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Die Erfindung betrifft ein Wiensches
Filter, welches mit Elektroden zum Erzeugen eines elektrischen Feldes
und Magnetpolen zum Erzeugen eines magnetischen Feldes versehen
ist, wobei die Elektroden und Magnetpole rings um eine Filterachse
herum angeordnet sind und entlang dieser eine endliche Länge aufweisen,
und wobei sie rings um die Filterachse derart positioniert sind,
dass die durch die jeweiligen Felder induzierten und auf ein elektrisch geladenes,
sich im wesentlichen entlang der Filterachse mit einer bestimmten
Geschwindigkeit bewegendes Teilchen ausgeübten elektrischen und magnetischen
Kräfte
zueinander im wesentlichen eine entgegengesetzte Richtung einnehmen
und im wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Teilchens
durch das Filter hindurch gerichtet sind, wobei das Filter entlang
seiner Achse zwei durch die endliche Länge der Elektroden und Magnetpole
bestimmte Enden aufweist, und wobei die beiden Enden durch eine
Verschlussplatte abgeschlossen sind, die im wesentlichen transversal
zur Filterachse positioniert und mit einer Öffnung rings um die Filterachse versehen
ist, um dem Teilchen ein Eintreten in das Filter und ein Austreten
aus diesem heraus zu ermöglichen.
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Ein solches Filter ist aus Patent
Abstracts of Japan, Vol. 014, Nr. 338 (E-0954), 20. Juli 1990 & JP-02114442 A
bekannt. Die auf das Teilchen ausgeübte elektrische Kraft wird
durch die elektrische Ladung des Teilchens und das elektrische Feld
verursacht, und ist in die gleiche Richtung wie das elektrische
Feld oder in eine zu diesem entgegengesetzte Richtung gerichtet,
abhängig
davon, ob die elektrische Ladung des Teilchens positiv oder negativ
ist. Die auf das betreffende Teilchen ausgeübte magnetische Kraft, die
sogenannte Lorentz-Kraft, wird durch die Ladung des Teilchens, die
Geschwindigkeit des Teilchens und das Magnetfeld verursacht, wobei
die Richtung des Magnetfelds senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit
und zur Richtung des Magnetfeldes ist, wobei sie zusätzlich davon
abhängig
ist, ob die Ladung des Teilchens positiv oder negativ ist. Da das
elektrische Feld und das magnetische Feld in dem Filter senkrecht
zueinander gerichtet sind, werden die elektrische und die magnetische
Kraft auf das Teilchen in der gleichen oder in der entgegengesetzten
Richtung ausgeübt.
Das elektrische und das magnetische Feld müssen so gerichtet sein, dass
die elektrische und die magnetische Kraft auf das Teilchen in entgegengesetzten
Richtungen ausgeübt werden.
Die Größe der beiden
Kräfte
hängt von
der Größe der elektrischen
Ladung des Teilchens, der Geschwindigkeit des Teilchens und der
Größe der beiden
Felder ab. Ein spezifisches Verhältnis
der Größen der
beiden Felder wird die auf das Teilchen bei einer spezifischen Geschwindigkeit
des Teilchens ausgeübte
Nettokraft Null sein. Bei dieser Geschwindigkeit wird ein Teilchen
nicht von seiner ursprünglichen
Bahn abgelenkt werden, während
Teilchen, welche diese Geschwindigkeit nicht aufweisen, abgelenkt
werden. Dies ist das Prinzip, auf welchem ein Wiensches Filter beruht.
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Allerdings muss, damit das Filter
ordnungsgemäß arbeitet,
das Verhältnis
der Größen der
beiden Felder entlang der Filterachse konstant sein. Wenn dies nicht
der Fall ist, wird es immer Positionen geben, wo eine Nettokraft
auf das Teilchen ausgeübt wird,
was zu einer unerwünschten
Ablenkung des zu filternden Teilchens führt, was in einer Verschlechterung
der Effizienz des Filters resultiert. Eine gut konstruierte Form
und präzise
Herstellung der Komponenten des Wienschen Filters sowie eine präzise Ausrichtung
machen es möglich,
ein konstantes Verhältnis
der Größen der
beiden Felder entlang der gesamten Filterachse zu erhalten. Die
Elektroden und Magnetpole können
auch jeweils das gegenseitige Feld beeinflussen. Um dies zu verhindern,
können die
Elektroden und Magnetpole sowohl elektrisch als auch magnetisch
gemacht werden. Allerdings sind all dies keine leicht erreichbaren
Maßnahmen,
und es gibt keine Garantie, dass die präzise Ausrichtung während der
Verwendung des Filters beibehalten wird.
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In der Vorrichtung gemäß JP-02
114442 A wird das konstante Verhältnis
des elektrischen und des magnetischen Feldes mittels Spiegeln erreicht, die
an dem Eintrittsloch und dem Emissionsloch des Filters installiert
und miteinander über
ein Spiegeljoch verbunden sind.
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Das Wiensche Filter gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der gegenseitige Abstand der Elektroden
und der gegenseitige Abstand der Magnetpole größer oder gleich dem gegenseitigen
Abstand der Verschlussplatten ist. Folglich bestimmen die Verschlussplatten
die Form des elektrischen und magnetischen Feldes in solcher Weise, dass
gewährleistet
ist, dass der Verlauf der beiden Felder über die Filterachse identisch
ist, und dass das Verhältnis
der Größe des elektrischen
und magnetischen Feldes über
die Filterachse konstant ist. Die Herstellung und der Zusammenbau
des Wienschen Filters gemäß der Erfindung
ist einfach. Die Anforderungen zum Erhalt eines effektiven Filters
im Hinblick auf die Präzision
der Komponenten und ihrer Ausrichtung in dem Filter sind bescheiden.
Dies macht das Filter gemäß der Erfindung
sowohl preiswerter als auch leichter anwendbar als die bekannten Filter.
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Es versteht sich, dass zum Erhalten
eines elektrischen Feldes eine elektrische Ladung auf wenigstens
zwei Elektroden bereitgestellt werden muss, und das die elektrische
Ladung auf den beiden Elektroden unterschiedlich sein muss. Die
unterschiedlichen elektrischen Ladungen können erhalten werden, indem
eine Potentialdifferenz über
die betreffenden Elektroden angelegt wird. Für den Fachmann ist es auch
offensichtlich, dass zum Erhalten eines magnetischen Feldes wenigstens
zwei unterschiedliche magnetische Pole vorhanden sein müssen, d.h.
ein magnetischer Nord- und Südpol.
Die magnetischen Pole werden durch Magnete gebildet, von denen ein Magnetpol
zur Filterachse hin gerichtet ist.
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Vorzugsweise ist die Abmessung der Öffnung in
der Verschlussplatte zu einem Wert ausgewählt, so dass der kürzeste Abstand
von einem Punkt, welcher an dem Schnitt der Filterachse und einer
Ebene auf halbem Weg zwischen den Verschlussplatten und senkrecht
zur Filterachse bis zum Rand der Öffnung höchstens gleich dem kürzesten Abstand
von diesem Punkt zu den Elektroden und den magnetischen Polen ist.
Der Abschirmeffekt der Verschlussplatten an den beiden Feldern wird
dann nicht durch die Öffnung
in den Verschlussplatten beeinflusst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
erstrecken sich die Verschlussplatten hinter die Elektroden und
die magnetischen Pole. Die Verschlussplatten können auch in einem Gehäuse untergebracht
sein, welches die Elektroden und magnetischen Pole umgibt, und aus
einem Material mit niedrigem elektrischen und magnetischen Widerstand hergestellt
ist. Die beiden Felder sind nun innerhalb der Verschlussplatten
oder dem Gehäuse
eingeschlossen, so dass ihr Effekt auf das Innere des Filters begrenzt
ist. Ein Gehäuse
ist für
diesen Zweck eine bessere Sicherungsmaßnahme.
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Andere Vorteile des Wienschen Filters
gemäß der Erfindung
werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform
des Wienschen Filters gemäß der Erfindung
und einer möglichen
Anwendung des Filters deutlich. Die Erfindung wird nun detaillierter
unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen
erläutert,
in denen ähnliche Teile
mittels identischer Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
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– die 1a und 1b eine schematische Ansicht zweier kombinierter
Querschnitte durch die Filterachse bzw. den Verlauf des elektrischen
und des magnetischen Feldes entlang der Filterachse eines Wienschen
Filters gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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– die 2a und 2b eine schematische Ansicht zweier kombinierter
Querschnitte durch die Filterachse bzw, den Verlauf des elektrischen
und magnetischen Feldes entlang der Filterachse eines Wienschen
Filters gemäß der Erfindung
zeigen;
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– 3 einen zur Filterachse
des Wienschen Filters transversalen Querschnitt gemäß sowohl
dem Stand der Technik als auch der Erfindung zeigt;
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– und 4 eine Anwendung des Wienschen
Filters gemäß der Erfindung
zeigt.
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Die Wienschen Filter, welche in den 1a, 2a und 3 gezeigt
sind, weisen zwei Elektroden 110 und zwei Magnete 120 auf,
die rings um die Filterachse F vorgesehen sind. Ein magnetischer
Pol der Magnete 120 ist zur Filterachse F hin gerichtet.
Der Effekt des Filters wird durch die magnetischen Pole bestimmt,
so dass hauptsächlich
auf den magnetischen Pol und nicht den Magneten Bezug genommen wird. Als
Magnete können
permanente und elektromagnetische Magnete verwendet werden. Zwischen
den beiden Elektroden 110 existiert ein elektrisches Feld E,
und zwischen den beiden magnetischen Polen liegt ein magnetisches
Feld B vor. Der Nordpol des einen Magnetes ist zum Südpol des
anderen Magneten hin gerichtet, und die beiden Elektroden weisen eine unterschiedliche
Ladung aufgrund der Tatsache auf, dass an diese unterschiedliche
Spannungen angelegt sind.
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In den gezeigten Ausführungsformen
werden sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld mittels
eines elektrischen bzw. eines magnetischen Dipols erzeugt, allerdings
wird in der Praxis das elektrische und/oder magnetische Feld häufig mittels
Multipolen erzeugt, welche mehr als zwei Pole aufweisen. Dies hat
für die
Erfindung keine weitere Auswirkung. Die Multipol-Konfiguration kann
auch in dem Wienschen Filter gemäß der Erfindung
angewendet werden.
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Die oben erwähnten Figuren zeigen auch Verschlussplatten 130,
welche die Wienschen Filter an den Enden abschließen. Rings
um die Filterachse F ist eine Öffnung 131 in
den Verschlussplatten 130 vorgesehen, um den geladenen
Teilchen ein Hindurchtreten zu ermöglichen. Die Öffnung in
den Verschlussplatten darf nicht zu groß sein, sollte jedoch eine
solch kleine Abmessung haben, dass der Abstand von einem im wesentlichen
auf der Filterachse befindlichen Punkt bis zum Rand der Öffnung in
einer der Verschlussplatten höchstens
im wesentlichen gleich dem Abstand von dem Punkt bis zu den Elektroden
und/oder magnetischen Polen ist.
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Die Verschlussplatten 130 weisen
einen geringen elektrischen und magnetischen Widerstand auf. Hierzu
sollte das Material, aus dem die Verschlussplatten 130 hergestellt
sind, die elektrischen Eigenschaften eines Metalls aufweisen, während es eine
relative magnetische Permeabilität
aufweist, die sich signifikant von dem Wert Eins unterscheidet.
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Es ist ratsam, ein (in den Figuren
nicht gezeigtes) Gehäuse
rings um die Elektroden 110 und Magnete 120 vorzusehen,
um den Effekt der Felder außerhalb
des Filters weiter zu begrenzen. Die Verschlussplatten 130 bilden
dann einen Teil des Gehäuses.
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In den 1a und 2a ist der kürzeste Abstand
von der Filterachse F zu einer Elektrode und zu einem magnetischen
Pol mit D bezeichnet, und der Abstand von den Verschlussplatten 130 bis
zu einer Ebene M auf halbem Weg entlang der und senkrecht zu der
Filterachse zwischen den beiden Verschlussplatten 130 ist
mit L bezeichnet.
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Auf ein geladenes Teilchen, welches
sich entlang der Filterachse F bei einer bestimmten Geschwindigkeit
bewegt, wird eine elektrische und eine magnetische Kraft in einer
Weise ausgeübt,
wie sie in der Einleitung beschrieben wurde. Bei einem spezifischen
Verhältnis
der Größen des
elektrischen Feldes E und des magnetischen Feldes B wird das ideale Wiensche
Filter keine Nettokraft auf das geladene Teilchen ausüben, welches
sich mit einer spezifischen Geschwindigkeit fortbewegt. Dieses Teilchen wird
aus dem Wienschen Filter entlang der Filterachse heraustreten, während Teilchen,
welche eine davon verschiedene Geschwindigkeit aufweisen, eine laterale
Kraft erfahren und folglich einer seitlichen Verschiebung unterzogen
werden. Innerhalb eines begrenzten Bereiches rings um die Filterachse
wird das oben erwähnte
Verhältnis
oft konstant sein, so dass Filterung nicht nur auf der Filterachse
auftritt.
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In dem Wienschen Filter gemäß dem Stand der
Technik werden die Elektroden 110 und die magnetischen
Pole 120 in der Richtung parallel zu der Filterachse F
lang ausgeführt,
während
sichergestellt wird, dass das Verhältnis des elektrischen Feldes
E und des magnetischen Feldes B, welches einen Bereich im mittleren
Teil des Wienschen Filters bedeckt, konstant ist. Wie aus 1b ersichtlich ist, ist
dieses Verhältnis
an den Enden des Filters gemäß dem Stand der
Technik nicht konstant, d. h. an den Rändern des elektrischen und
des magnetischen Feldes. An diesen Positionen wird eine Nettokraft
auf ein elektrisch geladenes Teilchen ausgeübt werden, welches eine solche
Geschwindigkeit aufweist, dass es keine Nettokraft in dem Bereich
im mittleren Teil des Filters erfahren wird. Es wird keinen ordnungsgemäßen Filtereffekt
geben.
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Das Wiensche Filter gemäß der Erfindung löst dies
dadurch, dass der Abstand L ungefähr gleich oder kleiner als
der Abstand D gemacht wird, wie aus 2a ersichtlich
ist. Zusätzlich
sollten die Verschlussplatten 130 sowohl elektrisch als
auch magnetisch leitfähig
sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Material mit einem
geringen elektrischen und magnetischen Widerstand ausgewählt wird,
etwa beispielsweise eine Nickel-Eisen-Legierung, welche 50% Nickel
und 50% aufweist. Dieses Material dient nur als Beispiel; andere
Materialien sind ebenfalls möglich.
Die in 2b gezeigte Form der
beiden Felder wird in dieser Situation vollständig, oder nahezu vollständig, durch
die Verschlussplatten 130 und nicht durch die tatsächliche
Form der Elektroden und magnetischen Pole bestimmt, und die Positionierung
der Elektroden 110 und der magnetischen Pole 120 ist
nicht besonders kritisch. Die Tatsache, dass der Verlauf der beiden
Felder entlang der Filterachse F identisch ist, impliziert, dass
das Verhältnis
der Größen der
beiden Felder konstant ist.
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Die Form der beiden Felder wird nicht
vollständig
durch die Ränder
der Felder („fringe
field" = „Randfeld") bestimmt. In der
Praxis spricht man nicht davon, dass ein Teilchen mit einer bestimmten
Geschwindigkeit mittels des Wienschen Filters ausgefiltert wird,
sondern ein Teilchen mit einem bestimmten Verhältnis von kinetischer Energie
und Masse. In dem Fall, wo Teilchen eine identische Masse aufweisen,
werden nur Teilchen mit einer bestimmten Energie gefiltert, so dass
das Wiensche Filter auch als Energiefilter oder Monochromator bezeichnet
werden kann. In dem verbleibenden Text wird das Wiensche Filter
gemäß der Erfindung
als „Randfeld-Monochromator" (= „Fringe
Field Monochromator")
oder FFM bezeichnet.
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4 zeigt
eine mögliche
Anwendung des „Randfeld-Monochromators" hinter der Elektronenquelle 210 von
beispielsweise einem Elektronenmikroskop. In einem solchen Elektronenmikroskop
werden Elektronen mit einer spezifischen Energie zur Abbildung extrem
kleiner Strukturen verwendet. Der „Randfeld-Monochromator" im Allgemeinen wird
mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet.
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Die gezeigte Elektronenquelle 210 ist
eine sogenannte Schottky-Quelle, deren außergewöhnlich kleine virtuelle Größe ungefähr 30 nm
beträgt. Der
Elektronenquelle 210 folgt ein Extraktor 220 zum Abziehen
der Elektronen von der Quelle 210, eine Linsenelektrode 230 zum
Fokussieren der Elektronen, und der „Randfeld-Monochromator" 100. Eine Blende 240 ist
in der Öffnung
der ersten Verschlussplatte 130 des FFM 100 vorgesehen,
um den Strom des Elektronenstrahls zu begrenzen. Hinter dem FFM 100 ist
eine Membran 250 vorgesehen, welche eine Mehrzahl von Nanoschlitzen
mit einer Breite von ungefähr
150 nm aufweist, wobei die Breite durch den Vergrößerungsfaktor
des Abbildungssystems bestimmt wird, welcher in diesem Falle ungefähr fünf ist.
Die Nanoschlitze können
mit Hilfe von lithographischen Techniken in dünnen Membranen hergestellt werden.
Mit Hilfe der Linsenelektrode 230 wird die Quelle 210 auf
die Membran 250 abgebildet. Der Verlust an Helligkeit wird
minimal, wenn die Dispersion für
die ausgewählte
Energie ungefähr
gleich zur Größe des Bildes
der Quelle 210 auf der Membran 250 ist. Wenn ein
Energieauswählschlitz
auf Massepotential hinter dem Beschleuniger des Mikroskops verwendet
wird, ist es möglich,
eine elektrostatische oder magnetische „Minilinse" anstelle eines Nanoschlitzes zu verwenden,
um ein vergrößertes Bild auf
einem Mikroschlitz hinter dem Beschleuniger zu erzeugen. Auf diese
Weise wird die Helligkeit garantiert, und der Schlitz kann manuell
manipuliert werden.
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In der in 4 gezeigten Konfiguration wird das FFM
in einem sogenannten „Kurzfeldmodus" (= „short
field mode") verwendet.
Das FFM dient dann als Deflektor, wobei die Länge der Felder wesentlich kürzer als
der Abstand bis zu dem Bild der Quelle auf der Membran ist. Das
Verhältnis
in der gezeigten Ausführungsform
ist etwa 1 : 10. Ein zusätzlicher
Vorteil bei der Verwendung des FFM als Deflektor im „Kurzfeldmodus" ist es, dass die
Ausrichtung des Filters bezüglich
der optischen Achse des Systems nicht besonders kritisch ist.
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Aufgrund der kurzen Magnete und Elektroden
wird der Fokussiereffekt des FFM im allgemeinen klein sein. Anstelle
einer lateralen Dispersion wie im Falle der Wienschen Filter gemäß dem Stand
der Technik, welches einen größeren Fokussiereffekt aufweist,
wird es einen Winkeldispersion geladener Teilchen mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten geben.
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Um die Verweilzeit des geladenen
Teilchens in dem FFM zum Erhalten einer größeren Dispersion zu verlängern, ist
es notwendig, dass, vorgeschaltet zu dem FFM, ein Verzögerungspotential
für die
geladenen Teilchen vorgesehen wird. Dies kann mittels einer geeigneten
Potentialdifferenz zwischen dem Extraktor 220 und dem FFM 100 erreicht
werden. Die Blende 240, die in der ersten Öffnung des
FFM 100 vorgesehen ist, begrenzt den Strom des Elektronenstrahls,
um den Einfluss von Coulomb-Wechselwirkungen in dem Strahl in dem
Niedrig-Energieabschnitt zu begrenzen, wo sich die Elektronen mit
der retardierten Geschwindigkeit bewegen. Der Niedrig-Energieabschnitt
wird zwischen der ersten Verschlussplatte 130 des FFM 100 und
der Membran 250 gebildet. Um den Einfluss von Coulomb-Wechselwirkungen
in dem Strahl vor der Blende 240 zu vermeiden, wird die
Linsenelektrode 230 auf ein Beschleunigungspotential eingestellt.
Es sollte beachtet werden, dass der Effekt der Linse auf den Strahl
ein Ergebnis der kombinierten Effekte der Potentiale der Quelle 210,
des Extraktors 220, der Linsenelektrode 230 und
der ersten Verschlussplatte 130 des FFM 100 ist.
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Ein Vorteil der bei geringer Energie
auf die Membran 250 treffenden Elektronen ist es, dass
eine dünne
Membran ausreicht, um als undurchdringliche Barriere für die Elektronen
zu dienen, und dass bei geringer Elektronenenergie keine Röntgenstrahlen durch
die abgebremsten Elektronen produziert werden. In diesem Falle werden
die Elektronen nach der Membran 250 mit den Nanoschlitzen
in einer Beschleunigungsröhre
auf die für
das Elektronenmikroskop wünschenswerte
Energie beschleunigt. In der in 4 gezeigten
Ausführungsform
ist die Energie der Elektronen in dem Niedrigenergie-Abschnitt in
der Größenordnung
von 1 keV, und sie werden nachfolgend in der Beschleunigungsröhre gemeinsam
auf 100 keV oder mehr beschleunigt.
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Ein weiterer Vorteil der Elektronen
mit einer niedrigen Energie, folglich einem niedrigen Strahlpotential,
in dem FFM ist es, dass die Anforderungen bezüglich der Feldpräzision und
Stabilität
der elektrischen Zuleitungen für
das FFM weiter reduziert werden, da diese Anforderungen auf die
Korrelation zwischen der gewünschten
Auflösung
und dem Strahlpotential bezogen sind.
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Um die bestmögliche Helligkeit für das Bild nach
der Membran zu erhalten, muss die Größe des Nanoschlitzes der Größe des Bildes
der Quelle 210 auf der Membran 250 entsprechen.
Da die exakte Größe der Quelle 210 nicht
bekannt ist, wird die Membran mit unterschiedlichen Nanoschlitzen,
welche unterschiedliche Breiten aufweisen, bereitgestellt. 4 zeigt drei solche Nanoschlitze
in der Membran 250. Die Nanoschlitze sind bezüglich der anderen
Komponenten in 4 nicht
in der korrekten Proportion gezeigt. Ein Nanoschlitz der korrekten Breite
kann ausgewählt
werden, indem die Elektronen mit der gewünschten Energie geringfügig abgelenkt
werden und indem sie auf den gewünschten Schlitz
abgebildet werden, was möglich
ist, da das FFM als ein Deflektor dient. Dies ist ein Vorteil der Anwendung
des „Randfeld-Monochromators" in dem „Kurzfeldmodus". In diesem Falle
muss eine geringfügige
Nettokraft auf die Elektronen mit der korrekten Energie ausgeübt werden,
indem das Verhältnis
der Größen der
beiden Felder in dem FFM geringfügig eingestellt
wird. Da der gesamte Spot der Quelle 210 auf der Membran 250 in
der Größenordnung
von 1 μm
liegt, muss der Abstand zwischen den unterschiedlichen Nanoschlitzen
wenigstens 1 μm
betragen.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen dürfen nicht
so verstanden werden, dass sie die Erfindung einschränken. Der "Randfeld-Monochromator" kann in diversen
Ausführungsformen
realisiert werden, wobei von allen gilt, dass sie innerhalb der Reichweite
der vorliegenden Erfindung liegen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht
ist.