dieses eeugte Bild virtuell vergrößert ist (F i g. 8). Prinzip sei hier beschrieben, weil es auch in dem Ab-

6. Abbildungssystem nach Anspruch 1 mit zu- bildungssystem gemäß der Erfindung angewandt wird. Bätzlicher Korrektur des Farbfehlers, gekenn- 40 In diesem Doppellinsen-/3-Spektrometer werden zwei eeichnet durch eine solche Lage der Linsen, daß die gleiche Linsen 1 und 2 benutzt, um einen Teil der von Bedingung einer /3-Strahlenquelle ausgehenden Elektronen eines

/ _ \i / \* / \» bestimmten Impulses zu fokussieren (F i g. 1). Die Be-

^Ci?ob>" I - ° I + ^c"i ( I — ( I = ° grenzung des von der Quelle O ausgehenden Elektro-

\/o/ \/i/ V/2/ 45 nenstrahlbündels erfolgt durch eine Ringblende 3

hinter der Objektivlinee 1. Von dem entstehenden

erfüllt ist, wobei Cf_obl, Cp₁, Cf₂ die Farbfehler- Hohlstrahlbündel werden in F i g. 1 nur Strahlen verkoeffizienten für unendliche Vergrößerung der folgt, die in der Meridionalebene liegen; die Gesamt-Objektivlinse (1) und der ersten (2) bzw. zweiten (6) heit dieser Strahlen wird als Zonenbüschel bezeichnet. Zusatzlinse, /₀, J_x und /₂ die entsprechenden 50 Die Quelle O liegt zwischen der Objektivlinse 1 und Brennweiten ,r_x, r₂ die Achsabstände der Haupt- ihrem gegenstandsseitigen Brennpunkt F, so daß achfläche des Hohlstrahlbündels beim Eintritt in die sennahe Strahlen hinter dieser Linse (ohne Ringblende) Zusatzlinsen sind u.ld r₀ der Achsabstand der divergent verlaufen. Der öffnungsfehler dieser Linse Hauptfläche in der im feldfreien Raum angenom- bewirkt, daß Strahlen mit größer werdendem Achsenmenen Austritts-Ringblendenebene (3) der Objek- 55 abstand immer stärker zur Achse 8 hin abgelenkt tivlinse (1) ist. werden. Der zwischen den beiden Linsen 1 und 2 ge-

7. Abbildungssystem nach Anspruch 1 mit rade achsenparallel verlaufende Strahl ist der Hauptmagnetischen Linsen, dadurch gekennzeichnet, daß strahl des Zonenbüschels gegenstandsseitige Neigung die Zusatzlinsen (2, 6) annähernd teleskopische «₀, bildseitige Neigung y>₀. Die dem Hauptstrahl be-Linsenstärke haben (F i g. 5). 60 nachbarten Strahlen mit kleinerem Achsenabstand in