DE809858C - Vorrichtung zur Pruefung von Kristallstrukturen mittels Kathodenstrahlen - Google Patents

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)

Patentansprüche:

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

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