DE809858C - Vorrichtung zur Pruefung von Kristallstrukturen mittels Kathodenstrahlen - Google Patents
Vorrichtung zur Pruefung von Kristallstrukturen mittels KathodenstrahlenInfo
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- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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- H01J37/295—Electron or ion diffraction tubes
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Description
(WiGBl. S. 175)
AUSGEGEBEN AM 2. AUGUST 1951
p 20770 IXb / 42 k D
ist als Erfinder genannt worden
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Prüfung der Struktur kristallinischer
Stoffe mittels Kathodenstrahlen; dieser Prüfung liegt die Beugung der Strahlen in den Rastern
von Kristallen zugrunde, wodurch sogenannte Diffraktionsbilder erzielt werden können.
In Fig. ι der Zeichnung ist schematisch dargestellt,
auf welche Weise solche Diffraktionsbilder entstehen. Mit ι ist die Achse eines engen Bündels
paralleler oder nahezu paralleler Elektronenstrahlen bezeichnet, die von links kommend auf ein aus
einem kristallinischen Stoff bestehendes dünnes Plättchen 2 auftreffen. Das Plättchen ist so dünn,
daß die Strahlen größtenteils geradlinig hindurchdringen. Ein Leuchtschirm 3 ist senkrecht zur
Achse ι angeordnet. Um den Schnittpunkt 4 der Achse ι mit dem Schirm 3 entsteht ein Lichtfleck,
da die geradlinig hindurchgehenden Strahlen an dieser Stelle auf dem Schirm auftreffen.
Infolge einer Interferenzerschekiung in ' den ao
Kristallrastern unterliegt ein Teil der Strahlen einer Diffraktion, und diese Strahlen treten daher
aus dem Plättchen 2 unter einem Winkel mit der Achse ι heraus. In Fig. 1 ist solch ein gebeugter
Strahl dargestellt, der einen Winkel α mit der Achse ι bildet und im Punkt 5 auf dem Schirm 3
aufprallt. Es treten Beugungen unter verschiedenen Winkeln auf, die für die Struktur der Kristalle
kennzeichnend sind. Bei einer Vielheit von Kristallen erfolgt diese Strahlenbeugung nach allen
Seiten hin in gleichem Maße. Es entstehen daher auf dem Leuchtschirm 3 leuchtende Kreise mit dem
Punkt 4 als Mittelpunkt. Die unter einem Winkel ο abweichenden Strahlen erzeugen z. B. einen Kreis,
dessen Radius gleich dem Abstand zwischen den Punkten 4 und 5 ist. Diese Kreise bilden gemeinsam
das Diffraktionsbild. Aus ihrer Helligkeit und ihrem gegenseitigen Abstand sind Schlußfolgerun-
gen möglich hinsichtlich der Natur des Stoffs, aus dem das Plättchen 2 besteht. Gibt es nur wenig
Kristalle, so können die Kreise eine ungleichmäßige Helligkeit aufweisen und sogar in eine Anzahl an
einem Kreisumfang liegender Flecke oder Punkte zerfallen.
Der Abweichungswinkel ist nicht nur vom Aufbau der Kristallraster, sondern auch von der
Wellenlänge der verwendeten Strahlen abhängig, ίο die wieder durch die Spannung bedingt wird, der
die Elektronen ihre Beschleunigung verdanken.
Der Winkel α wird von der Gleichung sin α = -j bedingt,
in der λ die Wellenlänge der verwendeten Strahlen und d einen periodisch im Kristall vorkommenden
Abstand, meistens Rasterweite genannt, darstellen. Die Wellenlänge· λ wird mit Hilfe der
de Broglieschen Formel λ ~ tj=~ berechnet, in der
ao U die Beschleunigungsspannung in Volt und λ die
Wellenlänge in Angströmeinheiten sind.
Aus diesen Formeln ergibt sich, daß bei einer Änderung der Spannung U in U+ AU der Winkelot
eine Abweichung +Aa erfährt und sich daher auch der Radius des Lichtkreises auf dem Schirm
ändert. Wenn also die Spannung nicht gleichbleibend ist und vielmehr eine Welligkeit in der
Kurve aufweist, so wird infolge der Spannungsänderungen der Lichtkreis durch den Punkt 5 er-
weitert. Dieser Einfluß kann so groß werden, daß sich die verschiedenen Ringe nicht mehr deutlich
voneinander unterscheiden oder ihre Abstände sich nicht mehr genau messen lassen. Auch wenn die verwendeten
Strahlen nicht monochromatisch sind, entsteht der gleiche Fehler.
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil ohne die Anwendung verhältnismäßig verwickelter und
teurer Maßnahmen zur genauen Beseitigung der Spannungswelligkeit oder zur Erzielung eines
durchaus monochromatischen Strahlenbündels zu beheben.
Gemäß der Erfindung wird zwischen dem Objekt und dem Auffangschirm eine magnetische Linse
vorgesehen, deren Brechungsvermögen derart gewählt ist, daß dessen von einer Wellenlängenänderung
bedingte Änderung innerhalb gewisser Grenzen die von derselben Änderung hervorgerufene
Änderung des Durchmessers der Kreise des Diffraktionsbildes ausgleicht oder nahezu ausgleicht.
Es wurde festgestellt, daß diese Anforderung im allgemeinen von einer Linse mit einem
solchen Brechungsvermögen erfüllt wird, daß der Schnittpunkt der gebeugten Strahlen mit dem
Schirm von ihr bis auf annähernd Va des Abstands zur Achse herabgesetzt wird.
Die Erfindung wird an Hand von Fig. 2 näher erläutert. Soweit die Bezugsziffern dieser Figur
auch in der Fig. 1 verwendet sind, haben sie gleiche Bedeutung.
Infolge einer Verringerung um A U der Spannung
U, der die auf dem Plättchen 2 aufprallenden Elektronen ihre Beschleunigung verdanken, vergrößert
sich der Beügungswinkel α um Δα. Der
Aufprallpunkt 5 auf dem Schirm 3 wird infolge dieser Spannungsherabsetzung nach 5' verschoben.
Bei einer periodischen Spannungsänderung würde somit der Lichtkreis bis zu einem Ring mit einer
Breite gleich dem Abstand zwischen den Punkten 5 und 5' erweitert werden, wenn keine Gegenmaßnahmen
getroffen wären. Zwischen dem Objekt 2 und dem Schirm 3 ist jedoch eine magnetische Linse
angeordnet, deren Hauptebene mit 6 bezeichnet ist. Diese Linse bricht die mit einer Abweichung ο gebeugten
Strahlen in Richtung der Achse und führt den Aufprallpunkt· auf dem Schirm 5 in 7 zurück.
Die Magnetlinse weist die Eigenschaft auf, die Elektronenstrahlen um so stärker zu brechen, je
kleiner die Elektronengeschwindigkeit ist. Diese Eigenschaft wird gemäß der Erfindung dazu benutzt,
die chromatische Abweichung bei den Beugungsbildern weitestgehend zu beseitigen. Zu
diesem Zweck wird die Brennweite der Linse so gewählt, daß ein infolge einer kleinen Spannungsänderung einigermaßen verschieden abweichender
Strahl wegen der von derselben Spannungsänderung hervorgerufenen Änderung des Brechungsvermögens
der Linse dennoch durch denselben Punkt 7 des Schirms geht, so daß der Lichtkreis nicht
nennenswert infolge der Beugungsänderungen erweitert wird. Wenn das Brechungsvermögen der
Linse so gewählt wird, daß der Abstand zwischen den Punkten 7 und 5 gleich 2/s des Abstands zwischen
den Punkten 4 und 5 ist, so ist diese Bedingung erfüllt, und dieselbe Linse ruft sowohl
eine Verschiebung des Punktes 5 als auch des Punktes 5' nach dem Punkt 7 hervor.
Es ist erforderlich, daß die Stärke des Magnetfeldes infolge einer Spannungsänderung nicht geändert
wird, da die dadurch bedingte Änderung des Brechungsvermögens der Linse die zu bekämpfende
Erscheinung gerade verstärken anstatt abschwächen würde. Es ist daher vorteilhaft, das Feld der Magnetlinse
mittels eines Dauermagneten zu erzeugen.
Bei der Verwendung einer Linse zum Entwerfen von Diffraktionsbildern ergeben sich die schärfsten
Kreise bzw. Punkte und somit die günstigsten Ergebnisse, wenn der Schirm an der Stelle angeordnet
ist, an der die durch die Linse hindurchgehenden Strahlenbündel ihren kleinsten Querschnitt haben.
Bei der Verwendung gerade paralleler Strahlen ist dies der Brennpunkt der Linse. Bei einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Vorrichtung wird in diesem Falle die Brennweite der Linse, d. h. der Abstand
zwischen der Hauptebene 6 und dem Schirm 3, gleich 2/s Teil des Abstands zwischen dem Objekt 2
und dem Schirm 3.
Ein wesentlicher Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung besteht· darin, daß sie die Speisung
des Elektronenejektors mit Wechselspannung ermöglicht, wobei nur während eines Teils der wirk- iao
samen Halbwelle der Strom durchgelassen wird. Dies kann in bekannter Weise dadurch geschehen,
daß eine Regelelektrode über einen Kondensator mit einem Punkt verbunden wird, der in bezug auf
die Kathode eine Wechselspannung aufweist. Die Vereinigung der Regelelektrode und der Kathode
wirkt in diesem Falle als Gleichrichter und läßt einen Strom durch, der den Kondensator bis auf
eine Spannung aufladet, die immer etwas niedriger sein wird als der Höchstwert der Wechselspannung.
Unter Zuhilfenahme von Widerständen, parallel zu und in Reihe mit dem Kondensator, ist die Kondensatorspannung
einstellbar. Auf diese Weise kann z. B. während 1Ze einer Periode, also während Vu vor
und während 1Jn nach dem Maximum, der Strom
ίο durchgelassen werden. Die Änderung der Spannung während dieser Ve Periode ist ungefähr 16%, was
noch nicht zuviel ist, um bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung von der Linse erfaßt
werden zu können.
Fig. 3 zeigt beispielsweise eine Schaltung zur Wirksammachung eines bestimmten Teils der Spannungswelle,
bei der mit 11 die Kathode einer Elektronenstrahlröhre
und mit 12 eine Regelelektrode bezeichnet ist. Die weiteren Elektroden sind nicht
dargestellt. Die Regelelektrode 12 ist über Widerstände 13 und 14 und eine Wechselspannungsquelle
15 mit der Kathode 11 verbunden; parallel zum Widerstand 13 liegt ein Kondensator 16. Letzterer
wird bis auf einen Teil der Spannung der Quelle 15 aufgeladen, so daß das Regelgitter 12 während
eines Teils jeder Periode der Wechselspannung positiv in bezug auf die Kathode ist.
Zur näheren Erläuterung ist in Fig. 4 ein Spannungsdiagramm dargestellt. Die Kurve 17 stellt die
Spannung der Quelle 15 dar. Die Kurve 18 ist der Negativwert der Kondensatorspannung. Die von der
Hilfselektrode 12 gegenüber der Kathode 11 erhaltene
Spannung ist durch ■ die Kurve 19 dargestellt. Sie ist meistens negativ, jedoch positiv in
den Zeitpunkten, in denen die Spannung 17 ihren positiven Höchstwert erreicht/ Die Regelelektrode
wird daher jedesmal während einer kurzen Zeitspanne t, innerhalb der die Spannung nicht sehr
stark von ihrem Höchstwert abweicht, den Strom durchlassen. Die Änderung des Brechungsvermögens
der Linse 6 verhütet, daß die Änderung der Spannung während der Zeitspanne t das auf dem Schirm
entstehende Diffraktionsbild beeinflußt. Selbstverständlich wird dabei angenommen, daß die Beschleunigungsspannung
der Elektronenröhre mit der Spannung der Wechselstromquelle 15 gleichphasig
ist.
Bei Objekten mit wenig Kristallen, bei denen auf eine deutliche Wahrnehmung der Lage der einzelnen
Leuchtpunkte Wert gelegt wird, kann die von der Magnetlinse hervorgerufene und sich gleichfalls
mit der Elektronengeschwindigkeit ändernde Bilddrehung störend wirken. Ein Mittel zur Beseitigung
dieses Nachteils besteht in der Verwendung einer Doppellinse mit entgegengesetzt gerichteten
Feldern, durch welche die Bilddrehung bekanntlich behoben wird.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Prüfung von Kristall- ^o
strukturen mit Hilfe von Kathodenstrahlen, dadurch gekennzeichnet·, daß zwischen dem Objekt
und dem Auffangschirm eine magnetische Linse vorgesehen ist, deren Brechungsvermögen derart
gewählt ist, daß die infolge Änderungen der Beschleunigungsspannung der Elektronen hervorgerufenen
Änderungen des Diffraktionsbildes ganz oder nahezu vollständig ausgeglichen werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auffangschirm an der Stelle des kleinsten Querschnittes der durch die
Linse hindurchgehenden Strahlenbündel angeordnet ist und die Brennweite der Linse gleich
Vs des Abstandes zwischen dem Objekt und dem 7S
Schirm ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Feld der magnetischen Linse von einem Dauermagnet erzeugt wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse als
Doppellinse ausgebildet ist, deren beide Linsenteile entgegengesetzt gerichtete Felder haben.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektronenejektor mit Wechselspannung gespeist und der Strom jedesmal nur während
eines Teils der wirksamen Halbwelle in der Nähe des Spannungsmaximums durchgelassen
wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfselektrode des
Elektronenejektors über einen Kondensator und eine Wechselspannungsquelle mit der Kathode
verbunden ist.
Hierzu ι Blatt Zeichnungen
β 929 7. 5t
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