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Magnetisches Objektiv kürzer Brennweite für Elektronenmikroskope Eine
der wichtigsten Möglichkeiten zur Steigerung des Auflösungsvermögens von Elektronenmikroskopen
besteht in der Schaffung von Mikroskopobjektiven kürzerer Brennweiten. Es ist bereits
nachgewiesen worden, daB bei konstantem D/ f-Verhältnis sowohl der Öffnungsfehler
als auch der chromatische Fehler der Brennweite direkt proportional sind. Der durch
magnetische Störfelder verursachte Fehler ist sogar für beliebige D/ f-Verhältnisse
der Brenn-`weite proportional. Da nun die aufgezählten drei Fehler bekanntlich das
praktisch erreichte Auflösungsvermögen zur Zeit allein bestimmen, ergibt sich, daß
jede Verkleinerung der Brennweite des Objektivs eine proportionale Verbesserung
des Auflösungsvermögens herbeiführt. Wegen dieser Zusammenhänge ist die Schaffung
der magnetischen .Polschuhlinse,. die zum erstenmal für Elektronen hoher Voltgeschwindigkeit
kurze Objektivbrennweiten zu erreichen gestattete, ein entscheidender Fortschritt
auf dem elektronenmikroskopischen Gebiet gewesen. Bei den bisher bekanntgewordenen
Ausführungsformen magnetischer Polschuhlinsen -gelang es aber nicht, die Brennweite
auf Werte unter 3 mm für 40 ooo-Volt-Elektronen zu bringen. Die Einführung kürzerer
Brennweiten scheiterte. bisher an konstruktiven Schwierigkeiten. Diese liegen zurrt
Teil in der notwendigen proportionalen Verkleinerung der Polschuhdimensionen, in
der Herstellung.- der erforderlichen - extrem kleinen Blendlöcher und in der Notwendigkeit
zur Vermeidung einer magnetischen - Überlastung der Polschuhe. Die Hauptschwierigkeit
besteht jedoch in der konstruktiven Lösung der-Objekthalterung. Zunächst ist es
schon nicht einfach, bei Verkleinerung der Polschuhabmessungendie Objekte in der
Schnittlinie anzuordnen. Außerdem
ist es im Interesse der praktischen
Verwendung unerläßlich, daß die Objekte in einer bestimmten Schnittebene leicht
auswechselbar sind. Qbjektträgerkonstruktionen, die dies ermöglichen, werden stets
eine Ausdehnung von:' mehreren Millimetern haben. Aus diesem Grunde versagen für
kleinere Brennweiten die bisher üblichen Konstruktionen, bei denen der Objektträger
vollkommen aus urmagnetischem Material hergestellt ist.
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Nach der Erfindung kann ein magnetisches Objektiv mit genügend kurzen
Brennweiten für Elektronenmikroskope dadurch geschaffen werden, daß einer der Polschuhe
als auswechselbarer Objektträger ausgebildet wird.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für die Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt ein magnetisches Objektiv, bei dem einer der Polschuhe
als auswechselbarer Objektträger ausgebildet ist. Die Objektivspule n weist die
Polschuhe la und a auf; sie sind zweckmäßig aus schwedischem Holzkohleneisen
hergestellt. Der mit der Durchtrittsöffnung f versehene Teil k ist aus einem urmagnetischen
Material, beispielsweise aus Messing, herge-. stellt. Der als. Objektträger ausgebildete
Polschuh a ist an seinem Umfang mit Federungseinschnitten e versehen: Mit m sind
Luftdurchlaßlöcher bezeichnet, die die Evakuierung des Registrierraumes erleichtern..
Die Objektschicht l ist vor der Durchtrittsötfnung f angeordnet; ihr
gegenüber befindet sich die Registrierblende i, die gleichfalls aus einem urmagnetischen'
Material bestehen muß. Eine derartige Ausbildung des Objektträgers gestattet, Formen
des Magnetfeldes zu erreichen, die besonders kurze Brennweiten ermöglichen. Es hat
sich gezeigt, daß ohne Schwierigkeiten Brennweiten von i mm erzielt werden können.
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Ein weiterer Konstruktionsweg ist in Fig. z dargestellt. Die Polschuhe
sind wieder mit a bzw. mit h bezeichnet. Der Polschuh a ist auch hier
als auswechselbarer Objektträger ausgebildet; an seinem Umfang-befinden sich Federungseinschnitte
e. Im Interesse besonders kurzer Brennweiten kann die Tragfolie des Objektes z.
B. auf die Innenseite des auswechselbaren Polschuhöbjektträgers gebracht werden.
Hinter dem Objekt befindet sich dann die für die photographische Registrierung zweckmäßige
Registrier! blende f, die zum Beispiel durch einen. seitlichen Schieber P in den
Polschuhobjektträger a eiregeschoben wird. Die Brennweite, die mit diesem System
ausgenutzt und- noch bei Elektronengeschwindigkeiten von einigen io ooo Volt erreicht
werden kann, liegt sogar noch unterhalb von i mm. Für ein heute übliches
D J f Ver= hältnis von io-2 wird bei dieser kurzen Brennweite eine
Objektblende mit einem Durchmesser von io-2 mm notwendig. Löcher dieser Feinheit
-erfordern besondere Herstellungsverfahren. Versuche haben gezeigt, daß mit Hilfe
feinster Stahlspitzen (z. B. mit besonders ausgesuchten Nähnadeln) in dünne Metallfolien,
die auf eine harte Unterlage, z. B. auf Glas, gelegt werden, -runde Löcher bis io-2
mm Durchmesser eingestanzt werden können. Als Metallfolien eignen sich beispielsweise
Duraluminiumfolieu von wenigen i0-3 'nm Stärke. Da an diesen Objektblenden keine
wesentlichen Elektronenbelastungen, die zu einer allmählichen Zerstörung führen
könnten, gegeben sind, ist gegen die Benutzung von Folienblenden nichts einzuwenden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Konstruktion kann die Folienblende in ein Band eingestanzt
und dieses Band dann über die Bohrung an der Spitze des oberen Polschuhes geführt
werden. Mit Hilfe eines Führungsschlitzes und der in der Fig. 2 angedeuteten Klemmvorrichtung
wird das Band in der richtigen Lage festgehalten. Es empfiehlt sich, vor einer Aüfnalymeserie
die Blende lichtmikroskopisch auf Staubfreiheit zu prüfen.
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Die Aufbringung des Objektes und seiner Tragfolie auf die vertieft
liegende Tragfläche des Objektträgers kann beispielsweise mittels einer Präparierhülse
erfolgen, die in Fig. 3 bei q dargestellt ist. Zum Festhalten dieser Präparier-.
hülse dient die bei y angedeutete Haltezange. Der auswechselbare Objektträger ist
wieder mit a bezeichnet. Auf seiner Innenseite bei s wird das Objekt bzw. die Tragfolie
angebracht.
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Es läßt sich natürlich auch bei sinngemäßer Abänderung des magnetischen
Objektivs nach der Erfindung das aus den beiden Polschuhen und ihren Distanzstücken
bestehende Polschuhsystem als auswechselbaren Objektträger ausbilden.
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Um zu erreichen, daß das- magnetische Feld wirklich an den Polschuhspitzen
ansetzt, müssen besonders hochwertige Spezialeisensorten Verwendung finden, die
einen hinreichend kleinen magnetischen Widerstand auch im Gebiet hoher Magnetisierung
besitzen. Solche Eisensorten sind für die Polschuhspitzen von Laboratoriums-Elektromagneten
bekannt. Bei den. in den Ausführungsbeispielen angegebenen PolschuhfQrmen und -abmessungen
gelingt es schon mit Ampere-Windungszahlen in der Größenordnung von i ... 2 x io3,
die Feldkonzentrationen zu erzwingen, die notwendig sind, um eine Brennweite von
der Größe = mm bei den Voltgeschwindigkeiten der Elektronenmikroskope zu ergeben.
Die Form. der in den Figuren gezeichneten Pol schuhspitzen ist, soweit es die für
das Zustandekommen der gewünschten Elektronenbrechungen notwendigen Polschuhbahrungen
zulassen, der bekannten Form angenähert, die bei Laboratoriums-Elektromagneten für
höchste Feldstärken als besonders günstig ermittelt wurde. Erstbei noch wesentlich
kürzeren Brennweiten, die mit - dein . beschriebenen Konstruktionsprinzip
auch
noch erreichbar sind, nimmt der innere Widerstand des magnetischen Kreises derart
zu und der äußere magnetische Widerstand (Luftspalt) derart ab, daß die dann erforderliche
höhere Feldkonzentration schließlich nicht mehr eintritt.
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Nach einem weiteren Gegenstand der Erfindung weisen die Polschuhbohrungen
nicht, wie in Fig. 2 gezeichnet, den gleichen, sondern gemäß Fig. i verschiedenen
Durchmesser auf. Die dadurch eintretende Feldkonfiguration kann bei richtiger magnetischer
Polung der Polschuhe eine weitere Verkürzung der Brennweite und eine Verringerung
des Öffnungsfehlers der magnetischen Optik bewirken. Dies ist insbesondere dann
der Fall, wenn die Polschuhbohrung auf der Seite dei' Objektebene den kleineren
Durchmesser erhält. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Feldlinien in dem
für die Linsenwirkung vorwiegend maßgebenden Teil stärker geneigt sind.
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Durch die zweckmäßige Ausbildung eines oder beider Polschuhe als auswechselbaren
Objektträger ist die Möglichkeit gegeben, diese Objektträger zunächst in eine analog
ausgeführte, genau passende Fassung eines lichtmikroskopischen Gerätes einzuschieben,
in dem die drei Raumkoordinaten der zu untersuchenden Objektzone genau gemessen
werden können. Danach kann dann der Objektträger in-das magnetische Objektiv des
Elektronenmikroskops eingesetzt werden, worauf die Aufnahmen nach Einstellung der.
zugeordneten elektrischen Daten vorgenommen werden können.
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Versuche haben ergeben, mit welcher Genauigkeit.ein anvisierterPunkt
des beschriebenen Objektträgers nach wiederholtem Einsetzen in die Fassung eines
stabilen Lichtmikroskops seine Lage in den drei Raumkoordinaten beibehält. Es hat
sich gezeigt, daß bei sauberer mechanischer Ausführung in keinem Falle die Lagenänderungen
den Wert von io-3 mm erreichen. Danach ist also auch-die Streuung in der wichtigen
Z-Richtung kleiner als io-3 mm, so daß die Scharfstellung eines Elektronenmikroskopes
in der Anwendung der Erfindung allein auf Grund vorausgegangener Eichung des Z-Wertes
des Objektes .und auf Grund vorausgegangener elektrischer Eichung des Elektronenmikroskopes
gelingt.