DE724505C - Elektrische Elektronen- oder Ionenlinse - Google Patents

Elektrische Elektronen- oder Ionenlinse

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DE724505C
DE724505C DEA83541D DEA0083541D DE724505C DE 724505 C DE724505 C DE 724505C DE A83541 D DEA83541 D DE A83541D DE A0083541 D DEA0083541 D DE A0083541D DE 724505 C DE724505 C DE 724505C
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DE
Germany
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lens
voltage
electrons
frequency
alternating voltage
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Expired
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DEA83541D
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Ernst Brueche
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AEG AG
Original Assignee
AEG AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/46Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
    • H01J29/58Arrangements for focusing or reflecting ray or beam
    • H01J29/585Arrangements for focusing or reflecting ray or beam in which the transit time of the electrons has to be taken into account

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  • Electron Beam Exposure (AREA)

Description

  • Elektrische-Elektronen- oder Ionenlinse Es ist bekannt, daß man bei Anlegen von hochfrequenter Wechselspannung an ein geeignet gebautes Beschleunigungssystem geladenen Teilchen Geschwindigkeiten erteilen kann, die größer sind, als es der Amplitude der Wechselspannung entspricht. Dabei wird die Tatsache benutzt, daf> die Teilchen in dem Svstem Laufzeiten haben, die in derselben Größenordnung liegen wie die Schwingungsdauer der Wechselspannung. So kann ein Teilchen, für das in einem gegebenen Augenblick in einem Feldteil ein Beschleunigungsfeld, in dem anderen Feldteil ein Verzögerungsfeld herrscht, tatsächlich dauernd, beschleunigt werden, weil es den zweiten Feldteil zu einer späteren Zeit erreicht als den ersten. In der Zwischenzeit hat sich nämlich die Richtung der Wechselspannung umgekehrt und damit .aus dem Verzögerungsein Beschleunigungsfeld gebildet. Nach der Erfindung dient bei einer elektrischen Elektronen- oder Ionenlinse zu ihrem Betrieb eine hochfrequente Wechselspannung, deren Schwingungsdauer von gleicher Größenordnung wie die Laufzeit der Ladungsträger innerhalb der Linse ist. Ferner sind Mittel vorgesehen, durch die den Elektronen eine derartige Beschleunigung erteilt wird, daß sie nur in einem bestimmten Bereich der elektrischen Phase die Linse erreichen. Von den an sich bekannten Anordnungen, welche mit Wechselspannung betriebene elektrische Linsen verwenden, unterscheiden sich die Linsen nach der Erfindung dadurch, daß bei diesen die Schwingungsdauer der Wechselspannung von der Größe der Laufzeit der Elektronen in der Linse ist, während bei den bekannten Anordnungen, bei denen Wechselspannungen mit Netzfrequenz benutzt werden, die Schwingungsdauer der Wechselspannung ein Mehrfaches der Laufzeit der Elektronen vom Gegenstands- zum Bildort beträgt.
  • Einige elektrische Elektronenlinsen nach der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt, an Hand deren die Wirkungsweise der Linsen mit hochfrequenter Wechselspannung im folgenden erläutert wird.
  • Abb. i zeigt eine Immersionslinse, welche nach Abb. i a aus zwei Zylindern besteht, welche sich auf verschiedenem Potential befinden. Die Richtung der optischen Achse sei hier und im folgenden mit z bezeichnet. In den Abb. i b und i c ist der Potentialverlauf auf der Achse dargestellt, genauer der Verlauf des negativen Potentials U. Nimmt man an, daß sich die Elektronen von links nach rechts bewegen, so stellt also Abb. i b das Potential einer Verzögerungslinse, Abb. i c das einer Beschleunigungslinse dar. Über der Achse ist durch die bekannten optischen Symbole dargestellt. «-elche Linsenwirkungen das Potentialfeld ausübt. Man erkennt aus der Darstellung, daß in beiden Linsen, der Beschleunigungs- und der Verzögerungslinse, Gebiete mit Zerstreuungswirkung und Gebiete mit Sammelwirkung vorhanden sind. Man erkennt ferner, daß die Zerstreuungswirkung jedesmal in dem Gebiet hoher Elektronengeschwindigkeit auftritt, was zur Folge hat, daß die Linse als Ganzes in beiden Fällen eine Sammellinse darstellt. Diese an Hand der Immersionslinse ausgeführten Betrachtungen gelten, wie von verschiedenen Seiten des öfteren dargelegt wurde, ganz allgemein für beliebige Formen der kurzen Immersions- oder Einzellinse. Lediglich unter Verwendung von Lochblendenlinsen ist es möglich, Zerstreuungslinsen herzustellen. Aber auch unter Wrwendung von Lochblendenlinsen gelingt es nicht, chromatisch korrigierte Linsensysteme herzustellen.
  • Wird nun eine Immersionslinse mit hochfrequenter Wechselspannung betrieben, deren Frequenz und Phasenlage so gewählt ist, daß von bestimmten Elektronen der erste Teil der Immersionslinse während der einen Halbwelle, der z«-eite Teil während der anderen Halbwelle der Wechselspannung durchlaufen wird, so ist es möglich, für diese Elektronen eine reine Sammellinse oder eine reine Zerstreuungslinse herzustellen. Dieser Sachverhalt sei näher erläutert an Hand der Abb. i d und i e, und zwar für den Fall einer reinen Zerstreuungslinse. In Abb. i d ist der Verlauf des Potentialfeldes für verschiedene Zeiten dargestellt, wie sogleich erläutert werden soll, in Abb. i e der Verlauf der Wechselspannung unter Berücksichtigung der Laufzeiten der Elektronen in der Linse. Zu einem bestimmten Zeitpunkt möge sich das Elektron in der durch I bezeichneten Stelle der Linse (neben der Achse) befinden. In diesem Augenblick habe die Wechselspannung den Wert Null (Abb. i e), so daß an den Linsenelektroden keine Spannung liegt. Das Potentialfeld wird infolgedessen durch die gerade Linie i (Abb. i d) dargestellt. Infolge seiner anfänglichen Geschwindigkeit befindet sich das Elektron nach einiger Zeit im Punkt II. Nach Abb. i e hat die Wechselspannung dann einen bestimmten positiven Wert, so daß sich ein Potential ausbildet, wie es durch die Kurve 2 in Abb. i d angedeutet ist. Es bildet sich also in dem Gebiet, in dem sich als Elektron befindet, der einer Zerstreuungslinse entsprechende Teil einer Immersionslinse aus. Wenn die Wechselspannung ihren Maximalwert erreicht, befindet sich das Elektron im Punkt 111, so daß sich nunmehr die am stärksten gekrümmte Potentialkurve 3 ausbildet. Während der nächsten Viertelphase der Wechselspannung durchläuft das Elektron die Punkte IV und V, während deren das Feld nach den Kurven :I und 5 abgebaut wird. Durchläuft nun das Elektron den zweiten Teil der Immersionslinse, in dem nach Abb. i b eine Sammelwirkung herrschen würde, so hat die Wechselspannung geniäl.i Abb. i e ihr Vorzeichen umgekehrt und damit aus dem zweiten verzögernden Teil der Immersionslinse einen beschleunigenden Teil gemacht. Während das Elektron von V nach IX läuft, wird dieses beschleunigende Feld gemäß den Kurven 5 bis 9 auf- und abgebaut. Auch in dem zweiten Teil der Linse erfährt das Elektron dann eine Ablenkung nach der Zylinderwand zu, also ein Elektronenbündel eine Zerstreuungswirkung.
  • Durch Anlegen von hochsequenter Wechselspannung gelingt es also, aus der Immersionslinse eine reine Zerstreuungslinse zu machen. Entsprechend kann, falls die Phase der Wechselspannung um 13o- verschoben bzw. der Augenblick, in dem das Elektron die Linse erreicht, um i 8o' dieser Spannung verschoben wird, aus der Immersionslinse eine Sammellinse verstärkter Wirkung gemacht werden. Allerdings ist gerade die Möglichkeit der Herstellung einer Zerstreuungslinse von besonderer Bedeutung, denn eine Zerstreuungslinse ähnlich der optischen Zerstreuungslinse war in der Elektronenoptik bisher nicht bekannt, so daß es auch nicht möglich war, eine achromatische Linsenanordnung zu bauen.
  • Der hochfrequente Wechselspannungsbetrieb bei einer elektrischen Linse ist natürlich nicht auf die Immersionslinse beschränkt. In den Abb.2 und 3 sind als weitere Fälle die aus drei Elektroden bestehende Einzellinse (Abb. 2 a). sowie ein aus Kathode und zwei Zylindern bestehendes Immersionsobjektiv (Abb. 3 a) dargestellt. In der Abb. b ist wiederum der Potentialverlauf bei statischem Betrieb bzw. in einem gegebenen Augenblick des Wechselspannungsbetriebes dargestellt. Die -Abb. d zeigen verschiedene Orte des Elektrons (durch römische Ziffern markiert), denen die mit den entsprechenden arabischen Ziffern bezeichneten Potentialverläufe zukommen. Auch hier ist der Fall einer reines Zerstreuungslinse ins Auge gefaßt. In den Abb. e ist die Größe der Wechselspannung dargestellt. Dabei ist eine sinusförmige Wechselspannung zugrunde gelegt, die Wechselspannung aber nicht über der Zeit, sondern über dem Ort aufgetragen, wobei die Zeit durch Einsetzen der bekannten Geschwindigkeit des Elektrons in der Achse eliminiert wurde. Während in den Abb. i und 2 die dadurch bedingte Verzerrung der Sinuskurve wenig ins Gewicht fällt, ist sie der Abb. 3 e besonders deutlich zu entnehmen.
  • Im vorhergehenden wurde die Wirkungsweise einer mit hochfrequenter Wechselspannung betriebenen elektrischen Linse an Hand des sich zeitlich ändernden Potentialverlaufs zu erklären versucht. Diese Darstellung ist insofern noch unvollkommen, als der übersichtlichkeit wegen das Potential diskontinuierlich gezeichnet wurde. Tatsächlich ändert sich natürlich das Potential stetig. In Wechselfeldern ist die Bedeutung des Potentials nicht die gleiche wie bei statischen Feldern. Es ist zweckmäßiger, in diesem Fall von dem Potentialbegriff abzusehen und auf die Kraftwirkung überzugehen. Im statischen Fall berechnet sich die auf ein in Achsennähe befindliches Elektron wirkende Kraft im Falle eines Potentials V = U(z) zu E=- U"r, wo die Striche Differenziationen nach Z bedeuten und r der Abstand des Elektrons von der Achse ist. U kann z. B. das in Abb. i b oder i c dargestellte Potential der Immersionslinse sein. Wird nun die Immersionslinse mit einer Wechselspannung betrieben, so hat das Potential das Aussehen V = U (z) # sin lt, und die Kraft berechnet sich daraus, wie den Ausführungen von B r ü c h e und R e c k n a g @e 1 in der Zeitschrift für technische Physik, Bd. 17, S. i 26 ff (1936), insbesondere der Anmerkung 12 auf S. 132 entnommen werden kann, zu E = - U"r # sin lt. Hierbei ist von konstanten Proportionalitätsfaktoren abgesehen worden. Während sich im rein statischen Fall die Art der Linsenwirkung, nämlich das Vorzeichen von E, lediglich ,aus dem Vorzeichen von U" bestimmt, kommt bei der mit Wechselspannung betriebenen Linse noch das Vorzeichen des zeitlich veränderlichen sin-Faktors hinzu. Außerdem wird durch die veränderliche Größe dieses Faktors die Größe der Kraft, also die Größe der jeweils vorhandenen Sammel- oder Zerstreuungswirkung beeinflußt.
  • Die mit hochfrequenter Wechselspannung betriebenen Linsen können natürlich ebensogut für positive Teilchen wie für Elektronen benutzt werden. Zur Erzielung der gleichen Wirkung sind dann lediglich die Potentiale in den Linsenelektroden gegenüber den für Elektronen gewählten Spannungen umzukehren.
  • Es wurde bisher der Fall ins Auge gefaßt, daß zum Betrieb der Linsen eine sinusförmige Spannung dient. Es ist natürlich möglich, auch Spannungen anderer willkürlich vorgegebener Kurvenform zu verwenden, wie sie heutzutage. leicht herzustellen sind. Als solche Spannungen vorgegebener Kurvenform kommen insbesondere rechteck- oder dreieckförmige Spannungen in Frage. In jedem Fall hat die Verwendung rechteckförmigerSpannungen den Vorteil, daß die höchstmögliche durch eine gegebene Feldanordnung erzielbare Linsenwirkung erreicht wird. Würde z. B. die in Abb. i untersuchte Immersionslinse mit einer rechteckförmigen Spannung betrieben werden, so hätte das Potential, während die Elektronen den ersten Teil der Linse durchlaufen, die durch 3 in Abb. i d dargestellte Form, im zweiten Teil der Linse die durch 7 dargestellte Form.
  • Es ist natürlich möglich,. die mit hochfrequenter Wechselspannung btriebenen Linsen nach der vorliegenden Art mit statischen elektrischen oder magnetischen Linsen zu kombinieren. Insbesondere ist dies für die Herstellung einer chromatisch korrigierten Linsenanordnung von Vorteil, da die Sammellinse- durch eine bekannte statische Linse hergestellt werden kann, während die zur Korrektion notwendige Zerstreuungslinse durch eine mit hochfrequenter Wechselspannung betriebenen Linse geliefert wird. Bei Verwendung mehrerer mit hochfrequenter- ',JTechselspannung betriebener Linsen ist es zweckmäßig, eine einzige Spannungsquelle zu verwenden. In die Zuführungen zu den einzelnen Linsen können dabei Vorrichtungen angebracht sein, welche die Phase der Spnnung beeinflussen oder aber ihre Form verändern. Es ist z. B. möglich, eine Spannungsquelle zu benutzen, welche eine sinusförmige Spannung liefert, mit dieser sinusförmigen Spannung aber nur eine der Linsen zu betreiben, während eine andere Linse mit Hilfe einer rechteckförmigen Spannung betrieben wird. Die aus der erstgenannten Spannung gewonnene Form wie auch die Höhe der angelegten Spannungen kann bei den einzelnen Linsen verschieden sein.
  • Da die gewünschte Wirkung einer Linse nur in bestimmten Bereichen der elektrischen Phase eintritt, muß nach der eingangs gegebenen Lehre dafür Sorge getragen werden, daß in Abbildungseinrichtungen, welche hochfrequente Wechselspannungslinsen benutzen, die geladenen Teilchen nur in diesen Phasen in die Linse eintreten. Das kann z. B. dadurch erreicht werden, daß bereits die Beschleunigung intermittierend erfolgt, wobei auch die Beschleunigungsspannung der gleichen Quelle entnommen werden kann wie die Linsenspannungen. Auch in die Zuführung der Beschleunigungsspannung können Mittel eingefügt werden, welche die Phase, die Form oder die Höhe der Spannung oder mehrere dieser Größen gleichzeitig ändern.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. 'Elektrische Elektronen- oder Ionenlinse, dadurch gekennzeichnet, daß zu ihrem Betrieb eine hochfrequente Wechselspannung dient, deren Schwingungsdauer von gleicher Größenordnung wie die Laufzeit der Ladungsträger innerhalb der Linse ist und daß Mittel vorgesehen sind, durch die den Elektronen eine derartige Beschleunigung erteilt wird, daß sie nur in einem bestimmten Bereich der elektrischen Phase die Linse erreichen.
  2. 2. Elektrische Linse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz und Phase der an der Linse liegenden hochfrequenten Wechselspannung und der zeitlich räumliche Bewegungszustand der die Linse erreichenden Elektronen so gewählt ist, daß das Linsenfeld an allen Stellen, an denen sich die Elektronen gerade befinden, wie eine Sammellinse wirkt.
  3. 3. Elektrische Linse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz und Phase der an der Linse liegenden hochfrequenten Wechselspannung und der zeitlich räumliche Bewegungszustand der die Linse erreichenden Elektronen so gewählt ist, daß das Linsenfeld an allen Stellen, an denen sich die Elektronen gerade befinden, wie eine reine Zerstreuungslinse wirkt. .1.
  4. Elektrische Linse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen in bezug auf die Phase und Frequenz der angelegten hochfrequenten Wechselspannung so gewählt ist, daß die Linse in jedem Augenblick, z. B. während des Maximums der Wechselspannung, als Immersions- oder Einzellinse wirkt.
  5. 5. Elektrische Linse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen in bezug auf die Phase und Frequenz der angelegten hochfrequenten Wechselspannung so gewählt ist, daß die Linse in jedem Augenblick, z. B. während des Maximums der Wechselspannung, wie ein Immersionsobjektiv wirkt.
  6. 6. Elektrische Linse nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb eine sinusförmige Wechselspannung dient.
  7. Elektrische Linse nach Anspruch i his 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb Wechselspannung willkürlich vorgegebener Kurvenform, insbesondere eine rechteck- oder dreieckförinige Wechselspannung, dient. B.
  8. Eletronenoptische Abbildungseinrichtung unter Verwendung von Linsen nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich statische Linsen enthält.
  9. 9. Elektronenoptische Abbildungseinrichtung unter Verwendung von Linsen nach Anspruch i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Sanimel- und Zerstreuungslinsen zusammengesetzte System chromatisch korrigiert ist. to. Elektronenoptische Albbildungseinrichtung unter Verwendung von mehreren Linsen nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle diese Linsen mit der gleichen Spannungsquelle, gegebenenfalls unter Zwischenschalten von Anordnungen, die die Phase oder die Form der Spannung beeinflussen, verbunden sind. t i. Elektronenoptische Abbildungseinrichtung nach Anspruch i o, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung der Elektronen die unter Umständen phasenverschobene und in ihrer Form geänderte Spannung der mit Wechselstrom betriebenen Linse dient.
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