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Hochvergrößerndes Elektronenmikroskop (Übermikroskop) zur Abbildung
durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs Zusatz zum Patent 729687
Gegenstand
des Hauptpatents 729 687 ist ein hochvergrößerndes Elektronenmikroskop (Übermikroskop)
zur Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Sdhattenwurfs, bei welchem zur Bestrahlung
-des Objekts ein Elektronenbündel dient, welches durch einen kurz vor oder hinter
der Objektebene liegenden Punkt verläuft.
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Mit der Anordnung nach dem Hauptpatent wird also ein Schattenbild
des zu untersuchenden Objekts hergestellt. Die Erzielung hoher Vergrößerungen mit
einem ,derartigen Mikroskop bereitet keine besonderen Schwierigkeiten, da es sich
ohne weiteres einrichten läßt, denjenigen Punkt, in welchem das Elektronenbündel
kurz vor oder hinter derObjektebene zusammenläuft, außerordentlich nahe an die Objektebene
zu bringen, wodurch eine Vergrößerung des Schattenbildes erreicht wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Elektronenmikroskops
gemäß dem Hauptpatent als Universalgerät zur wahlweisen Abbildung mittels Schattenwurfs
oder mittels Elektronenbeugung.
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Es hat sich. gezeigt, daß ein derartiges
Schattenmikroskop
auch als Elektronenbeugungsgerät verwendet «-erden kann, wetiti man die Eigenschaften
der im Mikroskop zur `'erwendung gelangenden Elektronenlinsen geeignet abändert,
was sich heispielsweis:@ durch eine bestimmte Bemessung der Linsenpotentiale oder
gegebenenfalls der Linsenströme vornehmen läßt. 1lan kann also aus dem Schattenmikroskop
bereits durch ein Umschalten der Schaltungsanordnung, in welcher sich das Mikroskop
befindet, ein Elektron:nheugungsgerät herstellen.
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Man kann demnach das Elektronenmikroskop gemäß dem Hauptpatent in
der Weise finit großen Vorteil benutzen, daß l:eispielsweise von einem zu untersuchenden
Objekt zunächst ein Schattenbild und alsdann zur Ergänzung dieses Bildes ein Elektronenheugungsbild
hergestellt wird.
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Die Erfindung sei näher an Hand der Figuren beschrieben, von denen
Fig. i ein Elektronenmikroskop und die übrigen Fi.ureii Einzelheiten dazu heispielsweisewiedergehen.
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In Fig. i ist mit i eine Haarnadelkathode bezeichnet, von welcher
die zur Abbildung dienenden Elektronen ausgehen. Sie wird umgeben von einem Wehneltzylinder
2, der auf einem negativen Potential gegenüber der Kathode liegt, so däß die von
der Spitze der Kathode ausgebenden Elektronen durch die Blende des Wehneltzclinders
gelangen können und in Form eines feinen Bündels das aus den Elementen io, 111,
12, rd., 15 heste'hendeLinsensystem des-Mikroskops durchsetzen, nach welchem sie
alsdann auf das in einem Objekthalter 16 befestigte Objekt treffen und von diesem
ein Schatten- oder Beugutigshild auf dem Leuchtschirm 6 entwerfen. Hierbei bilden
der Metallzylinder 12, die Blende io und der Ansatz i i die Anode: 14 stellt eine
ringförmige Linsenelektrode dar, und mit IS ist eine dem Objekthalter vorgelagerte
Blende bezeichnet, die zusammen mit der Ringelektrode und der Anode die Elektronenlinse
des Mikroskops bildet. Die Ringelektrode 14 ist mit einer Zuführung 17
versehen,
die durch einen Glasansatz i8 geführt ist. Außer diesem Glasansatz. enthält das
Gefäß des Elektronenmikroskops als weiteren Glaskörper nur noch den Teil 13, durch
welchen die Zuführungen zu Kathode und Wehneltzyl,inder geführt sind.
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Soll dieses Mikroskop zur Erzeugung von Schattenbildern dienen, so
müssen die Linsenspannungen so gewählt sein, daß die Linse von der Kathode ein Bild
kurz vor oder hinter der Objektebene, welche durch die blendenförmige COffnung des
Objekthalters 16 bestimmt ist, erzeugt.DiesesBild soll möglichst geringe Ausdehnung
haben, und dies ist der Grund, warum als elektronenemittierend.,-Quelle die Kathode
i in Form einer äußerst spitz auslaufenden Haarnadelkathode ausgebildet ist. Die
Fig.2 und 3 lassen weitere Einzelheiten über diese Kathode und ihre Wirkungsweise
erkennen. In Fig.2 1>-zeicliriet i die Kathode, welche nach dein freien Ende spitz
ausläuft. Sie wird hier an Stell: des @N'elineltzvlinders 2 von einer Blende icg
umgeben, welche die Kathode ein Stück in den Entladungsraum hineinragen läßt. Mit
20 ist die Anode gelzetitizeichnet. Die Kathode i soll :ich auf »dem Potential o,
die Elektrode iy auf einem positiven Potential und die Anod-# 20 auf einem noch
höheren positiven Potential befinden. Die Potentialflächen, die sich in diesem Fall
um die Spitze der Kathode ausbilden, sind in der Fig.2 mit 211 bezeichnet. Sie lassen
erkennen, daß praktisch nur die von einem geringen Teil der Spitze der Kathode i
ausgehenden Elektronen längs den Bahnen 22 auf die Anode .:langen können. Im Elektronenmikroskop
wird also ein scharfes Bild dieses Teils entworfen, welches um so kleiner ist, je
stärker gekrümmt die Spitze ist und je stärker die Felder an ihr sind.
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In Fig. 3 hat die Blende ig ein negatives Potential gegenüber der
Kathode i_ Man entnimmt den hier dargestellten Potentialflächen 21, daß auch hei
dieser Schaltung der die Kathode umgebenden Blende nur die von einem Teil der Spitze
der Kathode emittierten Elektronen auf die Anode gelangen und für dieAbhildung durch
das-Mikroskop wirksam werden können.
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Man kann übrigens an den Welineltzylinder, wenn ein solcher die Kathode
i in der in Fig. i wiedergegebenen Weise umgibt, außer der negativen Vorspannung
gegen Kathode eine Wechselspannung legen, derart, daß die Elektronen die Kathode
nur in bestimmten Zeitabständen verlassen und in den Entladungsraum fliegen können.
Unter Umständen kann dies auch bereits durch eine Vorsp annung des Wehneltzylinders
erreicht «-erden, welche von sich aus bereits eine gewisse Welligkeit besitzt. Gleiches
wird erreicht durch die Welligkeit der Anodenspannung bei konstanter negativer Vorspannung
des Welitieltzylinders. Durch diese intermittierende Emission der Elektronen läßt
sich beispielsweise erreichen. daß das Objekt weitgehend geschont wird.
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In den Fig..I und 5 ist noch die Stellung der Objektebene in bezug
auf die Elektronenlinse des Mikroskops wiedergegeben, wenn dieses urErzeugung vonSchattenbildern
benutzt werden soll. Hierin ist die Elektronenlinse mit 23 und die Objektebene mit
24 bezeichnet. Das in Fig. d. von links auf die Linse 23 auftreffende Elektronenbündel
wird infolge des Öffnungsfehlers nicht in einem einzigen Punkt hinter der Linse
zusammengeführt,
sondern es entstehen hierbei verschiedene Brennpunkte,
je, nachdem ob es sich um achsenferne oder achsennahe Strahlen handelt. Zwei
dieser Brennpunkte sind mit 25 und 26 näher gekennzeichnet. Die Objektebene 24 schließt
zusammen mit der Linse 23 die Schnittpunkte 25 und 26 ein. Es ist bemerkenswert,
daß sich jedoch Unschärfen im Schattenbild, die möglicherweise auf die Öffnungsfehler
der Linse zurückzuführen wären, nicht einstellen. Dies ist auch ohne weiteres erklärlich,
denn die beispielsweise von den Punl"ten 25 und 26 ausgehenden Strahlen stören sich
bei der Abbildung nicht, da die Strahlen jedes dieser Punkte eine andere Zone des
Objekts abbilden, wobei der vom Punkt 26 ausgehende Kegel den mittleren Teil des
Objekts und der vomPunkt25 ausgehendekegelförmige Strahlenschlauch die Randbezirke
des Objekts trifft. Lediglich die Vergrößerung des Objekts ist in der Mitte und
am Rande verschieden. Sie ist für den Fall nach Fig.4. in dem sich die achsennahen
Strahlen in weitererEntfernung von derLinse als die achsenfernen schneiden, für
die Mitte größer als für den Rand, was oft für die Auswertung des Schattenbildes
von Nutzen ist. Würde man die Objektebenen2q. auf der anderen Seite der Punkte 25
und 26 anordnen, so würde es sich hinsichtlich der Vergrößerung gerade umgekehrt
verhalten.
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Fig. 5 stellt den Fall dar, daß sich die achsenfernen Strahlen nicht
näher, sondern weiter von der Linse treffen als die achsenna;hen, im Gegensatz.
zu der Anordnung. nach Fig. 4.. In diesem Fall muß sich die Objektebene 2.4 zwischen
den Brennpunkten 25, 26 und der Linse 23 befinden, damit die Mitte des Objekts größer
abgebildet wird als sein Rand.
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Wie man sieht, stören die Öffnungsfehler der Elektronenlinse die Abbildung
nicht. Eine Störung wäre unter Umständen durch den Astigmatismus der Linse zu erwarten,
wenn die Spitze der Kathode i sich nicht genau auf der Achse der Linse. befindet.
In diesem Fall wäre gegebenenfalls das Linsensystem in: seiner Lage zu korrigieren.
Im übrigen kann statt einer elektrischen auch eine magnetischeElektronenlinseVerwendung
finden.
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Bei der Verwendung des hochvergrößernden Elektronenmikroskops als
Schattenmikroskop kann man das Linsenpotential gleich dem Kathodenpotential wählen.
Hierbei ist unter Linsenpotential stets das Potential der mittleren Linsenelektrode
1q. zu verstehen. Es ist zweckmäßig, das Objekt in Achsenrichtung und auch vertikal
dazu verschiebbar anzuordnen, so daß man durch eine Verschiebung des Objekts die
Vergrößerung einstellen kann. Bei festem Objekt muß das Linsenpotential veränderlich
sein, damit man durch eine ÄnderungdiesesPotentials eine gewünschteVergrößerung
einstellen kann.
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Soll nunmehr das hochvergrößernde Elektronenmikroskop gemäß dem Hauptpatent
auch als Elektronenbeugungsgerät verwendet werden, so bedarf es lediglich einer
Abänderung gewisser Potentiale und gegebenenfalls einer Verschiebung des Objekts,
um aus dem Schattenmikroskop ein Elektronenbeugungsgerät zu erhalten. Beispielsweise
gewinnt man ein einfaches Gerät dieser Art, indem das Linsenpotential, also das
Potential der ringförmigen Elektrode 1q., gleich dem ;Anodenpotential gemacht wird.
in diesem a11 geht die Linsenwirkung verloren, und es fällt ein paralleles Bündel
von Elektronenstrahlen auf das Objekt und erzeugt von diesein auf dem Leuchtschirm
6 ein Beugungsbild. Besteht beispielsweise das Objekt aus einem einzigen Kristall,
so wird man auf dein Leuchtschirm ein an sich bekanntes Punktdiagramm erhalten,
während bei der Bestrahlung eines lhristallgemisches in an sich bekannter WeiseRinge
auf demLeuchtsciiirm sichtbar werden. ,j e feiner die Spitze der Haarnadelkathode
ist, desto mehr laufen die zur Abbildung dienenden Elektronenstrahlen parallel und
desto besser ist das Beugungsbild. Die Größe des zur Beugung gelangenden Elektronenbündels
ist hierbei durch die Anodenblende bestimmt, deren Öffnung möglichst klein sein
soll und deren Offnungsdurchmesser beispielsweise o, i bis 0,3 mm betragen
kann.
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Um weiterhin ein Elektronenbeugungsgerät besonders hoher Auflösung
zu erhalten, ist die Linse so einzustellen, daß die Kathode verkleinert auf dem
Leuchtschirm abgebildet wird. Zur Einregelung des Linsenpotentials ist ein Spannungsteiler
erforderlich, mit dem die Linse auf eine geeignete Brennweite gebracht werden kann.
Um ein derartiges Elektronenbeugungsgerät besonders hoher Auflösung zu erhalten,
hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Abstand von Kathode zu Linse zu etwa iooo
mm, den Abstand zwischen Linse und Leuchtschirm zu etwa 300 mm zu wählen.
Diese Dimensionierung ist auch für die Abbildung mittels Schattenwurf gut geeignet.
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Ein weiteres Elektron:enbeugungsgerät entsteht schließlich aus dem
Schattenmikroskop dadurch, daß die Kathode mit der Elektronenlinse des Mikroskops
in einen Punkt abgebildet wird, der sich an dem Ort des Objekts befindet. Die von
diesem Punkt diffus ausgehenden Elektronenstrahlen erzeugen auf dem Leuchtschirm
ein Beugungsbild, welches als sögenanntes Weitwinkeldiagrainm an sich
bekannt
ist. Für diesen Fall soll. die Linse zweckmäßig das Potential der Kathode annehmen,
und vorzugsweise soll das Objekt verschiebbar angeordnet sein, damit der Bildpunkt
der Kathode auf jeden Fall an die Stelle des Objekts gelegt werden kann.
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Man hat also nicht weniger als drei Möglichkeiten, um aus dem Schattenmikroskop
ein Elektronenbeugungsgerät zu machen. Die hierbei entstehenden Arten des Beugungsgerätes
lassen sich leicht ineinander überführen. Allen ist gemeinsam, daß sie lediglich
durch geringfügige Abänderungen des Schattenmikroskops, wie beispielsweise eine
Verschiebung des Objekts oder eine Veränderung der Linse des Mikroskops, gewonnen
werden können.
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Es ist zweckmäßig, das Elektronenmikroskop mit einem Schalter zu versehen,
der es gestattet, das Linsenpotential durchBetätigen des Schalters so zu bemessen,
wie es der Schattenabbildung und den verschiedenenAbbildungsmethoden mittels Elektronenbeugung
entspricht. Zum Beispiel wird man Schalterstellungen vorsehen, in welchen die Linsenelektrode
Kauhoden- oder Anodenpotential oder ein weiteres vorzugsweise einstellbares Potential
annimmt.