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Elektronenmikroskop mit magnetischen Linsen, insbesondere für hohe
Vergrößerungen Die vorliegende Anordnung betrifft Elektronenmikroskope mit magnetischen
und gegebenenfalls zusätzlichen, elektrischen Linsen, vorzugsweise zur Untersuchung
empfindlicher Objekte. Es ist bekannt, im Elektronenmikroskop Objekte mit Hilfe
der Durchstrahlungsmethode abzubilden. Dabei bestehen Schwierigkeiten insofern,
als die Objekte vielfach empfindlich sind und infolgedessen, keinen zu hohen Strömen
ausgesetzt werden dürfen, sei es, daß sonst kein genügender Ausgleich dar Ladungen:
stattfinden kann und die Objekte durch elektrostatische Kräfte zerstört werden,
sei es, daß die durch die Strahlungen bewirkte Erwärmung infolge unzureichender
Wärmeableitung das Objekt beschädigt. In diesen und anderen Fällen, bei denen eine
zu hohe Intensität des abbildenden Elektronenstromes nicht erzielt werden kann,
müssen zum Ausgleich die Belichtungszeiten bei der Aufnahme auf photographische
Platten oder aber die Beobachtungszeiten bei der visuellen Auswertung der Leuchtschirmbilder
entsprechend erhöht werden.. Lange Belichtungszeiten erfordern aber beim magnetischen
Mikroskop die Ausschaltung von Spannungsschwankungen jeglicher Art. Die Stabilisierung
der Spannung ist aber besonders bei Elektronenmikroskopen hoher Vergrößerung, die
bekanntlich mit
ziemlich hohen Spannungen von einigen io kV arbeiten,
wegen der nicht unbeträchtlichen Ströme mit erheblichen Schwierigkeiten Verknüpft.
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Bei einem Elektronenmikroskop mit magnetischen und gegebenenfalls
zusätzlichen elektrischen Linsen, insbesondere für hohe Vergrößerungen, vorzugsweise
zur Untersuchung empfindlicher Objekte, dienen erfindungsgemäß zur Untersuchung
der Objekte Elektronen einer solchen Quelle, deren Energieverteilung eine Halbwertsbreite
von einigen Volt' oder. mehr hat, außerdem durchsetzt der dieser Quelle entströmende
Elektronenstrahl vor dem Auftreffen auf das Objekt einen Monochromator. Unter Halbwertsbreite
ist dabei derjenigeTeil des Geschwindigkeits-# spektrums-@.-der #-Emission.-zu..lersteh,en,
der alle Elektronen umfaßt, deren Häufigkeit über 5o°/o der Maximalhäufigkeit liegt.
Die Breite der Energieverteilung wird dabei zweckmäßig so gewählt, daß sie den absoluten
Schwankungen der Hochspannung entspricht, die unter Umständen ziemlich hoch sein,
z. B. ioo V oder mehr betragen können. Wenn daher von einigen Volt als der Mindestbreite
gesprochen ist, so ist damit eine untere Grenze bezeichnet, die in praktischen Fällen
' n ' ht _ unterschritten wird, während im allgemeinen eine wesentlich breitere
Verteilung erforderlich ist.
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Die Erfindung sei näher erläutert an Hand der Abbildungen, in denen
Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt sind. In Abb. i -bedeutet i die Kathode.
Die von ihr ausgehenden Elektronen werden durch eine Anodenblende 2 beschleunigt
und durch ein zur Zeichenebene senkrecht stehendes Magnetfeld, dessen Begrenzung
durch 3 angedeutet ist, zu einem Halbkreis gebogen, so daß sie die Blende q. durchlaufen
können. Bei 5 kann eine weitere Blende angeordnet sein. G stellt die erste magnetische
Linse dar, die einen U-förmigen Querschnitt hat. Die Schenkel des U sind durch polschuhartige
Rohre geschlossen, die der Elektronenstrahl durchsetzt. Das Objekt befindet sich
bei 7 in der Nähe der Polschuhe, also am Ort der höchsten magnetischen Feldstärke.
Zur Erzeugung des Magnetfeldes können entweder die Schenkel des U-förmigen Kernes
mit Stromwicklungen versehen sein; man kann aber auch einen permanenten Magneten
8 aus einem Stahl von hoher Koerzitivkraft und Remanenz in den Kreis einschalten.
Durch die Stärke des Magneten 8 und die Wahl des Nebenschlusses 9 läßt sich das
Linsenfeld einstellen. Die zweite Linse, die als elektrische Linse ausgebildet ist,
ist durch drei Elektroden io, ii und 12 angedeutet, die unter Umständen von einer
konstanten Spannungsquelle niedriger Leistung gespeist werden. Zweckmäßig ist es
allerdings, auch die zweite und etwaiz#: %v-itere Linsen als magnetische Linsen
auszubilden. Das Elektronenbild entstLlit dann in der Ebene 13, in der ein
Leuchtschirm oder eine photographische Platte angebracht ist.
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L=m bei der I-Iotrogenisierttng und bei der magnetischen Abbildung
von Spannungsschwankungen unabhängig zu sein, ist es zweckmäßig, sowohl das Magnetfeld
3 als auch die Linsenfelder durch permanente Magnete herzustellen. Anderenfalls
müßte für die Speisung der die Magnetfelder erzeugenden Spulen eine konstante Spannungsquelle
vorgesehen sein, wenn man nicht die Magnetisierungsströme für die Spulen und für
das monochromatisierende Magnetfeld in der Weise voneinander abhängig machen will,
daß bei Starkwerden des Homogenisierungsfeldes (Ansteigen der Elektronenenergie)
auch die Brechkraft der Linsen entsprechend steigt.
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Um eine genügend breite Energieverteilung der von der Kathode i ausgehenden
und durch die Anode 2 gelangenden Elektronen zu erzielen, kann man bei Verwendung
einer Glühkathode dieser eine Bremsfolie, z. B. aus Aluminium, vorsetzen. Zwar werden
die meisten Elektronen durch die Folie hindurchgelangen, doch -erfahren sie Energieverluste
verschiedenen Ausmaßes, so daß aus dem aus der Kathode austretenden Strahl, der
für die vorliegenden Zwecke als praktisch homogen anzusehen ist (Halbwertsbreite
der Energieverteilung in der Größenordnung von o, i V), ein-Strahl von sehr breiter
Energieverteilung wird. Diese Folie liegt zweckmäßig auf Anodenspannung und kann
beispielsweise auf der blendenförmig ausgestalteten Anode aufliegen. Eine andere
Möglichkeit zur Erzeugung einer genügend breiten Energieverteilung ist die, daß
man der Kathode geöenüber der Anode und den übrigen Teilen des Mikroskopes eine
hochfrequente Vorspannung von einer Amplitude von beispielsweise 5o oder ioo V erteilt,
derart, daß durch die Anode Strahlen gelangen, deren Energie in dem entsprechenden
Ausmaße schwankt. Von den i% eiteren Möglichkeiten, eine breite Energieverteilung
zu erzielen, sei schließlich noch die genannt, als Elektronenquelle eine Gasentladung
zu verwenden. Durch die Blende .# gelangt dann infolge der Wirkung des transversalen
L%Zagnetfeldes stets nur ein Elektronenstrom von wohldefinierter Geschwindigkeit.
Durch die breite Energieverteilung des Elektronenstromes ist dafür gesorgt, daß
bei allen Schwankungen der Hochspannung Elektronen der zu verwendenden Geschwindigkeit
zur Verfügung stehen.
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Die Homogenisierung des Elektronenstrahles läßt sich auch, wie dies
in den Abb.2
und 3 dargestellt ist, auf andere Weise durchführen.
In Abb. 2 ist mit i die Kathode bezeichnet, der eine elektrische Lins aus den Blenden
14, 15 und 16 vorgelagert ist und der mindestens noch eine magnetische Linse folgt.
Im Brennpunkt dieser Linse befindet sich eine Blende 17 mit enger Öffnung, die nur
diejenigen; Strahlen hindurchtäßt, deren Brennpunkt in ihrer Öffnung liegt. Von
den Strahlen anderer Geschwindigkeiten wird nur ein geringer Bruchteil, nämlich
die auf der Achse verlaufenden, hindurchgelassen. hm auch diese abzufangen, kann
eine ringförmige Blende i9 in an sich bekannter Weise vorgesehen sein. Um die für
die vorliegenden Zwecke erforderliche Konstanz der Brennweite der elektrischen Linse
zu erzielen, kann man beispielsweise so vorgehen, daß man an die Blende 14 die Anodenspannung
legt, während die Blenden 15 und 16 an einer konstanten, unter Umständen nur kleinen
Spannung liegen. Eine derartige konstante Spannung läßt sich für diese Blenden deswegen
leicht herstellen, weil diese Spannung praktisch nicht belastet wird. Um einen Durchgriff
des Feldes der auf - schwankendem Potential liegenden Blende 14 auf das Linsenfeld
zu vermeiden, kann man beispielsweise ein Netz geringen Durchgriffs oder eine Folie
zwischenschalten. Es ist auch möglich, durch eine zweite an Hochspannung liegende
Elektrode eine Kompensation zu erreichen.
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In Abb. 3 ist schließlich derselbe Fall gezeichnet, bei dem statt
einer elektrischen Linse eine magnetischeLinse verwendet wird. Diese ist mit 18
bezeichnet und kann als -Spule oder aber als Permanentmagnet ausgebildet sein. Sind
Schwankungen des Spulenstromes zu befürchten, so kann eine Kompensation dieses Stromes
mit dem der abbildenden Linsen erfolgen, wie dies schon an Hand der Abb. i erwähnt
wurde. Auch hier liegt im Brennpunkt der Linse eine enge Blende 17. Ebenso kann
auch hier eine zentrale Blende ig zum Abfangen der Achsenstrahlen vorgesehen sein.