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Mikroskop nach dem Prinzip des Elektronenschattenmikroskops Zusatz
zum Patent 7291687 Das Hauptpatent lag 687 betrifft ein hochvexgrUerndes
Elektronenmikroskop zur Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs,
bei dem zur Bestrahlung des Objekts ein Elektronenbündel dient, welches durch einen
kurz vor oder hinter der Objektebene liegenden; Punkt verläuft. Während der Vorteil
dieses Elektronenschattenmikroskops gegenüber den bekannten Elektronenmikroskopen
in der Einfachheit seinies Aufbaues liegt, sieht mann leicht ein, &Z sich auch
bei Verwendung anderer Strahlung Vorteile gegenüber den bekannten Mikroskopen ergeben,
soweit solche Mikroskope bis jetzt überhaupt realisiert sind. Nach der Erfindung
ist daher ein Mikroskop zur Abbildung von GegenstÜnden mit Hilfe von Licht, Röntgenstrahlen,
geladenen oder ungeladenen schwerem Teilchen, z. B. Neutronen, nach dlem Prinzip
des Elektronen.-schattenmikroskops gemäß dem: Hauptpatent ausgebildet; derart, daß
die abbildende Strahlung von: einem dem Gegenstand nahen: Punkt ausgeht. Bevor Einzelheiten
der Erfindung näher erläutert seien, mögen: die mit ihr erzielten Vorteile dargelegt
werden. Für Röntgenstrahlen und ungeladene Teilchen, wie z. B. Neutronen, sind Linsen
nicht bekannt, so daß miü_ ihrer Hilfe vergrößerte Abbildungen im Sinne der Optik
nricht zu erzielen
sind. Die Erfindung gibt daher für diese Teilchen
erstmalig ein brauchbares Mikroskop hoher Vergrößerung an, wobei die Verwendung
speziell von Röntgenstrahlen oder ungeladenenTeilchen offensichtlich den Vorteil
einer Heraufsetzung des Auflösungsvermögens gegenüber dem Lichtmikroskop mit dem
einer gänzlich neuartigen. Untersuchungsmöglichkeit gegenüber dem Lichtx- oder Elektronenmikroslcop
vereinigt. Die Verwendung von geladenen schweren Teilchen an Stelle der bereits
vorgeschlagenen Elektronen ergibt eine Heraufsetzung des: Auflösungsvermögens um
mindestens das 43fache gegenüber dem Elektronenmikroskop bei gleicher Höhe der benutzten
Spannungen; denn die Wellenlänge der schweren Teilchen ist bei gleicher Anodenspannung
um die Wurzel aus dem -Massenverhältnis zwischen schweren Teilchen und Elektronen,
welch letzteres mindestens i84o beträgt, kleiner, so daß sich gerade für hohe Auflösungen.
durch die Verwendung schwerer Teilchen besondere Vorteile gegenüber den Elektronen
ergeben. Für Licht schließlich. das sowohl sichtbar als auch unsichtbar sein kann,
ergibt sich gegenüber dem gewöhnlichen Lichtmikroskop hoher Vergrößerung wieder
der gleiche Vorteil wie bei Elektronen. nämlich der eines einfachen Aufbaues.
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Das Prinzip des -Mikroskops nach der Erfindung sei zunächst an Hand
von Abb. r. die einen schematischen Aufbau zeigt, kurz erläutert. 'Von ei=ner punktförmigen.
Quelle i geht die zu verwendende Strahlung 2 aus. Sie wird, soweit es sich um Licht
oder geladene Teilchen handelt, durch eine optische oder elektronenoptische Linse
3 zu einem Fokussierungspunkt 4 vereinigt. Unmittelbar hinter diesem Fokussierungspunkt
4 ist der Objektträger 5 mit dem Objekt 6 angebracht. Das Objekt wird. von den von
4. ausgehenden Strahlen durchstrahlt und mittels Schattenwurfes in die Bildebene
7 projiziert. Diese Bildebene 7 kann einen auf die verwendete Strahlung ansprechenden
Leuchtschirm. eine Mattscheibe, eine photographische Platte oder ein ähnliches Aufzeichnungsmittel
enthalten. Im Gegensatz zu den bekannten -Mikroskopen 1 Hoher Auflösung braucht
die Linse 3 keine besonders kleine Brennweite zu haben: sie braucht auch nicht sehr
gut korrigiert zu sein. Die sphärische Aberration z. B. macht sich lediglich dadurch
bemerkbar, daß Innen-und Außenbezirke des Objektes in verschiedener Vergrößerung,
die sich ja aus dem Verhältnis des. Abstandes des. Punktes 4 und des Schirmes 7
vom Objekt 6 ergibt, erscheinen. Das Bild ist, mit anderen Worten, nur verzerrt,
aber nicht unscharf. Zweckmäßig wird eine punktförmige Quelle i oder aber. was auf
dasselbe hinauskommt, eine durchstrahlte Blende von enger öffnung verwendet, so
daß auch die Herstellung des kleinen Punktes 4 keine besonderen Anforderungen an
die Güte der Linse 3 stellt.
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Eine Abwandlung dieses Prinzips ist aus :Xbb. 2 ersichtlich. Hier
wird durch die Linse 3, die übrigens auch fehlen kann, so daß dieses Mikroskop für
alle Strahlenarten verwendbar ist, nicht ein kleiner Punkt, sondern eine beliebig,
z. B. parallel verlaufende Strahlung erzeugt. An die Stelle des Punktes 4 nach Abb.
i tritt nun ein punktförmiger Streuer £, der die vorher beliebig verlaufende Strahlung
in ein von diesem Punkte ausgehendes Bündel verwandelt; eine Blende 9 dient dazu,
die nicht gestreuten Strahlen abzufangen. In Abb.3 ist die des Streuers mit der
Blende lreispielslveise dargestellt. 9 stellt die Blende mit einem sektorförmigen
Ausschnitt dar, 8 den eigentlichen Streuer, z. B. eine Folie. Es ist ersichtlich,
daß die Stoffe je nach der verwendeten Strahlung geeignet zu wählen sind, wie dies
für sämtliche der eingangs genannten Strahlenarten hinlänglich bekannt ist.
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Handelt es sich z. B. um Röntgenstrahlen, so wird man den Streuer
aus einem Stoff von möglichst hoher Ordnungszahl machen. also z. B. Blei wählen,
so daß eine starke Streuung eintritt, während man zur Halterung einen Stoff geringen
Streuvermögens, also von niedriger Ordnungszahl wählt. lian könnte zur Halterung
beispielsweise einen Seidenfaden oder eine Zaponlackfolie wählen.
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Es ist dabei dafür Sorge zu tragen, daß nicht nur die ungestreuten
Strahlen, sondern auch störende Strahlen das Objekt nicht erreichen, wie dies an
Abb. 4 erläutert sei. Als Strahlenquelle dient hier die Antikathode i einer Röntgenröhre,
von der die Röntgenstrahlen 2 ausgehen. Sie treffen auf den Streuer 8 aus Blei auf.
der durch einen Seidenfaden io gehalten wird. Zur _,bl>i'ldung der primären Röntgenstrahlen
dient die Blende g, die zweckmäßig trichterförmig ausgebildet ist, so daß vorzugsweise
die gestreuten Strahlen die Richtung auf die Antikathode zu haben. Um nun jegliche
Bestrahlung des Objekts mit Streustrahlen oder Primärstrahlen zu vermeiden, die
nicht von dem Streuer 8 ausgehen, wird dieses seitlich angeordnet, wie es durch
6 angedeutet ist. Der Auffangschirm 7 ist dann etwa in der dargestellten Weise anzuordnen.
Bei einer Anordnung nach Abb. 3 hat man, um eine Bestrahlung des Objekts mit primären
(ungestreuten:) Strahlen zu vermeiden, den Streuer 8 entsprechend dick auszubilden.
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Im allgemeinen wird man einen Streuer von amorpher Struktur wählen,
um zu vermeiden,
daß nur bestimmte Streurichtungen bevorzugt und,
damit nur bestimmte Teile des Objekts abgeb,indet werden. In besonderen Fällen:,
nämlich wenn, die Strahlung bereits konvergent auf den Streuer gerichtet ist, kann
es zweckmäßig sein, dem Streuer eine kristalline Struktur zu geben. und ihn dabei
vorzugsweise so auszubilden, daß nurFlächengitterbew'egungen auftreten. Dann bleibt
die ursprüngliche Winkelverteilung des. Strahles im wesentlichen, erhalten. Man,
kann, z. B. bei Verwendung von, Röntgenstrahlen ein. dünnes Glimmerblättchen als
Streuer, verwenden: Konvergente Röntgenstrahlung 1'äßt sich in bekannter Weise z.
B. dadurch erzielen, daß die von einer großflächigen Antikathode ausgehendeStrahlung
geeignet ausgeblendetwird.
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Da die Vergrößerung, die mit dem vorliegenden Mikroskop erzielt wird,
durch den Abstand des Objekts von dem, Streuer und der Bildebene abhängig ist, ist
es: zweckmäßig, mindestens einen der genannten, Teile verschiebbar anzuordnen, so
daß die Vergrößerung einstellbar ist.
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Es war bisher vorausgesetzt worden, daß bereits die zur Abbildung
verwendete Strahlung vorn einer vorgegebenen Quelle herrührt, so daß die Aufgabe
darin, bestand, diese Strahlung so, zu beeinflussen, daß sie durch einen in, der
Nähe des Objekts. Fliegenden Punkt verläuft. Handelt es sich um Röntgenstrahlen
oder Neutronen, gegebenenfalls auch um Ionen,, so kann man indessen bereits die
Strahlenquelle so ausbilden, daß sie selber die Rolle .des durchstrahlendem Punktes
(4. in Abb. i) übernimmt.
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In Abb. 5 ist: ein Beispiel: einer für diesen Zweck geeigneten Röntgenröhre
schematisch dargestellt. Einer Kathode i i entstammt ein Elektronenstrahl 12, der
nach Beeinflussung durch eine elektrische Linse 13 die Antikathode i8 in; einem
kleinen Fleck trifft. Die Antikathode wird zweckmäßig als Teil der elektrischen
Linse ausgebildet, @so, däß eine kleine Bildweite und damit eine geringe Vergrößerung
.der elektronenoptischen Abbildung, also auch eine kleine Röntgenstrahlquelde erzielt
wird:. Die Röntgenstrahlen sind mit 2 angedeutet und durchsetzen, von der Antikathode
kommend, das. .hier nicht besonders eingezeichnete Objekt in der früher dargestellten
Weise. Da es sich bei dem, Mikroskop der vorliegenden Art im westentliehen um ein
Intensitätsproblem handelt, hat man einen sehr intensiven Elektronens.trah:l zu
wählen und daher die Antikathode. stark zu beanspruchen. In Richtung der Pfeile
ig wird daher zweckmäßig Kühlung, beispielsweise durch Wasser, vorgenommen.
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In, Abb,6 ist eine entsprechende Anord,-nung mit einer magnetischen,
Linse 13 dargestellt. Hier bildet die Antikathode 18 einen Teil der Polschuhe der
Eisenkapselung der Linse. Auch in diesem Falle wird in Richtung der Pfeile ig eine
Kühlung vorgenommen.
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Nach einem anderen Prinzip arbeitet die Anordnung nach Abb. 7. Die
der Kathode i i entstammenden Elektronenstrahlen 12 treffen auf eine Antikathode
18 auf, von der, wie in den vorhergehenden Fällen, die Röntgen s.trahlung (Bremsstrahlung)
2 ausgeht. Die Antikathöde selbst ist hier an einem Halter 2o befestigt. Der Elektronenstrahl
kann hier einen beliebigen Querschnitt haben, wenn nur durch die Größe der Antikathode
dafür gesorgt ist, daß die Röntgenstrahlduelle genügend klein, ist. Eine Kühlung
erfolgt hier praktisch nur durch Strahlung.
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Um die Wärmeableitung zu verbessern, kann man. von einer Anordnung
nach Abb. 7 übergehen zu einer nach. Abb. B. Hier ist der die Antikathode bildende,
schwer schmelzbare Stoff 18 in einen Träger 2o vont geringer Ergiebigkeit eingebettet.
Als Antikat'ho-de 18 kann z. B. Wolfram oder Kupfer (hohe Ordnungszahl), als Träger
20 ein Stoff niedriger Ordnungszahl, z. B. Beryllium, dienen. Die Röntgenstrahlung
wird dann hauptsächlich von dem- Element hoher Ordnungszahl geliefert, während der
Träger im wesentlichen zur Kühlung durch Wärmeableitung dient. Außerdem kann natürlich
in .diesem -Falle auch ,eine besondere Kühlung, z. B. durch Wasser, vorgesehen sein,
wie es die Pfeile ig andeuten.
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Eine Kombination der Anordnung nach Abb.7 bzw.8 mit derjenigen nach
Alyb.5 bzw. 6 entsteht, wenn man, bei Abb. 7 order' 8 eine Elektronenlinse 13, wie
sie dort gestrichelt angedeutet ist, einführt. Werden nämlich die Elektronen mittels
dieser Linse auf die punktförmige Antikathode fokussiert, so ergibt sich gegenüber
Abb. 5 und 6 eine Unabhängigkeit der Lage des streuenden Punktes von Störungen aller
Art, seien sie magnetischer, elektrischer oder auch mechanischer Natur, falls die
Antikathode kleiner ist. als, der Elektronenbrennfleck. Gegenüber der Anordnung
nach A,bb. 7 und 8 ohne Elektronenlinse wird die von dem Halterungs-und Kühlungsstoff
niedriger Ordnungszahl etwa ausgehende Röntgenstrahlung vermindert.
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Es ist ersichtlich, da.B die gleichen,- wie sie soeben für durch E#lektronen
erzeugte Röntgenstrahlen beschrieben wurden, auch: dann Verwendung finden können;
wenn: es sich z. B. um Neutronen handelt, die beispielsweise durch Deuteronen erzeugt
werden. Sinngemäß isst dabei statt Antikathode Antianode zu lesen und statt
Elektronenlinse
Ionenlinse. Die Erzeugung von Neutronen durch Deuteronen kann in bekannter Weise
dadurch erfolgen, daß man die Deuteronen etwa auf eine schweren: Wasserstoff enthaltende
Substanz, wie Salmiak, auftreffen läßt. Ebenso können Neutronen in großer Zahl durch
Beschießung von Beryllium mit Heliumkanalstrahlen (Alphastrahlen) erzeugt werden.
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Die Frage der Abbildung mittels Röntgenstrahlen, oder Neutronen ist
indessen nicht nur ein Schärfe-, sondern auch ein Streu-und Absorptionsproblem,
da Streuung und Absorption für diese Strahlen wesentlich geringer als für Elektronen
sind. Dieses Problem kann man nun in der Weise lösen, daß das Objekt mit einem die
abbildende Strahlung gut absorbierenden oder streuenden Stoff getränkt wird; das
Tränkungsmittel hängt dabei nicht nur von der Gattung der abbildenden Strahlung
ab, Röntgenstrahlen oder Neutronen, sondern auch. noch von, ihrer Wellenlänge bzw.
Energie. Dient z. B. zur Durchstrahlung des Objekts die von Eisen herrührende Röntgenstrahlung
(Fe Ka), so wird das Objekt zweckmäßig mit Chrom getränkt, da Chrom diese Strahlung
besonders gut absorbiert (die Absorptionskonstante von Chrom hat eine größere Wellenlänge
als die charakteristische Strahlung des Eisens). Entstammt die Eisenstrahlung nicht
direkt der Antikathode (_,1\#bb. 5 bis 8), sondern wird sie erst einem Streuer (z.
B. 8 in Abb. q.) zugeleitet, so entsteht das gleiche Problem wie bei dem Objekt
auch bei dem Streuer; d. h. der Streuer, also z. B. Eisen, ist einer solchen Strahlung
auszusetzen, die von ihm besonders gut gestreut wird. Man wird in diesem Falle zweckmäßig
als Antikathode eine Kupferelektrode wählen, da die charakteristische Strahlung
des Kupfers wiederum vom Eisen bevorzugt absorbiert bz-%v. gestreut wird (die Verhältnisse
der Wellenlänge liegen hier ähnlich wie oben erwähnt wurde). Es ist ersichtlich,
-daß die genannten. Elemente nur beispielsweise angeführt wurden. Ein anderes Tripel
-von Elementen für Antikathode. Streuer und Tränkungsmittel wären beispielsweise
Kupfer, Kobalt, :Mangan.
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Ähnlich liegen die Verhältnisse hinsichtlich der Neutronen. Bei einer
Anordnung nach Abb. q., bei der aus der Quelle i beispielsweise thermische Neutronen
ausgelöst werden, wird zweckmäßig als Streuer 8 ein wasserstoffhaltiger Körper,
wie etwa Salmiak, gewählt, da in, Wasserstoff eine besonders große Streuung vom
Neutronen stattfindet. Das. Objekt wird ebenfalls zweckmäßig mit wasserstoffhaltigen
Stoffen, z. B. Wasser, getränkt, um eine große Streuung der Neutronen zu erzielen.
Man kann aber auch eine Tränkung mit bor- oder kadmiumhaltigen Substanzen vornehmen,
die eine besonders hohe Absorption der Neutronen bewirken. Offensichtlich ist es
für die verfolgten Zwecke gleichgültig, ob im Objekt eine Streuung oder eine Absorption
der Strahlung, gegebenenfalls sogar unter Aussendung einer Sekundärstrahlung, stattfindet,
da in allen Fällen eine Schwächung des gerichteten abbildenden Strahles stattfindet.
Ebenso ist es gleichgültig, ob bei Verwendung eines punktförmigen Streuers eine
elastische oder unelastische Streuung stattfindet oder ob sogar in Wirklichkeit
nicht die gestreute Primärstrahlung, sondern eine diffus ausgesandte Sekundärstrahlung
den Streuer verläßt.