DE857562C - Ionenmikroskop - Google Patents

Description

• Ionenmikroskop Die Erfindung bezieht :ich auf Ionenmikroskope und betrifft im besonderen ein Ioneiimikroskop mit Punktprojektion, das mit höher Auflösung die Struktur eines Stoffes abzubilden vermag.
• Erfindungsgemäß enthält das Ionenmikroskop in der Hauptsache eine Ionenduelle zum Aussenden eines Ionenbiindels, eine in der Bahn des Ionenbündels liegende l,.inriclittuig, die die auftreffenden Ionen reflektiert. wodurch die reflektierten Ionen \(»c dieser Hinrichtung als ihrer Ausgangsstelle zu kommen scheinen, ein zu vergrößerndes Objekt, das in der Hahn der reflektierten Ionen liegt, und eine die tollen nachweisende, z. 13. durch einen Photofilm oder Leicchtscüirm gebildete Vorrichtung zur Aufnahme des vergrößerten Bildes.
• \'orztigsiveise ist die Anordnung so getroffen, (1a13 die Innenquelle ein lonenbiindel geringer Divergenz auszustrahlen vermag und daß die in der Bahn des Ionenbündels liegende Einrichtung so wirkt, daß die auf sie auftreffenden Ionen in hochdivergenter Weise reflektiert werden. Zu diesem Zweck kann die erwähnte Einrichtung eine konisch zulaufende Spitze aufweisen, die in einer Fläche von kleinem Krümmungsradius endet, durch die die auftreffenden Ionen in hochdivergenter Weise so reflektiert werden, daß die reflektierten Ionen von einem kleinen Bereich nahe der 'Titte der Krümmung des abgerundeten Endes zti kommen scheinen.
• In der Bahn des Ionenbündels werden zweckinäßig Richtlinsen vorgesehen, um die Stärke und die u'inikeldivergenz des Bündels zu regeln.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthält die in der Bahn des Ionenbündels liegende Einrichtung einen Teil mit einem zugespitzten Ende, ein auf diesem zugespitzten Ende gelagertes Objekt und eine elektrische Einrichtung, um den genann,teti Teil auf einem solchen Potential zu halten, daß das zugespitzte Ende die auftreffenden Ionen reflektiert. Der die Ionen reflektierende Teil kann aus einem Draht bestehen, der durch die elektrische Einrichtung auf einem positiven Potential gehalten wird.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein Objektträger vorgesehen sein, der ein Objekt vor der abgerundeten Spitze des die Ionen reflektierenden Teiles oder Dräht.es zu halten vermag. In diesem Falle wird die zum Nachweis der Ionen dienende Einrichtung zweckmäßig mit einer in axialer Ausrichtung mit der abgerundeten Spitze liegenden Öffnung versehen, die den Durchtritt eines von einer hinter der Ion.ennachweiseinrichtung liegenden Ionenquelle kommenden Ionenbündels zuläßt, wobei die durch die abgerundete Spitze reflektierten Ionen durch das Objekt hindurchgehen und ein Bild des Objektes auf der Ionennachweiseinric'htung abbilden.
• Wenn der die Ionen reflektierende und somit die scheinbare Ionenquelle darstellende Teil oder Draht auf einem positiven Potential gehalten wird, ergibt sich der Vorteil, daß an den Draht eine verhältnismäßig hohe Spannung angelegt werden kann und die Spitze des positiv geladenen Drahtes nur einer durch das Feld erfolgenden Abnutzung unterliegt, nicht aber durch eine Beschießung mit Ionen zerstört wird. Es ist deshalb möglich, das erforderliche Vakuum in einem auseinandernehmbaren System aufrechtzuerhalten, wobei die höhere Spannung in einer hohen Auflösung und in einem besseren Durchgang durch das Objekt,hindurch resultiert.
• Die Zeichnung zeigt beispielsweise zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäß ausgebildeten lorienmikroskops. In der Zeichnung ist Fig. i eine schematische Ansicht, die die Vergrößerung eines Gegenstandes durch Strahlen darstellt, die von einer punktförmigen Lichtquelle ausgehen Fig.2 eine schaubildliche Darstellung mit zum Teil weggebrochenen Teilen, um die zum Aufbau des Mikroskops erforderlichen verschiedenartigen Teile besser zu veranschaulichen, Fig.3 eine vergrößerte Teilansicht, die einen Ionenstrahl geringer Divergenz sowie die abgerundete Spitze zeigt, von der der Ionenstrahl reflektiert wird, und Fig. 4 ist eine vergrößerte Teilansicht einer Abänderung der Erfindung, gemäß der eine Auflagerung des Objektes auf die Drahtspitze erfolgt.
• In den Zeichnungen, und zwar besonders in Fig. 2, enthält die zur Erläuterung gewählte Durchführungsform der Erfindung ein im wesentlichen zylindrisches Glasgehäuse io, dessen Vorderende durch die Kappe i i abgeschlossen ist und dessen rückliegendes Ende einen verminderten Durchinesser 12 hat, um einen verengten Durchlaß 1ß zu bilden, an den eine Pumpe, nicht dargestellt, angeschlossen wird, um innerhalb des Glasgehäuses <las gewünschte Vakuum aufrechtzuerhalten. :alle das Punktprojektionsmikroskop aufbauenden Teile liegen innerhalb des Gehäuses. Der Zugang zu diesen Teilen erfolgt mittels der abnehmbaren Verbindung 14, die in der Nähe des Vorderendes des Gehäuses liegt, Die Verbindung kann jede zweckentsprechende Form haben, die es ermöglicht, das Vorderende des Gehäuses abzunehmen; um auf diese Weise den am Vorderende befestigten Draht zu entfernen und einen bequemen Zugang zu dem Objektträger zu schaffen, der das zu vergrößernde Objekt trägt. Sind die Teile in der aus Fig.2 ersichtlichem Weise zusammengestellt, so dichtet die abnehmbare Verbindung 14 das Gehäuse genügend gut ab, um den Eintritt von Außenluft zu verhüten.
• Eine mit 15 bezeichnete Ionenquelle liegt innerhalb des Gehäuses neben seinem rückliegenden Ende. Die Quelle wird in gewünschter Stellung mittels einer Stütze 16 gehalten, die durch die Unterseite des Gehäuses 'hindurchtritt und bei 17 abgedichtet ist. Die Leitung 18 tritt ebenfalls durch die Unterseite des Gehäuses hindurch und ist bei i9 abgedichtet. Diese Leitung hat Verbindung mit einem Vorrat von Gas, z. B. Krypton oder Quecksilber, das durch die Leitung 18 dem Teil 15 zwecks Ionisation zugeleitet wird. Die Ionenquelle wird im einzelnen nicht beschrieben, da das vorliegende Ionenmikroskop mit jeder Art von Ionenquelle arbeitet, z. B. mit der Art, die von L a m e r, S a m s o n Compton in der Zeitschrift Physical Review, Bd. 48, 1935 oder durch W. H. Z i n n in der Zeitschrift Physical Review, Bd. 52, 1937 beschrieben ist. Sobald die Ionenquelle arbeitet, tritt ein Ionenbündel aus der Öffnung 2o des Teiles 15 aus. Dieses Ionenbündel wird durch die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 21 bezeichneten Richtlinsen gesteuert, die schematisch als eine Anzahl Metallscheiben mit einer auf der Längsachse der Ionenquelle liegenden 'Mittelbohrung dargestellt sind. Diese Linsen können ähnlich den elektrostatischen Linsen sein, die in der Elektronenoptik und dem Elektronenmikroskop von Z w- o r y k i n verwendet werden. Obwohl diese Linsen für die Verwendung von Elektronen bestimmt sind, geben sie bei der Verwendung von Ionen im wesentlichen die gleichen Ergebnisse. Es ist aber auch möglich, die Richtlinsen zu eliminieren; in diesem Falle vermindert der das Bündel zerteilende Raumladungseffekt die Ionenquelle auf eine in unmittelbarer Nähe der Achse liegende kleinere Fläche, wodurch auch die ziellose Seitengeschwindigkeit derjenigen Ionen vermindert wird, die das angespitzte Ende des Drahtes erreichen.
• Mit 22 ist ein zylindrischer Metallbehälter od. dgl. bezeichnet, der durch Träger 23 innerhalb des Gehäuses io getragen wird. Der Behälter hat einen Endteil 24, der (las rückliegende Ende verschließt und eine Öffnung 25 hat, die in Ausrichtung mit der Öffnung 2o der Ionenquelle liegt, um einen Durchlaß des Ionenbündels zu ermöglichen. Der Metallbehälter 22 hält an seinem Vorderende einen Objektträger 26, mit dessen Hilfe ein Objekt, z. B. das Objekt 27, genau auf der Längsachse, die mit

  der in der lotienquelle vorhandenen Öffnung 2o zu-

  saininenf;illt und also in Ausrichtung mit dem

  lonenbiindel liegt, aufgestellt werden kann.

  Das jenseits der abnehmbaren Verbindung i.4

  liegende Vorderende 28 des Gehäuses io ist als ein

  Ganzes von cl,eiil (,eliiitise entferrnbar, um bequemen

  Zugang zu (lern (llijchttrüger zu schaffen, sobald

  andere zu v@rgrö ßeri;de Gegenstände auf den Trä-

  ger aufgelegt werden sollen, und um den Photofilm

  zu erneuern der innerhalb des Metallbehälters 22

  und in Berührung finit dein Teil 24 des Behälters 22

  liegt. Der Photofilm 30 kann durch einen Leucht-

  schirni ersetzt «-erden, sobald nicht das Photo ge-

  wünscht wird, son(lern (las Bild betrachtet werden

  soll. Sowohl der Film als auch der Leuchtschirm

  sind jedoch mit einer Mittelöffnung versehen, die

  mit derÖffliutig25 zusamnietifällt, damit dasIonen-

  bündel durch die Ottnun:gen zu dem zugespitzten

  Ende des nachstellend beschriebenen Drahtes ge-

  richtet werden kann.

  Gemäß der I?rfindung besitzt der durch das ab-

  nehmbare vordere Ende 28 getragene Draht 3 1 ein

  zugespitztes, in der Bahn des Ionenbündels liegendes

  Ende, (las die einfallenden Ionen reflektiert, wie

  dies ani besten aus der vergrößerten Teilansicht

  der Fig. 3 erkentitlicli ist. Das zugespitzte Ende 33

  des Drahtes 3 t ist durch Verjüngen des Drahtendes

  gehildet, wohei die Verjüngung in eine gut abge-

  rundete 1#liiche von kleinem Radius endet. Das aus

  der Quelle 1,5 austretelide Iollenbiindel ist vorzugs-

  weise ein 13iiiidel geringer Divergenz, wie dies deut-

  lich aus Fig.3 hervorgeht. Nlit anderen Worten:

  Die (las Bündel bildenden Iorieii-strahlen verlaufen

  iin wesentlichen parallel, und die Einordnung der

  Strahlen in eitle ini wesentlichen parallele Bahn ist

  die Aufgabe der Richtlinsen. \Vährend nun die auf

  die Spitze des Drahtes auftreffenden Ionenstrahlen

  geringe Divergenz hallen, haben die von dieser

  Spitze reflektierten Ionen Höchste Divergenz, und

  diese reflektierten Ionen scheinen von dieser Spitze

  als ihrer Quelle zu kommen. Der Draht 31 erstreckt

  sich durch das Ende i i des Behälters hindurch und

  wird in geeigneter \\'eise durch den Träger 34 ge-

  halten, dessen Eitistellschraubelr 35 die Einstellung

  des angespitzten Drahtendes ermöglichen, so daß

  der Draht genau finit der Liingsachse der Ionen-

  quelle ausgerichtet werden kann.

  Der Objektträger 26 ist ringförmig, und das Ob-

  jekt 27 wird ini wesentlichen in die Mitte des Rin-

  ges gestellt. I@ni das Objekt zu halten und den

  Durchgang von Ionen durch die Mittelöffnung zu

  ermöglichen, ist der Objektträger vorzugsweise mit

  einer ':Membran au; durchsichtigem Material aus-

  gerüstet. Soll (las vergrößerte Bild des Gegen-

  standes 27 photographiert werden, so wird ein

  1'liotofilm 3o an die Wand 24 d,es Metallbehälters 22

  gelegt. Dieser I'liotofilm kann durch einen Leucht-

  schirm ersetzt werden, uni das vergrößerte Bild

  unmittelbar sichtbar zti machen. Fig. i zeigt sche-

  matisch die Vergrößerung, wie sie von dem Mikro-

  skop erhalten wird. Die von dem zugespitzten

  Ende 33 des Drahtes 31 reflektierten Ionen proji-

  zieren das Objekt 27, das in Fig. i als ein Pfeil dar-

  gestellt ist. Da die Ionen von einer Spitze oder von

  eii,eni Punkt herkommen, haben sie 'höchste Diver-

  genz, und der Pfeil wird entsprechend an dem Photo-

  tilm oder (lein Leuchtschirm 30 vergrößert. In Fig. 3

  ist l;eitiigeri(i Potential auf das abgerundete Ende 33

  gclcgt, uin die Streuung der Ionen an dein abge-

  t-ttil(h@ten linde 33 auszuschalten oder wesentlich zu

  verniiii(L"rn. Litt erstrebter Vorteil, der aus der

  Öffnung in dem Diaphragma des Objektträgers ent-

  steht, ist darin zu sehen, daß das Auftreten eines

  Sel;undärl>ildes an dem Ionensc'hirin verhindert

  wird.

  73e1 der in Fig.4 dargestellten Abänderung der

  I:rtindung trugt (las zugespitzte Ende 33 unmittel-

  bar den zu vergrößernden Gegenstand. Bei dieser

  Abänderung nfliern sich die Ionen sehr dicht dem

  Objekt oder l;örnien das auf dem Ende des Drahtes

  liegende Objekt auch berühren und werden durch

  den allgerundeten Umriß dieses Endes reflektiert.

  Die auf diese Weise dem Objekt sich nähernden

  oder das Objekt berührenden Ionenstrahlen werden

  einer Streuung unterworfen, wodurch ein Muster

  gem:iß der Art des Objektes geschaffen wird so

  (laß der Ioriensc'liirm ein projiziertes Bild des

  Gegenstandes auffängt.

  Um die Reflexion der Ionen derart zu führen,

  daß sie von dem zugespitzten Ende des Drahtes als

  ihrer _\u-"an=gsstelle herzukommen scheinen, ist es

  notwendig, die verschiedenartigen Elemente auf be-

  stimmten Betriebsspannungen zu halten, was durch

  die Vorrichtung 37, die eine Quelle für Gleichstrom

  hoher Spannung darstellt, und durch eine Gleich-

  strombatterie 38 durchgeführt wird, die eine Quelle

  für eine Vorspannung bildet. Die-Vorrichtung sollte

  in der Lage sein, eine Gleichstromspannung im Be-

  reich v011 200 ooo bis 5 ooo V zu liefern, wobei

  6o ooo V den Durchschnitt für die meisten Unter-

  suchungsstücke bilden.

  Ein Widerstand 4o liegt parallel zur positiven

  und negativen Klemme der Hochspannungsquelle 37,

  und ein zweiter Widerstand 4i überbrückt die po-

  sitive und negative Klemme der Vorspannungs-

  (luelle 38. Die Leitung 42 verbindet die Zonen-

  quelle 15 mit der positiven Klemme der Strom-

  (luelle 37, während Leitung 43 die negative Klemme

  mit dem Metallbehälter 22 verbindet. Die die Richt-

  lins;ii21 darstellendem durchlochten, Scheiben sind

  durch Leitungen 44, 45 und die Schieber 46, 47 mit

  dein \\'iderstand 4o verbunden wodurch ein Po-

  tentioineter gebildet ist, so daß die an die Ab-

  schnitte der Richtlinsen angelegten Spannungen

  wunschgemäß eingestellt werden können. Der

  Draht 3 i ist durch die Leitung 48 und den Schie-

  ber 5o mit dem Widerstand 4i verbunden, so daß

  ein Potentiometer gebildet ist, durch das die dem

  Draht gegebene Spannung auf dem gewünschten

  positiven Potential gehalten werden kann, um die

  auf das angespitzte Ende des Drahtes auftreffenden

  Ionen abzustoßen.

  Zum Betrieb des Ionenmikroskops wird das ge-

  wiinschte Vakuum innerhalb des Glasgehäuses io

  mit einer Vakuumpumpe, nicht dargestellt, auf-

  rechterhalten, die an dem eingezogenen Ende i3

  angeschlossen wird. Sobald die richtigen Betriebsspannungen an die verschiedenen Teile der Vorrichtung angelegt sind und der Ionenquelle 15 ein Gas zugeführt wird, tritt ein Ionenbi.indel durch die Ciffnung 20 der Quelle 15 aus. Die aus der OffnUng 20 'austretenden Gase werden sofort aus dem Gehäuse durch die Vakuumpumpe abgezogen. 1)i^ Richtlinsen2i steuern die Winkeldivergenz des Tonenbiindels und auch dessen Stärke.
• Vorzugsweise wird die Spitze 33 auf einem positiven Potential gehaltert, so daß keine Emission von Elektronen aus ihr stattfindet. Die eine positive Ladung besitzenden Ionen werden nach der Spitze zu gerichtet und werden demgemäß durch die Spitze reflektiert. Während des Betriebs werden einige der innerhalb des Gehäuses befindlichen Gasinoleküle ionisiert und die frei gewordenen Elektronen beschießen das zugespitzte Ende auf Grund seiner positiven Ladung. Die Beschießung durch Elektronen ist nicht so zerstörend wie die Beschießung durch Ionen, so daß deshalb das Ioneninikroskop kein übermäßig hohes Vakuum erfordert. Ein anderer, dem Ionenmikroskop anhaftender Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß eine hohe Spannung an den Draht angelegt werden kann. Die Amvendung höherer Spannungen resultiert in einer besseren Auflösung und in einer besseren Durchdringung der zu vergrößernden Gegenstände.
• Der Hauptvorteil, den das Elektronenmikroskop gegenüber dein Lichtmikroskop hat, nämlich sein höheres Auflösungsvermögen, beruht auf der Tatsache, daß Elektronen, die einige Eigenschaften von Wellenhewe.gung besitzen, eine kürzere Wellenlänge haben als Licht, wobei Licht auch einige Eigenschaften von Wellenbewegung besitzt. Der Vorteil, den (las Ionenmi'kroskop gegenüber dem Elektroneninikroskop hinsichtlich verbesserter Auflösungskraft hat, beruht in gleicher Weise auf der Tatsache, daß Ionen eine kürzere `'Wellenlänge haben als Elektronen. Ein weiterer Gesichtspunkt, der die durch das Ionenmikroskop erreichte 'hohe Auflösung ermöglicht, ist darin zu sehen, d@aß die anfängliche ziellose Seitengeschwindigkeit der Ionen geregelt und fast auf jeden gewünschten Wert durch Einstellung der Richtlinsen gebracht werdeni kann, die die Winkeldivergenz des Ionenbiindels regeln. Die Erzielung eines Bündels, bei dem die an dem zugespitzten Ende des Drahtes einfallenden Ionen eine geringe ziellose Seitengeschwindigkeit haben, erfolgt auf losten der Stärke des Bündels. Sobald das 'Mikroskop mit einem Leuchtschirm benutzt wird, muß die Auflösung und Vergrößerung etwas eingeengt oder zurückgestellt werden, um eine genügende Strahlstärke zu erhalten, so daß das vergrößerte Bild erblickt werden kann. Wird jedoch ein Film benutzt, so kann die Strahlstärke bei entsprechender Erhöhung an Auflösung und Vergrößerung vermindert werden.
• Die Erfindung ist nicht auf oder durch die Konstruktionseinzelheiten der in der Zeichnung dargestellten besonderen Durchführungsform begrenzt, da selbstverständlich den Fachleuten viele andere Formen der Vorrichtung offensichtlich sind, die den Bereich der Erfindung oder den Rahmen der Ansprüche nicht verlassen.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Ionenmikroskop mit einer Ionenquelle zum Aussenden eines lonenbiindels, gekennzeichnet durch eine in der Bahn des Ionenbündels liegende Einrichtung, die die auftreffenden Ionen reflektiert, wodurch die reflektierten Ionen von dieser Einrichtung als ihrer Ausgangsstelle zu kommen scheinen, ein zu vergrößerndes Objekt, das in der Bahn der reflektierten Ionen liegt, und eine die Ionen nachweisende '\'orriclitung zur Aufnahme des vergrößerten Bildes.
2. 2. Ionenmikroskop nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle ein Ionenbündel geringer Divergenz auszustrahlen vermag und daß die in.der Bahn des Ionenbünd@els liegende Einrichtung so wirkt, daß die auf sie auftreffenden Ionen in 'hochdivergenter Weise reflektiert werden.
3. 3. Ionenmikroskop nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Bahn des Ionenbiindels liegende Einrichtung eine konisch zulaufende Spitze aufweist, die in einer Fläche von kleinem hrümmungsradius endet, welche die auftreffenden Ionen in hochdivergenter Weise reflektiert, wodurch die reflektierten Ionen von einem kl,einenBereich nahe der Mitte der Krümmung des abgerundeten Endes zu kommen scheinen.
4. 4. Ionenmikroskop nach Anspruch i oder 2, gekennzeichnet durch in der Bahn des Ionenbündels liegende Richtlinsen, um die Stärke und die Winkeldivergenz des Bündels zu regeln.
5. 5. Ionenmikroskop nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, d aß die in der Bahn des Bündels liegende Einrichtung einen Teil mit einem zugespitzten Ende, ein auf diesem zugespitzten Ende gelagertes Objekt und eine elektrische EinricIitung enthält, um den genanntem Teil auf einem solchen Potential zu 'halten, daß das zugespitzte Ende die auftreffendeir Ionen reflektiert.
6. 6. Ionenmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ionen reflektierende Teil aus einem Draht besteht und die elektrische Einrichtung den Draht auf einem positiven Potential 'hält, wodurch das zugespitzte Ende des Drahtes auf Grund seiner Gestalt die auf das Ende auftreffenden Ionen in hochdivergenter Weise reflektiert. Ionenmikroskop nach den Ansprüchen i bis 6, gekennzeichnet durch einen Draht mit einem zugespitzten Ende, das abgerundet ist und einen kleinen hriimmungsradius hesitvt, einen Objektträger, der ein Objekt vor dein allgerundeten Ende und iin Abstand von diesem Ende zu halten vermag, eine zum Nachweis von Ionen dienende Einrichtung, die in bezu-g auf den Objektträger so liegt, claß die durch das abgerundete Ende reflektierten. Ionen durch das Objekt hindurchgehen und ein Bild des Objektes auf der Ionennachweiseinrichtung abbilden, wobei diese eine in axialer Ausrichtung mit dem abgerundeten Ende liegende Öffnung hat, die den Durchtritt eines Ionerrbündels zuläBt, eine an der Rückseite der Ionennac'h«-eiseirlric'htr.ng liegende Ionenquelle, die ein Ionenbündel durch die öffnung hindurch auf das abgerundete Etude des Drahtes projiziert, und eine elektrische Einrichtung, um die verschiedenen Elemente auf dem richtigen, Betriebspotential zu haltern.