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Elektronenoptische Abbildungseinrichtung, insbesondere Elektronenmikroskop,
zur Abbildung durchstrahlter Objekte mit Hilfe eines elektrischen Immersionsobjektivs
Die Erfindung betrifft eine elektronenoptische Abbildungseinrichtung zur Abbildung
durchstrahlter Objekte mit Hilfe eines elektrischen Immersionsobjektivs. Die Eigenschaften
eines derartigen Objektivs sind bereits von B eh n e untersucht worden (Ann. d.
Phys. (5) 26, 37.2 bis 397, 1936); indessen sind diese Untersuchungen auf den Fall
beschränkt, daß die Elektronen beim Verlassen des Objektivs eine wesentlich höhere
Geschwindigkeit als beim Objekt haben. So gibt z. B. Abb. 7 den Fall an, daß Elektronen
von 3oo V Energie das Objekt durchstrahlen und dann um weitere 3000 V beschleunigt
werden. Mit anderen Worten beträgt die Energie der Elektronen am Objekt nur einen
Bruchteil der Endenergie. Die der vorliegenden Anordnung zugrunde liegenden Untersuchungen
haben nun ergeben, daß die Abbildungsfehler eines Immersionsobjektivs weitaus kleiner
werden, wenn die Energie der Elektronen beim Verlassen des Objektivs- etwa in der
gleichen Größenordnung; also etwa um höchstens 5o% kleiner oder größer ist, als
am Objekt.
Es wird daher vorteilhaft ein derartiges Immersionsobjektiv
in der Weise betrieben, daß die Geschwindigkeit der Elektronen beim Verlassen des
Objektivs von der gleichen Größenordnung ist wie beim Eintritt.
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Nach der Erfindung ist bei einer elektronenoptischen Abbildungseinrichtung,
insbesondere Elektronenmikroskop, zur Abbildung durchstrahlter Objekte mit Hilfe
eines elektrischen Immersionsobjektivs, auf dessen erster Elektrode das Objekt angebracht
ist, das Immersionsobjektiv als Einzellinse ausgebildet. Diese Anordnung hat außer
den obengenannten Vorteilen noch den Vorzug, daß eine besondere Spannungszuführung
für die letzte Elektrode des Objektivs überflüssig ist. Unter Einzellinse soll dabei
wie üblich eine Linse verstanden werden, die nach außen elektrisch neutral ist,
deren erste und letzte Elektrode sich also auf dem gleichen Potential befinden.
Gegenüber der sonst üblichen Verwendung einer Einzellinse unterscheidet sich die
Verwendung einer Einzellinse als Immersionsobjektiv nach der Erfindung dadurch,
daß infolge der Tatsache, daß sich das Objekt auf der ersten Elektrode befindet,
das außerhalb dieser Elektrode befindliche Feld für die Linsenwirkung sozusagen
abgeschnitten ist. Da indessen diese Tatsache von nicht allzu großer Bedeutung ist
und das Wort Einzellinse den Tatbestand, daß erste und letzte Elektrode sich auf
gleichem Potential befinden, in kürzester Form treffend wiedergibt, soll das Wort
Einzellinse hier in dem angedeuteten eingeschränkten Sinne verwendet werden.
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In der Abbildung ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach
der Erfindung dargestellt, wobei die Einzellinse soweit wie möglich maßstabsgetreu
wiedergegeben wurde. Die Einzellinse besteht hier aus drei Elektroden 1, 2 und 3,
von denen i und 3 auf der gleichen Spannung, z. B. 2o kV gegenüber dem Ort, an dem
die das Objekt durchstrahlenden Elektronen die Geschwindigkeit Null haben (bei Verwendung
einer Glühkathode als Ursprungsort der Elektronen, also 2o kV gegenüber der Glühkathode),
liegen, während die mittlere Elektrode 2 an einer für die Abbildung günstigen Spannung
liegt, die bei der gewählten Ausführungsform in der Größenordnung von etwa i bis
2 kV positiv oder negativ gegenüber dem gleichen Bezugspunkt beträgt. Die erste
Elektrode i ist als Objektträger ausgebildet; auf ihr befindet sich das Objekt 4..
Dieses Objekt wird von Elektronen, die von einer Elektronenquelle 5 stammen und
durch eine schematisch angedeutete Beschleunigungs- und Fokussierungseinrichtung
6 auf das Objekt konzentriert werden, durchstrahlt und mit Hilfe der Elektronen
beispielsweise auf einem Leuchtschirm 7 abgebildet. Es wurde bereits erwähnt, daß
die Spannung der Mittelelektrode 2 nur wenig von Null abweicht, mit anderen Worten
absolut genommen nicht mehr als ioo/o des Potentials der Außenelektroden beträgt.
Diese Größe des Potentials hat einen weiteren Vorteil. Beträgt in dem für die Abbildung
günstigen Fall das Potential genau Null, so ist eine besondere Spannungszuführung
zu dieser Elektrode nicht erforderlich, da sie in diesem Fall mit der Elektronenquelle
5 verbunden «-erden kann. Aber auch dann, wenn das Potential nicht genau den Wert
Null hat, sondern einen wenig davon abweichenden Wert, sind beträchtliche Vorteile
mit dieser Anordnung erzielt. Es läßt sich nämlich nicht immer vermeiden, daß die
Spannung der Spannungsquelle etwas schwankt. Ändert sich nun die in dem Ausführungsbeispiel
2o k-%,- betragende Hochspannung etwas, so müßte natürlich an sich die Spannung
an der Mittelelektrode mitgeändert werden, z. B. dadurch, daß die Hochspannung von
einem Spannungsteiler überbrückt und die Spannung dieser Mittelelektrode an dem
Spannungsteiler abgegriffen wird. Das macht indessen gewisse Schwierigkeiten. Es
ist daher einfacher, die Spannung der Mittelelektrode, die nur wenig von Null abweicht
und daher als Isorrektionsspannung angesehen werden kann, einer von der Hochspannungsquelle
unabhängigen Spannungsquelle, die dann natürlich die Spannungsschwankungen dieser
Quelle nicht mitmacht, zu entnehmen. Das ist aber nur dann möglich, wenn die eigentlich
notwendigen Spannungsänderungen der Mittelelektrode absolut genommen nicht groß
sind, also die Spannung an der Mittelelektrode klein ist.
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Die günstige Wahl des Potentials an der Mittelelektrode läßt sich
durch geeignete Formgebung dieser Elektrode leicht erreichen, nämlich durch Veränderung
der Dicke. d. h. der axialen Erstreckung, oder des Lochdurchmessers. In dem Ausführungsbeispiel
sind axiale Erstreckung und Durchmesser der Mittelelektrode von gleicher Größenordnung,
sogar genau gleich groß. Im Vergleich dazu mag auf die Anordnung von B e h n e hingewiesen
werden, bei dem der Durchmesser der Mittelelektrode etwa zwanzigmal so groß ist
wie ihre Dicke.
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Die dritte Elektrode der Einzellinse nach dem Ausführungsbeispiel
befindet sich im Brennpunkt der Linse und dient gleichzeitig als Aperturblende.
Die Öffnung dieser Blende ist im Verhältnis zu den übrigen Dimensionen der Linse,
die in der Abbildung etwa in natürlicher Größe wiedergegeben sind, wesentlich kleiner,
als dies dargestellt werden konnte. Während nämlich die Dicke der Mittelelektrode
und
ihr Öffnungsdurchmesser etwa 5 mm betrug, ihr Abstand von der Elektrode i etwa i
mm, ist die Öffnung der Elektrode 3 nur etwa o, i mm. Um die Elektrode in den Brennpunkt
bringen zu können, ist es in vielen Fällen erforderlich, sie, wie dies auch im Ausführungsbeispiel
geschehen ist, trichterförmig auszubilden, wobei die kleinere Öffnung des Trichters
auf das Linseninnere hinweist. Da die Elektronen nach Verlassen des Gegenstandes
bis zum Verlassen der Linse ingesamt keine Beschleunigung erfahren, dient die Elektrode
3 gleichzeitig zum Abfangen der im Gegenstand abgebremsten Elektronen sowie praktisch
auch der meisten Sekundärelektronen.
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Auch die erste Elektrode der Einzellinse ist, wie aus der Zeichnung
ersichtlich, nicht als einfache Lochblende ausgebildet. Die innere Öffnung der Blende
weist nämlich auf der dem Objektiv abgewendeten Seite des Gegenstandes die Form
eines Trichters auf, dessen Spitze von der Linse weg weist. Diese Anordnung ist
deshalb getroffen worden, damit nicht etwa Primärelektronen, welche die Elektrode
i treffen, nun von der Öffnung dieser Elektrode reflektiert und in unkontrollierbarer
Richtung auf das Objekt gelenkt werden.
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Die in der Anordnung der vorliegenden Art angegebene Form des Immersionsobjektivs
kann überall dort Verwendung finden, wo es sich um die Verwendung eines durchstrahlten
Objektes handelt. Soll sie insbesondere in einem Elektronenmikroskop hoher Vergrößerung
(Übermikroskop) angebracht werden, bei dem mit hohen Spannungen gearbeitet wird
(vgl. auch die angegebenen Zahlenbeispiele), so ist es erforderlich, den Elektroden
keine scharfe Kanten zu geben, damit keine Überschläge eintreten. In der Zeichnung
sind die Elektroden entsprechend ausgebildet.
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Während in dem Ausführungsbeispiel der Einfachheit halber angenommen
wurde, daß nur das Immersionsobjektiv nach der Erfindung zur Abbildung des Gegenstandes
dient, ist es natürlich möglich, noch eine oder mehrere weitere Linsen zur weiteren
Vergrößerung des Objektes vorzusehen, wobei unter Umständen in an sich bekannter
Weise zwischen zwei oder, mehreren Linsen Zwischenbilder entstehen können.