DE809449C

DE809449C - Elektrostatisches Elektronen-Linsen-System

Info

Publication number: DE809449C
Application number: DEE373A
Authority: DE
Inventors: Bernard Joseph Mayo
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1948-12-10
Filing date: 1949-12-09
Publication date: 1951-07-30
Also published as: NL150232B; US2539370A; FR1001051A; GB655966A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Elektronen-Linsen-Systeme zum Fokussieren zusammengesetzter Elektronenstrahlen im Gegensatz zu Linsen zum Fokussieren gebündelter Strahlen.
Elektrostatische Elektronenlinsen zum Fokussieren zusammengesetzter Strahlen, wie sie als Elektronenbild eines optischen Objekts auftreten, auf eine mosaikartige Fangelektrode oder einen fluoreszierenden Schirm sind bekannt und bestehen aus zwei

ίο zylindrischen Elektroden, an welche unterschiedliche Potentiale angelegt werden, um ein elektrostatisches Brennfeld zu bilden. Das Brennfeld kann dazu dienen, ein von einer photoelektrischen Kathode emittiertes Elektronenbild zu fokussieren, wobei die Kathode neben der Elektrode angeordnet ist, die auf dem niedrigen Potential gehalten ist, doch hat sich bei diesen Linsen herausgestellt, daß eine bemerkenswerte Krümmung des fokussierten Elektronenbildes auftritt.

Daher, unter der Annahme, daß die photoelektrische Kathode eben ist, ist es natürlich wünschenswert, daß auf der Fangelektrode oder dem fluoreszierenden Schirm ein ebenes Bild gebildet wird. Jedoch wird das Elektronenbild bei der bekannten Ausführung der Linsen, wie oben erwähnt, nicht in einer Ebene fokussiert, sondern hat seinen Fokus auf einer stark gekrümmten Oberfläche, die konkav der Kathode gegenübersteht, mit dem Ergebnis, daß sich das Bild bei Benutzung einer ebenen Fangelektrode oder fluoreszierenden Schirms auf der Achse des Systems im Fokus befindet und sich nichtsdestoweniger an Stellen, die von der Achse entfernt sind, weit außerhalb des Fokus befindet. Bei dieser bekannten Ausführungsform von Linsen hat sich herausgestellt, daß der Krümmungsradius des Bildes bei einem Vergrößerungsfaktor von 1,7 0,13 des Radius der zweiten zylindrischen Elektrode der Linse beträgt.

Der Gegenstand vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten elektrostatischen Elektronen-Linsen-Systems, das eine nicht so große Bildkrümmung bewirkt wie in defc obenerwähnten bekannten Ausführungsform von Linsen.

Gemäß vorliegender Erfindung ist ein elektrostatisches Elektronen-Linsen-System zum Fokussieren eines zusammengesetzten Elektronenstrahls vorgesehen mit einer Elektronenquelle, aus der ein zusammengesetzter Strahl erzeugt werden kann, mit einer Mehrzahl von Elektroden, an welche Potentiale so angelegt werden, daß sie eine erste und noch eine zweite Elektronenlinse bilden, wobei die erste Linse die Aufgabe hat, an der Quelle Elektronenbüschel zu bewirken, die in Richtung der Achse des Systems konvergieren, während die zweite Linse die Aufgabe hat, die konvergierenden Büscnel zu fokussieren, und die Elektrode der zweiten linse, die weiter von der Quelle entfernt ist, auf einem Potential gehalten wird, ao welches geringer ist als das Potential, das an eine Elektrode der zweiten Linse, die der besagten Quelle nähergelegen ist, angelegt ist, und zwar vorzugsweise geringer als 0,4 dieses Potentials ist.

Linsensysteme in Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung können entworfen werden zur Erzielung eines Vergrößerungsfaktors 1 oder eines Vergrößerungsfaktors größer als 1 oder einer Verkleinerung.

Um vorliegende Erfindung klar verständlich zu machen und um sie praktisch ausführen zu können, wird dieselbe nun ausführlicher beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen

Fig. ι schematisch die bekannte Ausführungsform

von Linsen, wie sie oben erwähnt wurden, darstellt und.

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht ist, die ein Linsensystem gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt.

Wie in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt, besteht die Linse aus einem Paar röhrenförmiger, im Querschnitt kreisförmiger Elektroden χ und 2, wobei die Elektrode ι mit einer photoelektrischen Kathode 3 verbunden ist, welche Elektronen emittiert, wenn ein optisches Bild auf sie projiziert wird, und die Linse, die von den Elektroden 1 und 2 gebildet wird, die Aufgabe hat, ein Elektronenbild zu entwerfen auf einer ebenen Oberfläche 4, die eine Fangelektrode oder ein fluoreszierender Schirm sein kann. Bei Inbetriebnahme der Linse kann die Elektrode 1 auf dem Potential der Kathode 3 gehalten werden, welches Nullpotential sein kann, und die Elektrode 2 wird auf positivem Potential gehalten. Das Anlegen der erwähnten unterschiedlichen Potentiale an die zwei Elektroden 1 und 2 dient dazu, ein elektrostatisches Brennfeld zu bilden, deren Äquipotentialflächen durcji die ausgezogenen Linien 5 dargestellt sind. Die in Fig. ι gezeigten gestrichelten Linien stellen von der photoelektrischen Kathode emittierten Elektronenbüschel dar, und man ersieht aus dieser Figur, daß die Elektronenbüschel ziemlich auseinandergehen und weiterhin, wie die Bildpunkte der Axial-, Gürtel- und Randelektronenbüschel, wie bei 6 bzw. 7 und 8 dargestellt, zeigen, daß die Krümmung des Bildes bemerkenswert ist, so daß, während die Axialelektronenbüsctiel ihren Fokus auf der Oberfläche 4 haben, die Randelektronenbüschel weit außerhalb des Fokus sind. Bei dieser Ausführung der Linse beträgt die Krümmung des Bildes auf der Oberfläche 4 0,13 des Radius der Elektrode 2.

Fig. 2 der Zeichnungen stellt eine Linse in Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung dar. Bei dieser Figur ist die photoelektrische Kathode mit der Bezugsnummer 9 versehen und hat die ebene Oberfläche, die Fangelektrode oder fluoreszierender Schirm sein kann, auf dem das Bild fokussiert werden soll, die Bezugsnummer 4. An die Kathode 9 angrenzend, j liegt eine Reihe von rohr- oder ringförmigen Elektroden 10, 11 und 12, denen eine längere röhrenförmige Elektrode 13 folgt, welche zusammen mit den Elektroden 10, 11 und 12 eine erste Elektronenlinse bildet. Der Elektrode 13 folgt eine weitere röhrenförmige Elektrode 14, Wobei die Elektroden 13 und 14 eine zweite Elektronenlinse bilden. In einem besonderen Ausführungsbeispiel eines Linsensystems gemäß der Erfindung kann eine photoelektrische Kathode 9 einen Durchmesser von 5 cm haben, die Elektrode 10, die mit der Kathode 9 verbunden ist, einen Durchmesser von 5 cm und eine Länge von 0,4 cm, die Elektroden 11 und 12 einen Durchmesser von 5 cm und jede eine Länge von 0,5 cm, die Elektrode 13 einen Durchmesser von 5 cm und eine Länge von 8 cm und. die Elektrode 14 einen Durchmesser von 5 cm und eine Länge von 17 cm. Bei Betrieb können die Elektroden 10, 11 und 12 auf gleichem Potential gehalten werden wie die photoelektrische Kathode 9, nämlich auf Nullpotential, die Elektrode 13 an einem positiven Potential von 5000 Volt und die Elektrode I4_ an einem, positiven Potential, das geringer ist als 0,4 des Potentials der Elektrode 13. Vorzugsweise liegt das Potential der Elektrode 14 zwischen 500 und 1000 Volt_r beispielsweise 600 Volt. Die Äquipotentialflächen, die die erste Elektronenlinse hervorrufen, sind in ausgezogenen Linien bei 15 dargestellt und die von der photoelektrischen Kathode 9 emittierten Elektronenbüschel in gestrichelten Linien bei 16. Die Äquipotentialflächen, die zwischen den Elektroden 13 und 14 hervorgerufen werden, sind als ausgezogene Linien 17 dargestellt. Man bemerkt beim Vergleich der Fig. 1 und 2, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Elektronenbüschel 16 eng sind wegen des relativ höheren Feldes, welches an der Kathode 9 erzeugt wurde, mit dem Ergebnis, daß alle von den Büscheln ausgehende Strahlen ein ähnliches Feld durchqueren und daß die Brennweite klein ist und die Büschel gegen die Achse des Systems konvergieren. _ Die Elektronen in diesen Büscheln werden anfangs durch die erste Elektronenlinse leicht konvergiert und durchlaufen dann eine fast feldfreie Zone, bevor die Elektronen dieser Büschel durch die zweite Linse, die aus den Elektroden 13 und 14 gebildet wird, weiter konvergiert und fokussiert werden. Wenn die Elektronenbüschel mit der Zeit diese zuletzt erwähnte Linse erreichen, befinden sie sich in¹ der Nähe der Systemachse, so daß diese letzte Linse eine kleine Aberration verursacht. Das Resultat des erfindungsgemäßen Linsensystems ist, daß die Krümmung des Bildes klein ist im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Linse, wie es die Bildpunkte 18 der in ·

Fig. 2 dargestellten Elektronenbüschel mit einem erfindungsgemäßen Linsensystem mit einer Dimensionierung der Elektroden und Potentiale, wie oben angegeben, zeigen, wobei sich der Krümmungsradius des Bildes bei einem Vergrößerungsfaktor von 1,7 als 0,3 des Durchmessers der Elektrode 4 herausgestellt hat.

Obgleich, wie oben angegeben, die Elektroden 10, 11 und 12 auf dem gleichen Potential wie die photoelektrische Kathode 9 gehalten werden können, kann es in einigen Fällen vorteilhaft sein, die Elektroden 11 und 12 auf fortschreitend höhere Potentiale als das der Kathode 9 zu legen. Die Größe der verschiedenen Elektroden des Systems und die hieran angelegten Potentiale bestimmen die Größe des auf der Fläche 4 gebildeten Bildes, und offensichtlich werden die Größen dieser Elektroden und Potentiale so einzustellen sein, daß ein Bild gewünschter Größe erzeugt wird.

In der Optik kann man die bekannte Petzvalsformel benutzen, um die Krümmung eines Bildes zu bestimmen, und in der Elektronenoptik kann eine solche Formel ebenfalls benutzt werden. Eine solche Formel ist

(ι)

wobei C der Krümmungsradius der Bildfläche an der Achse ist, N_n der Brechungsindex des Bildraumes, und Nj, Nj die Indizes auf einer jeden Seite der /-ten Brechungsfläche mit dem Radius ff. Bei der Elektronenoptik, wo der Brechungsindex proportional VV ist, ist

Vv^i+ VVt

wobei Vj das Potential der Äquipotentialfläche / ist. Wenn die Flächen so ausgewählt sind, daß der Brechungsindex Nj'/Nf an jeder Fläche konstant ist, vereinfacht sich Formel (1) zu

= const χ ■

_n'Σ

-,+ V ν,

(2) Die Vorzeichenvereinbarung für (1) und (2) sind wie folgt: C und r_f haben die gleichen Vorzeichen, wenn Vf _{+ 1} < Vf, und entgegengesetzte Zeichen, wenn V,₊₁>Vf.

Somit wird bewiesen, daß durch Messen des axialen Krümmungsradius einer jeden Äquipotentialfläche die Bildkrümmung an der Achse leicht gefunden werden kann, und weiterhin, daß durch Anwendung dieser Formel die Konstruktion von Linsen gemäß der Erfindung erleichtert wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrostatisches Elektronen-Linsen-System zum Fokussieren eines zusammengesetzten Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Elektronenquelle zur Erzeugung zusammengesetzter Strahlen eine Mehrzahl von Elektroden angeordnet ist, an welche Potentiale so angelegt sind, daß sie eine erste und eine zweite Elektronenlinse bilden, wobei die erste Linse so ausgebildet ist, daß sie bewirkt, daß Elektronenbüschel aus der Quelle gegen die Achse des Systems konvergiert werden, während die zweite Linse die Aufgabe hat, die konvergierenden Büschel zu fokussieren, und die Elektrode der zweiten Linse, die weiter von der Quelle entfernt ist, auf einem Potential gehalten ist, das geringer ist als das Potential, das an eine Elektrode der zweiten Linse, die der Quelle näher ist, gelegt ist.

2. Elektrostatisches Elektronen-Linsen-System zum Fokussieren eines zusammengesetzten Elektronenstrahls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der Elektrode der zweiten Linse, die weiter von der Quelle entfernt ist, geringer als 0,4 des Potentials ist, das an eine Elektrode der zweiten Linse, die der Quelle näher ist, angelegt ist.

3. Elektrostatisches Elektronen-Linsen-System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle eine ebene photoelektrische Kathode ist.

4. Elektrostatisches Elektronen-Linsen-System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wie es mit Bezug auf Fig. 2 der Zeichnungen beschrieben ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Q 884 7.51