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Elektronenspektrograph zur Analyse von durchstrahlten Präparaten Bei
der Erforschung kleinster Teilchen kann man deren Form und Größe durch Abbildung
im Elektronenmikroskop und die Struktur bei kristallinen Substanzen durch Elektronenbe.ugungsuntersuchungen
ermitteln. Die ebenso wichtige chemische Zusammensetzung konnte wegen der geringen
Substanzinengen selten ermittelt werden. Möglichkeiten dazu bieten die kürzlich
entdeckten diskreten Energieverluste von Elektronen beim Durchgang durch dünne Materieschichten
(vgl. G. Ruthemann:, Ann. Phys. z-, S. 113 und 135, 1948). Die kleinen
Verluststufen, die durch Wechselwirkung mit Elektronen der äußeren Hülle der durchstrahlten
Atome entstehen, gestatten die Ermittlung der chemischen Bindung, während die großen
charakteristischen Verluste, die durch Anregung: in den innersten Elektronenschalen
zustande kommen, den Nachweis der durchquerten Elemente liefern. Das Gewicht der
untersuchten. Präparatteile ist nicht größer als i o-10 bis l o-1` g und kann in
günstigen Fällen noch wesentlich geringer sein. Bisherige `ersuche der Anwendung
der Messung der spezifischen Energieverluste an den innersten Schalen scheiterten
bei schweren: Elementen wegen der geringen Zahl dieser Abbremsungen. Die Aufzeichnung
der Elektronen erfolgte photographisch, und die Belichtung dauerte i Stunde und
länger, was einen großen Aufwand für die Konstanthaltung der Beschleunigungsspannung
und des Spulenstromes für das Ablenkfeld, erforderlich machte und Veränderungen:
des Präparats durch Anlagerung von Kohlenstoff aus Koh.lenwasserstoffen des Restgases
der Apparatur (Fettdämpfe) zur Folge hatte.
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Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung eines Elektronenspe ktrographen
zur Analyse von durchstrahlten Präparaten, der mit Registrierung der Energieverluste
der Elektronen im Präparat arbeitet. Erfindungsgemäß lassen sich die eingangs geschilderten
Schwierigkeiten dadurch überwinden, daß zum Nachweis der Elemente die an den inneren
Schalen der durch.strählten Atome entstehenden Energieverluste dadurch gemessen
werden,
daß die im Präparat verzögertenElektronen mit einem empfindlichen Nachweisgerät
(z. B. eines Ionisationskammer, einem Spitzenzähler oder einem Zäh @lrohr) gemessen
werden. Wesentlich für die Erfindung ist also die Anwendung eines empfindlichen
Nachweisgerätes, für die im Präparat verzögerten Elektronen. Das Zählrohr beispielsweise
gestattet es, sehr kleine Intensitäten nachzuweisen, die um Größenordnungen kleiner
sind als die mit. der Photoplatte bei tragbaren Belichtungszeiten nachweisbaren.
Auf diese Weise umgeht man also die große experimentelle Schwierigkeit der Konstanthaltung
von Beschleunigungsspannung und Spulenstrom über lange Zeiten und die Veränderung
des Präparats. durch Anlagerung von Kohlenstoff.
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Durch die bei der Erfindung angewendeten empfindlichen Nachweismethoden
läßt sich der Elektronenspektrograph auch bei Untersuchung von, Elementen von höherer
Ordnungszahl mit Erfolg anwenden. Will man Aussagen über den chemischen Aufbau der
durchstrahlten: Stoffe machen, so werden gemäß der weiteren Erfindung die an den
Elektronen der äußeren Hülle der durchstrahlten Elemente entstehenden Energieverliuste
gemessen, wobei die Energie der Elektronen im Spe'ktrograp'hen höchstens io keV
beträgt, während die Energie der Elektronen im Präparat zur Erzielung eines hohen
Durchdringungsvermögens größer gewählt ist. Im Präparat werden :dann also schnelle
und im Spektrographen langsamere Elektronen angewendet. Für die praktische Ausführung
der zuletzt behandelten Anwendungsform der Erfindung gibt es verschiedene Wege.
So kann man, z. B. die Kathode des: Spektrographen. mit ,einer gut konstant gehaltenen
Spannung von höchstens -io kV betreiben und den Präparathalter durch eine Zusatzspannung
auf beispielsweise -f- 5o, bis -i- ioo kV aufladen:. Eine andere bevorzugte Ausführungsmöglichkeit
besteht darin, daß man den Spektrographen: in Verbindung mit einem Korpuskularstrahlapparat,
z. B. einem Elektronenmikroskop, betreibt, bei dem die Kathode mit einer Spannung
von mehr als-io kV, alsoz.B.-5o bi.s-iookV, betrieben, wird. In diesem Fall wird
man erfindungsgemäß die schnellen Elektronen vor dem Eintritt in das Spektrometer
bis zu einer geringen Spannung von einigen kV verzögern. Eine dritte Möglichkeit;
zur Ermittlung der chemischen Bindung die an der äußeren Hülle der durchstrahlten
Elemente entstehenden Energieverluste zu messen, besteht darin:, .daß die Geschwindigkeitsverteilung
der verzögerten Elektronen mit Hilfe der Gegenfeldmethode gemessen wird. Bei den
Anwendungen der Erfindung, die zum Nachweis :der Energieverluste an, der äußeren
Hülle dienen, kann man in vielen Fällen als Ruffänger eine photographische Platte
verwenden. Ein Zählrohr oder ein anderes empfindliches Nachweisgerät ist ,dabei
nicht immer notwendig, da man hier meist wesentlich größere Intensitäten zur Verfügung
hat.
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Der schon obenerwähnte Zusammenbau des Spektrographen mit einem elektronenoptischen
Gerät (Elektronenmikroskop oder Elektronenbeugungsgerät) läßt sich auf verschiedene-Weise
durchbilden. Eine besonders vorteilhafte Au.sführung'sform erhält man dadurch, daß
der Spektrograp'h hinter .das elektronenoptische Gerät geschaltet ist, und zwar
in der Weise, daßdurch Justierung bzw. Verschiebung des Präparats senkrecht zur
optischen Achse die Elektronen, die den zu untersuchenden Teil des Präparats durchquerten,
durch eine Bahrung im Endbildleuchtschirm des, elektroneuoptischen Geräts hindurch
in den Spektrographen eintreten. Der Spektrograph selbst kann in verschiedener Weise
ausgebildet werden. So kann beispielsweise die Ablenkung der Strahlen im Spektrographern
durch das. Magnetfeld eines Elektro-oder eines Permanentmagneten erfolgen. Bei anderenAusführungsformen
kann für dieseAblenkung der Elektronen das elektrische Feld eines Platten-oder Zylinderkondensators
benützt werden. Man kann dabei ebene Ablenkplatten und beliebige Ablenkungswinkel
in Betracht ziehen. Besonders geeignet ist jedoch die Ablenkung im - Zylinderkondensator
und: hierbei die um i27°.
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Gleichgültig, ob es sieh um eine oder elektrische Ablenkung der Elektronen
handelt, kann man verschiedene Möglichkeiten der Betriebsweise von Spektrographern
nach der Erfindung in Betracht ziehen. So kann man, beispielsweise die Beschleunigungsspannung
und das Ablenkfeld konstant halten und den Auffänger (Ionisationskammer, Spitzenzähler
oder Zählrohr) verschieben. Eine andere Ausführungsform ergibt sich dadurch, daß
man die Beschleuniguingsspannung konstant hält und den Auffänger an derselben Stelle
stehenläßt, aber die Stärke des Ablenkfeldes ändert. Weiterhin kann man bei Rester
Ablenkfeldstärke und Ruffängerstellung,die Primärenergie ändern. Eine vierte Ausführungsform
ergibt sich dadurch, d:aß die Primärenergie, die Auffän-gerstellung und' die Ablenkfeldstärke
konstant gehalten werden, wobei nun aber die unterschiedlichen. Energieverluste
im Präparat durch einte Zusatzbeschleunigung vor oder beim Eintritt der Elektronen
in das Spektrometer ausgeglichen werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung, die sich insbesondere für Geräte
eignet, bei denen .die Energieverluste an den Elektronen der äußeren Hülle der durchstrahlten,
Substanzen gemessen werden, ergibt sich, wenn man die Elektronen gegen eine veränderliche
Gegenspannung bis zur Größe ihrer Beschleunigungsspannazng anlaufen läßt, wobei
die Zahl der Elektronen- als Funktion der Gegenspannung gemessen wird. Um den Einfluß
von Spannungsschwankungen, auszuschalten, kann man bei den Elektronenspektrographen
nach der Erfindung für das, Ablenkfeld die Beschleunigungsspannung selbst oder einen,
bestimmten Bruchteil davon verwenden. Eine Erhöhung des Anteils der stärker verzögerten
Elektronen im Spektrum ist dadurch möglich, daß man nur solche Elektronen in das
Spektrometer eintreten läßt, die im Präparat aus ihrer Ursprungsrichtung abgelenkt
worden sind. Eine weitere Erhöhung dieses Anteils läßt sich erreichen. durch A'bbilldung
eines ausgeblendeten Teils
des Präparats auf den Eingangsspalt des
Spektrographen mit Hilfe einer elektrischen oder magnetischen Linse. Diese wird
so eingestellt, d@aß nur für die stärker verzögerten Elektronen eine scharfe Abbildung
erfolgt. Durch den Farbfehler der Linse liegt die Bildebene der urverzögerten Elektronen
hinter dem Eingangsspalt des Spektrographen, der deshalb einen merklichen Teil der
im- oder nur wenig verzögerten Elektronen abfängt.
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Weitere für die Erfindung wesentliche Merkmale werden in den nachfolgendenAusführungsbeispielen
behandelt.
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Fig. i zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Elektronenmikroskop
mit einem Elelstronenspektrograp'hen zusammengebaut ist. Mit i ist die Kathode,
mit 2 der Wehneltzvlinder des Strah.lerzeugungssystems bezeichnet. Unmittelbar oherhall)
des magnetischen Objektivs 3 befindet sich das Präparat q. Das Endbild kann in üblicher
Weise auf einem Leuehtscbirm 5 sichtbar gemacht werden, der durch ein Schauglas
6 betrachtet werden. kann. An den Unterteil des Elektronenmikroskops ist der Elektronenspektrograph
angebaut. Mit 7 ist die Wand des Spektrographengehäuses bezeichnet. Zur Ablenkung
der Strahlen dient ein Elektromagnet, von dem der eine Polschuh & in der Figur
angedeutet ist. Die Elektronen treten durch einem kleinen Eintrittsspalt 9, der
im Leuchtscliirm 5 ausgespart ist, in den Spektrographen ein. Als Nachweisgerät
der im Präparat verzögerten Elektronen dient ein Zählrohr io, das bei dieser Ausfülhrurngsform
in Richtung des Pfeiles i i hin und her verstellbar ist. Mit iod ist ein Aluminiumfenster
des Zä'hlro'hrs bezeichnet. Dieser Spektrograph arbeitet mit konstanter Beschleunigungsspannung
und konstantem Ablenkfeld, während der Auffänger, nämlich das Zählrohr io, verschoben
wird.
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Die Fig. 2 bis .a. zeigen drei Ausführungsformen der Erfindung, bei
denen die- Energieverluste an den Elektronen der äußeren Hülle der durchstrahlten
Substanzen gemessen werden, wobei das dazu notwendige Auflösungsvermögen durch Verzögerung
der schnellen Elektronen vor Eintritt in das Spektrometer auf eine Energie von wenigen
keV erreicht wird. Soweit die Einzelteile mit denen in Fig. i übereinstimmen, sind
dieselben Bezugszeichen verwendet. Da es sich in diesen Fällen um den Nachweis der
Energieverluste an der äußeren. Hülle handelt, ist ein empfindliches Nachweisgerät
nicht immer nötig, da man hier meist wesentlich höhere Intensitäten zur Verfügung
bat. Das Zählrohr der Fig. i ist also in diesen Fällen durch eine als Auffänger
dienende Photoplatte 12 ersetzt. Um die gewünschte Abbrems:ung der schnellen Elektronen
zu erzielen, ist in diesen Ausführungsbeispielen der Eintrittsspalt .9 für die Elektronen
elektrisch getrennt von der zugeordneten darüber erkennbaren Öffnung im Endbildleuchtschirm
5. Fig. 2 zeigt zunächst den Aufbau der Anordnung schematisch, während die Fig.
3 und d. zwei. verschiedene Schaltmöglichkeiten für die Änderung der Primärenergie
der Elektronen bringen. In Fig.3 ist mit 13 die Heizbatterie der Kathode
i bezeichnet. Die Beschleunigungsspannung 1d. von z. B. 50 kV i.st an den Strahlerzeuger
gelegt. Zur Verzögerung der schnellen Elektronen vor Eintritt in das Spektrometer
ist eine Spannungsquelle 15 von: io1cV zwischen den rechten Kathodenanschluß
und das. Spektrometergehäuse 7 gelegt. Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform
ist zu diesem Zweck ein Spannungsteiler 16 vorgesehen, an dessen Anschlußpunkt
17 das Spektrometergehäuse gelegt ist.
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Fig. 5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, beidem
die Ablenkung der Strahlen im Spektrographen durch eine Helm'holtzspule 18 erfolgt.
Mit 12 ist wieder die Photoplatte be-
zeichnet, welche als Auffänger dient.
Von der Kathode i herkommend durchsetzen. die Elektronen das auf einem Halter 2o
befestigte Präparat .l.
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Fig.6 zeigt eine Schaltanordnung für einen Spektrographen nach der
Erfindung, bei dem mit einer hohen positiven Aufladung des Präparats durch eine
Zusatzspannung 2i von z. B. 5o kV gearbeitet wird. Als Beschleunigungsspannung der
Elektronen .dient die Spannungsquelle 22, die mit einer Spannung von z. B. io kV
± 2 V arbeitet. Mit 20 ist wieder der Präparathalter bezeichnet. An die Konstanz
der Zusatzspannung 21 brauchen hierbei nur geringe Anforderungen gestellt werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Primärenergie, die
Auffangerstellung und die Ablenkfeldstärke konstant bleibt, aber die Energieverluste
im Präparat durch eine Zusatzbeschleunigung beim Eintritt der Elektronen in das
Spektrometer ausgeglichen werden, ist in Fig.7 dargestellt. Soweit die Einzelteile
wieder mit Fig. i übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die
d'urc'h die Spannungsquelle 1q. auf 5o keV beschleunigten. Elektronen werden hier
im Bereich zwischen der Durchbohrung des Endbildleuchtschirms 5 und dem Eintrittsspalt
9 zusätzlich beschleunigt. Hierfür dient die Spannungsquelle 23 von z. B,. 5 kV.
Die Zusatzbeschleunigüngsspannung kann am Spannungsteiler 24 geregelt werden.
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Fig. 8 zeigt schließlich eine Ausführungsform der Erfindung mit einer
elektrischen Linse 25, die dazu dient, einen ausgeblendeten Teil des Präparats .I
auf die Eingangsöffnung 9 des Spektrographen abzubilden. Ähnlich wie bei Fig. i
ist in diesem Fall als empfindliches Nachweisgerät ein Zählrohr io vorgesehen. Die
Brennweite der Linse 25 wird dabei so eingestellt, daß die Abbildung nur für die
zu untersuchende Elektronenenergie scharf ist. Die Kathode i ist aus der optischen
Achse des Geräts entfernt, damit nur solche Elektronen zur Abbildung gelangen, die
im Präparat 4 aus der Ursprungsrichtung abgelenkt worden sind (Dunkelfeldmethode).