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Hochvergrößerndes Elektronenmikroskop (Übermikroskop)_zur Abbildung
durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs Die Erfindung bezieht sich auf ein
hochvergrößerndes Elektronenmikroskop, insbesondere Übermikroskop, besonders einfacher
Bauart. -Unter einem Übermikroskop soll dabei, wie üblich, ein Elektronenmikroskop
verstanden werden, dessen Auflösungsgrenze diejenige des Lichtmikroskops überschreitet.
Während es aus verschiedenen Gründen nicht ganz einfach ist, ein tatsächlich abbildendes
Elektronenmikroskop höchster Vergrößerung und Auflösung herzustellen, bereitet die
Erzielung hoher Vergrößerung mit dem Mikroskop der vorliegenden Art keine besonderen
Schwierigkeiten; allerdings wird hierbei von dem üblichen 'Wege einer elektronenoptischen
Abbildung abgegangen und sich mit einem Schattenwurf des zu untersuchenden Objekts
begnügt.
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In einem hochvergrößernden Elektroneninikroskop (Übermikroskop) zur
Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs dient erfindungsgemäß ein
durch einen kurz vor oder hinter der Objektebene liegenden Punkt verlaufendes Elektronenbündel
zur Bestrahlung des Objekts.
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Die Erfindung sei näher erläutert an Hand des in der Abbildung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels.
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In der Abbildung bedeutet i eine Kathode und 2 eine sie umgebende
Beschleunigungselektrode (Anode). Außerdem befindet sich vor der Kathode eine elektrische
oder. magnetische, hier schematisch angedeutete Linie 3, welche die Emission der
Kathode zu einem Punkt kurz vor oder hinter der Objektebene d. zusammenführt. In
der Objektebene befindet sich in dein Ausführungsbeispiel eine Elektrode 4. mit
einer Mittelöffnung, in der sich das zu durchstrahlende Objekt 5 befindet. In einiger
Entfernung von der Objektebene ist e'n Leuchtschirm oder eine photographische Platte
6 angebracht, auf
dem bzw. auf der das durch die Elektronen entworfene
Schattenbild des Objekts erscheint. Die Wirkungsweise des vorliegenden Elektronenmikroskops
wird durch den schematisch angedeuteten Strahlengang veranschaulicht. Mit ; sind
die von der Kathode ausgehenden Elektronen bezeichnet, die durch die Linse 3 zu
einem Punkte 8 kurz vor der Objektebene fokussiert werden. Die von diesem Punkt
ausgehenden Elektronen verbreiten sich kegelförmig auf den Leuchtschirm zu und durchsetzen
dabei das Objekt. Die Kontraste des Bildes «-erden dabei durch Streuung und Absorption
oder Bremsung der Elektronen erhalten. Während die absorbierten Elektronen nichts,
die gebremsten wenig zii dem Bild beitragen, geben die gestreuten Elektronen einen
allgemeinen Untergrund, der aber wegen seiner geringen Intensität nicht stört.
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Es ist ersichtlich, daß Auflösungsvermögen und Vergrößerung des Elektronenmikroskops
der vorliegenden Art davon abhängen, wie weit sich der Punkt (8 in der Abblldung)
verwirklichen läßt, durch den die Elektronen hindurchgehen. In dem Ausführungsbeispiel
nach der Abbildung ist als Elektronenquelle eine unter dein Einfluß hoher Felder
einittierende Spitze gewählt, die eine auf einen außerordentlich kleinen Bereich
beschränkte intensive Emission liefert. Es ist für den vorliegenden Fall nicht notwendig,
iin Punkt 8 nun gerade ein genaues Bild dieser emittierenden Spitze zu erhalten,
so daß es ohne besondere Schwierigkeiten gelingt, eine Fokussierung der von der
Kathode ausgehenden Emission vorzunehmen. Es kann übrigens auch in bereits vorgeschlagener
Weise vor der emittierenden Spitze ein in einfacher Weise hohe Feldstärken ermöglichendes
Netz oder auch eine Folie, ein Gitter u. dgl. vorgesehen sein, welches unter Umständen
noch zur Erzielung von Linsenwirkungen gewölbt sein kann. Die Linse 3 kann dann
als magnetische Linse oder aber als elektrische Linse, in diesem Fall als Verzögerungslinse
ausgebildet sein. Wenn eine Abbildung der Spitze vorgenommen wird, genügt dann im
allgemeinen schon eine Vergrößerung im Verhältnis i:i, um den erwünschten kleinen
Punkt 8 zu erhalten.
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Man kann als Elektronenquelle aber auch eine flächenhaft emittierende
Quelle verwenden. Hierbei wird insbesondere die Verwendung einer virtuellen Kathode
in Form eines durchstrahlten Loches zweckmäßig sein. Solche Löcher lassen sich noch
mit einem Durchmesser von io-3cm herstellen. Die Linse3, für deren Stellung ja im
Gegensatz etwa zur Braunsehen Röhre keine besonderen Bedingungen gelten, kann nun
ein Bild dieser Kathode beispielsweise inidoofacherVerkleinerung entwerfen. Dann
entsteht also ein Punkt 8 mit einem Durchmesser von io-o cm, d. h. bereits von Moleküldimensionen.
Abstände dieser Größenordnung können also mit dem vorliegenden Mikroskop aufgelöst
werden. Die Vergrößerung des Mikroskops ist gegeben durch das Verhältnis des Abstandes
des Punktes 8 vom Objekt und des Leuchtschirmes 6 vom Objekt, und zwar, wenn der
Punkt 8 nur in sehr geringem Abstand sich von der Objektebene befindet, praktisch
unabhängig davon, ob er nun vor oder hinter der Objektebene liegt, Auch die Herstellung
einer das erzielte Auflösungsvermögen wirklich ausnutzenden Vergrößerung ist daher
ohne Schwierigkeiten möglich. Es ist im vorstehenden ein für das Auflösungsvermögen
besonders günstiges Zahlenbeispiel gewählt worden. Man erkennt, daß schon dann,
wenn die flächenhafte Kathode einen Durchmesser von 1o-2 cm hat und die Linse nur
eine Verkleinerung von 1/loo bewirkt, ein Punkt 8 von einem Durchmesser von iolcm
erzielt wird, so daß schon hier die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops erreicht
wird.
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Es ist zwar bekannt, in einem sogenannten Rastermikroskop, bei dem
das Objekt punktweise abgetastet wird, einen zu einem außerordentlich kleinen OOuerschnitt
konzentrierten Strahl zu verwenden. Da bei diesem Rasterinikroskop aber von den
abtastenden Elektronen kein unmittelbares Bild, sondern nur wie bei der Fernsehaufnahme
eine Folge von Stromimpulsen erzielt wird, läßt dieses Rastermikroskop einen weitergehenden
Vergleich mit dein Elektronenmikroskop der vorliegenden Art nicht zu.
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Unter Umständen ist es vorteilhaft, in dem bestrahlenden Strahlengang,
etwa an der Stelle der Linse 3, eine Blende 9 anzubringen, die, wie aus der vorstehenden
Erklärung der Wirkungsweise des Elektronenmikroskops hervorgeht, als Bildfeldblende
wirkt. Die Blende gestattet zugleich, die Randbezirke der Linse 3 auszuschalten,
also etwaige Linsenfehler zu eliminieren, die das Entstehen eines scharfen Punktes
8 verhindern würden, und schließlich den Öffnungswinkel des bestrahlenden Bündels
zu begrenzen. Diese Eigenschaft der Linse bietet den Vorteil, daß man die Größe
des Üffnungswinkels so bemessen kann, daß er kleiner ist als der kleinste Braggsche
Ablenkwinkel. Es wird dadurch eine Überstrahlung des Bildes durch gebeugte Elektronen
vermieden.
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Das vorliegende Mikroskop hat vor den bekannten hochvergrößernden
Mikroskopen den Vorteil eines außerordentlich geringen Aufwands, der einmal durch
das Fehlen von Linsen zwischen Objekt und Leuchtschirm
oder photographischer
Platte bedingt ist, dann aber auch dadurch, daß die einzige überhaupt notwendige
Linse von relativ großer Brennweite sein kann,' da man die notwendige Kleinheit
des Punktes 8 nicht allein durch die Wirkung der Linse zu erzielen braucht, sondern
auch durch geeignete Bemessung der Elektronenquelle erzielen kann. Gerade aus diesem
Grunde ist die Verwendung einer eine Feldemission zeigenden Spitze besonders günstig,
zumal da die Spitze gleichzeitig einen außerordentlich intensiven Strahl zu liefern
vermag.
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Es ist selbstverständlich, .daß man bei Verwendung eines als virtuelle
Kathode dienenden durchstrahlten Loches die auf dieses Loch gerichteten Elektronenstrahlen
in bekannter Weise vorkonzentriert.
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Die Linse 3 -war oben als elektrische oder magnetische Linse bezeichnet
worden. Es ist klar, daß man im allgemeinen der elektrischen Linse den Vorzug geben
wird, einmal wegen der Vermeidung eines Stromverbrauchs, dann deshalb, weil man
dann die Spannungen für diese Linse in an sich bekannter Weise zusammen mit den
übrigen für das Mikroskop notwendigen Spannungen einer gemeinsamen Spannungsquelle,
z. B. über einen Spannungsteil-er, entnehmen kann, so daß die Bildschärfe von Spannungsschwankungen
frei ist.