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Elektronenoptische elektrische Einzellinse Die Erfindung bezieht sich
auf elektronen-*optische elektrische Einzellinsen, und zwar auf solche Einzellinsen,
die aus drei in Achsenrichtung aufeinanderfolgenden blendenförmigen Elektroden bestehen,
deren äußere auf gleichem Potential liegen. Derartige Einzellinsen sind von J o
h a n n s o n und Scherzer und von Scherzer (Zeitschrift 'für Physik 8o, 183
ff. und 1 93 ff., Berlin 1933)
einer genaueren Untersuchung
unterzogen worden. Insbesondere wurden die Brennweitekurven berechnet und mit den
Beobachtungswerten verglichen. Trägt man die Brennweite f bei konstanter
Spannung U,4 der äußeren Elektroden über der Spannung UM der mittleren Elektrode
auf, so erhält man, eine Brennweitekurve, deren Verlauf für Werte von kleiner
als i in der Abb. i der Zeichnung dargestellt ist. Hierbei sind die Spannungen
U gegen den Ort gemessen, an dem die Elektronen die Geschwindigkeit o haben,
also gegen die Kathode, falls es sich uni Glühelektronen handelt. Diese -Norrnierung
hat den #fürteil, daß die Größe c - U an jedem Ort bis auf das Vorzeichen
die kinetische Energie der Elektronen angibt. Ist ITMIUA kleiner als i, so bedeutet,das
also, daß die Mittelelektrode gegen die äußeren Elektroden negativ aufgeladen ist;
wenn ' überdies (TMIUA negativ ist, so heißt das, daß die Mittelelektrode
negativ gegenüber dem Ort ist, an dem die Elektronen die Geschwindigkeit o haben.
Wäre die Mittelelektrode als Folie oder -Netz ausgebildet, so würde für
UM = o
diu Linse ""v-ol)errt sein; ist die
Mitteleluktrode dagegen, wie dies vorausgesetzt -wurde, als Blen,le aus-ehildet,
so tritt die Sperrung der Linse infolge des Durchgriffs der -1#,tißeiielektroden
erst bei negativeren Werten von U31 ein.
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In Abb. i sind nun zwei Brennweitekurven dargestellt, und zwar von
zwei Einzellinsen von verschierlener Dicke der Mittelelektrole bei sonst gleichem
Aufbau. Die Abb. i zeigt, (laß bei (Iiiiinerer Mittclelektrode die Brennweitekurve
in dein hier betrachteten Bereich steti ' g von rechts nach links
abfällt, und zwar bis zu dein Punkt. an dein die Linse sperrt. Bei dickerer -,#,1-#ttelelelztrode
dabgebgen weist die Brennweitekurve einen völlig, anderen Verlauf auf. Sie hat vor
der Sperrung noch ein oder sogar mehrere 2vIiiiiiiia. Die Untersuchungen haben nun
ergeben, (Ial-1 die Linse mit der dicken Mittelelektrocle, wenn ilie Spannung der
Mittelelektrotle von dein Werte U., al)iiiiiiiiit und zu negativen Werten übergeht,
zunächst eine kissenförrnige Verzeichiiiiii,- zeigt, was in rler Abbildung durch
7- f'. angedeutet wurde. In dem aufsteigenden Ast zei ' -t sich dann
eine toiinenföriiii-l,-e Verzeichnung (t. f- während in dem Zwischenbereich,
in dein die Kurve durch ein Minimum geht, die Einzellinse ohne Verzeichnung arbeitet
(o. V.). Man hat es also bei einer Einzellinse mit genügend dicker Mittelelektrode
in der Hand, in dem Gebiet züi arbeiten, in (lern -sie keine Verzeichnung aufweist.
2#,laii hat, wie dies aus den vorstehenden Darlegungen liervorgelit, dazu den Bereich
der Brennweitekurve zu wählen, in dem diese Kurve ein ausgeprägtes Minimum aufweist.
In diesem Bereich hat der Öffnungsfehler seinen geringsten Wert. Beispielsweise
hat der üffnungsfehler an dein Minimum den Wert o. Zudern ist in diesem Bereich
der Bren#n#%#-eitel,urve auch der chromatische Fehler verhältnismälli- klein. Diese
Wahl der Betriebsbedin-ungen ist bei einer Einzellinse mit dünner Mittelelektrode
offensichtlich nicht ni5,glich, da diese Kurve kein derartigesMinimum aufweist.
Wenn ein solches wirklich vorhanden sein sollte, geht es praktisch in dein Gebiet
der Linsensperrung unter, in dein nian einmal deswegen nicht arbeiten kann, weil
die Linse aul-lerorrlentlich empfindlich gegen geriii-ste Änderungen der Spannung
der Mittelelektrode ist, außerdem aber deshalb nicht, weil hier der Chergang von
der Linse zum Spie,gel eintritt, bei dein die Außenbezirke der Linse bereits völlig
anders wirken als die Innenbezirke, so laß für Abbildungszwecke nur ein äußerst
kleiner Bereich der Linse brauchbar ist.
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Es möge hier sogleich eingeschaltet werden, daß von Johalinson und
Scherzer ebenfalls Änderungen der Dicke der --\littulel#tro(le vorgenommen wurden,
wie dies aus (lur -#H). und der Annierkung i auf S. 188 der ol)cii anfübrten
Literaturstelle beervorgeht. Indessen wurde die Veränderung der Dicke dort unter
gleichzeitiger Änderung des LoclAurchinessers, und zwar so vor 'genommen, daß die
dickere Mittelelektrode die Form einer Äquipotentialfläche des Feldes der Einzelliiise
mit dünner E-lektrorle annahm. Es sollte damit 11,erarle erreicht werden, daß las
Potentialfeld sich nicht ändert. Ini vorstebenden sind Jedoch geracle die Änderungen
der Linseneigen-,chaften, und die daraus folgenden Änderungen der Brennweitekurve
besprochen worden; es is, also dabei an eine solche Änderung der Dicke der Mittelelektrode,
z. B. bei Konstanthaltung des Durchmessers der Blendenöffnung, gedacht worden, die-
eine Änderung des Potentialfeldes bewirkt. Man kann, wenn inan die Einzellinse mit
ausgeprägtem Mininiuni der Brerinweite herstellen will, also am einfachsten so verfahren,
daß nian die Dicke
der Ilittelelektrode bei konstantem Öffnung#-durchinesser
verändert man kann aber auch -)eicle GröLlen gleichzeitig ändern, wobei inaii dann
nur darauf züi achten hat, daß man nicht gerade beide gIleichzeitig in dein Sinne
ändert. daß keine Änderung des Potentialfeldes eintritt, so wie es von johannson
und S che rzer getan wurde.
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Nach den vorstehenden Ausführun-en ist die Bauart der elektronenoptischen
eickti-ischen Linzellinsen ohne weiteres verständlich. -Nach der Erfindung soll
nämlich die Mitte]-elektrode einer Einzellinse aus drei in Achsenrichtung aufeinanderfolgenden
blenflenföriiiigen Elektroden, deren äußere das gleichu# Potential haben. von solcher
Dicke sein, daß die über der Spannung U.,11 rler.Nlitteielek-troclo aufgetragene
Brennweitekurve f = i (U.#I) bei konstanter Spannung ('" der Außenelektrnden
ein ausgeprägtes -\Iininium hat.
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In den Abb. 2 und 3 sind zwei -*"usfiilirungsformen der Linse
nach der Erfindung in natürlicher Größe dargestellt. Die Einzellinse ' nach
Abb. 2 besteht aus drei Elektro' den 1, 2 und 3, von denen i und
3 auf gleichein Potential liegen, während die Mittelelektrode auf einem demgegenüber
negativen Potential liegt. Die Elektronen durchlaufen die Linse in der durch den
Pfeil angedeuteten #Veise, treffen also zunächst auf eine als Gesichtsfeldb#lende
wirkende Blende 5 auf., über die weiter unten noch zu reden ist. In Abb.
3 haben die Bezugszeichen die gleiche Bedeutung: hier ist eine besondere
Gesichtsfeldblende 5 nicht vorgesehen.
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Mit der Veränderung der Dicke der Mittelelektrode ändert sich das
Aussehen der in der Abb. i dargestellten Brennweitekurve,
es ändert
sich gleichzeitig die Lage des vorhandenen Minimums. Durch besondere Wahl der Dicke
der Mittelelektrode kann man nun erreichen, daß nicht nur ein Minimum der Brenn,%Neitekurve
vorhanden ist, sondern daß es speziell bei der Spannung Um = o oder zum mindesten
in deren Nähe liegt, so daß die an Um zu legende Spannung als kleine Hilfs-
oder Korrektionsspannung anzusehen ist, die unter Umständen unabhän-gig von
der Spannung an den äußeren Elektroden ist. Ist überdies die Spannung genau o, so
hat man den weiteren Vorteil, daß überhaupt eine besondere Spannungszuführung von
außen her erspart wird.
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Eine Einzellinse der vorliegenden Art läßt sich gegebenenfalls zusammen
mit anderen Linsen mit Vorteil in elektronenoptischen Abbildungseinrichtungen, also
Elektronenmikroskopen, Kathodenstrahlröhren, Vervielfachern u. dgl. verwenden. Es
ist dann darauf zu achten, daß die Einzellinse so angebracht ist, daß sie tatsächlich
im Bereich des Minimums der Brennweitekurve betrieben werden kann. Man pflegt ja
im allgemeinen auf den Ort einer elektronenoptischen Linse nicht so genau zu achten,
weil man durch Änderungen der Spannungen die Brennweite auf den gewünschten Wert
einstellen kann. Bei der vorliegenden Einzellinse soll aber die Einzellinse in der
Einrichtung so angebracht sein, daß man sie agch wirklich im Minimum ihrer Brennweite
oder in dessen Nachbarschaft betreiben kann, um den Vorteil einer verzeichnungsfreien
Abbildung ausnutzen zu können. Im übrigen hat der Betrieb der Elektronenlinse der
vorliegenden Art im Gebiet des Minimums der Brennweitekurve noch einen weiteren
Vorteil. Dieser besteht darin, daß sich kleine Änderungen in dem Verhältnis der
Spannungen in der Brennweitekurve nicht bemerkbar machen. Dieser Vorteil wirkt sich
besonders dann aus, wenn man, wie bereits oben erwähnt wurde, die Spannung der Mittelclektrode
nicht der gleichen Spannungsquelle entnimmt wie die der Außenelektroden. Es ist
bekannt, daß die Brennweite einer elektrischen Linse nur von dem Verhältnis der
Spannungen zueinänder abhängt. Es ist daher möglich, ein Elektronemnikroskop z.
B, in der Weise zu betreiben, daß alle Spannungen einer gemeinsamen Spannungsquelle
von einem die Spannungsquelle überbrückenden Spannungsteile-r entnommen werden.
Dann machen sich Schwankungen der Spannungsquelle Überhaupt nicht bemerkbar. Nun
will man a;ber bei Hochspannungsgeräten, z.B. bei Elektronenmikroskopen hoher Vergrößerung
(Übermikroskopen), die Hochspannungsquelle nicht immer durch einen Spannungsteiler
überbrücken. Man wird dann etwa so verfahren, daß man die Spannung UA der Außenelektroden
der Hochspannungsquelle entnimmt, dagegen die Spannung Um der Mittelelektrode
einer davon unabhängigen Gleichspannungsquelle. In diesem Fall würden also Schwankungen
der Hochspannung lediglich das Potential der Außenelektroden, nicht aber das der
Mittelelektrode beeinflussen. Es ist ersichtlich, daß dieser Einfluß dann ohne Bedeutung
ist, wenn sich infolge der Änderung des Potentialverhältnisses UMIUA die Brennweite
der Linse praktisch nicht ändert.
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Wird die vorliegende Einzellinse in dem Bereich des Minimums der Brennweitekurve
betrieben, so zeigt sich leicht eine Erscheinung, die an Hand der Abb. 4 erläutert
werden soll. Die Erscheinn - ng geht darauf zurück, daß sich das Minimum
der Brennweitekurve in der N ähe der Sperrspannung der Linse befindet, und daß infolgedessen
die Außenbezirke der Linse bereits in einen Elektronenspi-egel über-gehen können,
wie dies von anderweitigen Untersuchungen hinreichend bekannt ist. Abb. 4 zeigt
das mit einer Einzelfinse der vorliegenden Art entworfene Bild eines Netzes. Infolge
der hohen Vergrößerung sind nur zwei Netzdrähte i zu sehen. Das Bild wird nun zwar
nach dem Rand nicht unscharf; es ist Aer begrenzt. Es zeigt sich, obwohl sich das
Netz selber wesentlich weiter erstreckt, ein scharf markierter Rand 2, ge-
gebenenfalls
mit nach außen weisenden Linien oder Bändern 3 und außerdem ein nach innen
umgeklapptes Bild4. Alle diese das Bild begrenzenden und störenden Erscheinungen
rühren vom Rand des Bildes her. Sobald diese Erscheinung bemerkt wird, ist es erforderlich,
eine das Gesichtsfeld begrenzende Blende einzufügen. Diese Blende muß von der Größe
sein, däß sie den von außen umklappenden Bildbereich abblendet, muß also in dem
Bild etwa der -estrichelten Begrenzung 5 entsprechen. Die Gesichtsfeldblende
kann in bekannter Weise zwischen dem Ob-
jekt und der Einzellinse angebracht
werden. Es ist von besonderem Vorteil, sie in unmittelbarer Nähe der Einzellinse
anzubringen, beispielsweise so, daß sie unmittelbar auf die 'Blende i aufgesetzt
ist, wie dies durch das Bezugszeichen 5 in Abb. 2 angedeutet ist. Es ist
fernerhin möglich, auch die erste Blende der Einzellinse selber so eng zu wählen,
daß sie als Gesichtsfeldblende wirkt, wie dies nach Abb. 3 der Fall ist.
Die gesonderte Anbringung einer Gesichtsf eldblende nach Abb. 2 erfolgte zu dem
Zweck, damit das praktisch wirksame Linsenfel-d der Einzellinse sich symmetrisch
zur Mittelelektröde 2 ausbildet, was nur dadurch erreicht werden kann, daß die Öffnungen
der Außenelektroden i und 3
von gleicher Größe sind. Auf
der Außenseite der Elektrode i stört die wesentlich engere Gesichtsblende
5 das Potentialfeld nicht in merklicher Weise.
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Bezüglich der Form der Einzellinse nach Abb. 3 ist zu bemerken,
daß die Ausgestal-tung der Elektroden unter dem Gesichtspunkte der Hochspannungsfestigkeit
erfolgte. Dadurch, daß die Elektroden abgerundet sind, lassen sich unerwünschte
Überschläge vermeiden. Es ist natürlich auch möglich, die Elektroden der Einzellinse
nach Abb.:2 abzurunden und so ihre Hochspannungsfestigkeit zu erhöhen.