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Statische Elektronenlinse mit gekrümmter Abbildungsachse Von den Massenspektrographen
ist es bekannt, daß durch elektrische Querfelder, die durch zwei koaxiale Zylinderelektroden
erzeugt werden, und durch homogene magnetische Querfelder auf geladene Teilchen
gleicher :Tasse und gleicher Geschwindigkeit außer einer Umlenkwirkung auch eine
Fokussierungswirkung ausgeübt wird. Die Folzussierung tritt nur in der Ebene des
Umlenkkreises auf, während in der dazu senkrechten Richtung eine Sammlung der Teilchen
nicht stattfindet. In der Bildebene wird daher aus einem Gegenstandspunkt ein Bildstrich.
Das elektrische Querfeld fokussiert bekanntlich in der genannten Ebene, nachdem
die Elektronen einen Bogen von etwa i27=' durchlaufen haben, während das magnetische
Querfeld von einem Gegenstandspunkt erst nach i8o' einen Bildstrich erzeugt. Da
diese Felder nur in einer Richtung fokussieren, können sie zur einwandfreien Abbildung
eines Gegenstandes nicht herangezogen werden.
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Vom Gesichtspunkt der Elektronenoptik sind oft Abbildungsanordnungen
erwünscht, die ein getreues Bild des Gegenstandes ergeben, deren Strahlengang aber
im Gegensatz zum Beispiel zu den bekannten rotationssymmetrischen Linsen eine Umlenkung
um einen beliebig großen Winkel erfährt. So ist z. B. ein Bildwandler bekannt, bei
welchem ein magnetisches Querfeld zur Umlenkung des Strahlenganges dient. Hierdurch
treten aber zwangsläufig Bildverzerrungen auf,. die den Verzerrungen einer optischen
Zylinderlinse analog sind. Man hat daher bereits vorgeschlagen, diese Verzerrungen
dadurch zu kompensieren, daß man der zusätzlichen Optik Zylinderlinseneigenschaften
gibt.
Dies führt jedoch zu einem komplizierten Aufbau.
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Ferner ist bekannt, bei einem Bildwandler eine Umlenkung des Strahlenganges
durch zwei magnetische Linsen herbeizuführen, die um go° gegeneinander versetzt
sind. Die Photokathode liegt bei diesem Bildwandler in unmittelbarer Nähe der einen
Spule, während der Leuchtschirm innerhalb der anderen Spule angeordnet ist. Auch
ist ein Bildwandler bekannt, bei dem Photokathode und Leuchtschirm nebeneinanderliegen
und der ganze Bildwandler von einem parallel zur optischen Achse laufenden Magnetfeld
durchsetzt ist, dessen Kraftlinien sowohl auf der Photokathode als auch auf dem
Leuchtschirm senkrecht stehen. Diese beiden bekannten Anordnungen benutzen jedoch
so starke Magnetfelder, daß die Elektronenbahnen zu Schraubenlinien aüfgewendelt
werden, so daß zwischen Bildebene und Gegenstandsebene etwa fünf bis zehn Zwischenbilder
entstehen. Würde man das erste Bild auf die Bildebene bringen, so würden infolge
ungünstig gewählter Feldformen so starke Verzerrungen und Unschärfen im Bild auftreten,
daß eine praktische Anwendung nicht möglich ist. Außerdem weisen auch diese Anordnungen
einen starken Verzeichnungsfehler auf, denn ein ursprünglich quadratischer Gegenstand
wird auf dem Leuchtschirm als Rhombus abgebildet. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, ein ganzes Bild verzerrungsfrei umzulenken, so daß die bei den bekannten
Anordnungen auftretenden Nachteile beseitigt werden. Bei der Lösung dieser Aufgabe
konnte festgestellt werden, daß diese Aufgabe mehrere Lösungen zuläßt, die auf dem
gleichen Lösungsprinzip beruhen. Die erfindungsgemäße Umlenklinse kann sowohl als
statische Elektronenlinse ohne Beschleunigung als auch als statische Elektronenlinse
mit Beschleunigung sowie als magnetische Linse ausgebildet werden.
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So ist erfindungsgemäß bei einer statischen Linse mit gekrümmter Abbildungsachse
und konstantem Potential längs der optischen Achse die Form der Linsenelektroden
so gewählt, daß 'die Äquipotentiälfläche in einer durch einen beliebigen Achsenpunkt
gelegten achsensenkrechten Ebene die gleiche Krümmung wie in der Achsenschmiegebene
hat.
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Bei einer Umlenklinse mit verschiedenem Potential längs der optischen
Achse ist erfindungsgemäß die Form der Linsenelektroden so gewählt, däß die Äquipotentialfläche
in einer durch einen beliebigen Achsenpunkt gelegten achsensenkrechten Ebene etwa
den Krümmungsradius ei:
hat, worin O den Krümmungsradius der Achse, das gegen die Kathode gemessene Potential
längs der Achse und w deren Bogenlänge bedeutet.
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Bei einer magnetischen Linse mit gekrümmter Abbildungsachse ist erfindungsgemäß
das Magnetfeld so gewählt und angeordnet, daß die Kraftlinie durch den Achsenspurpunkt
in einer achsensenkrechten Ebene den doppelten Krümmungshalbmesser der Abbildungsachse
hat. Diese Linsen haben den Vorteil, daß trotz einer Umlenkung des Strahlenbündels
bereits das erste Bild, auf die Ebene des Auffangschirms gebracht, unverzerrt und
scharf erscheint.
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Bei den rotationssymmetrischen Linsen bezeichnet man als optische
Achse diejenige gerade Elektronenbahn, die die Mitte der Gegenstandsebene mit der
Mitte der Bildebene verbindet, auf diesen Ebenen senkrecht steht und mit der Drehachse
der rotationssymmetrischen Felder zusammenfällt. Entsprechend soll im folgenden
bei gekrümmtem Strahlengang als optische Achse die Bahn eines Elektrons bezeichnet
werden, welches die Mitte der Gegenstandsebene in Richtung der Ebenennormalen verläßt.
Von der Krümmung
dieser optischen Achse hängt die Formgebung der Linse ab. Dabei können die Linsen
elektrischer oder magnetischer Art sein. Bei. elektrischen Linsen lassen sich solche
unterscheiden, bei welchen das längs der Achse fliegende Elektron beschleunigt wird
oder nicht.
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Abb. z zeigt ein Ausführungsbeispiel einer statischen Linse ohne Beschleunigung,
deren Elektroden aus zwei Kugelkalotten z und z bestehen, die senkrecht zur optischen
Achse 3 geschnitten dargestellt sind. Die Äquipotentialfläche, in welcher die optische
Achse liegt, hat den gleichen Radius wie die Achse selbst, was durch die Kugelform
bedingt ist, so daß bereits durch diese einfache Ausführungsform eine weitgehend
verzerrungsfreie Ablenkung trotz Umlenkung gewährleistet ist. An die beiden Elektroden
z und 2 wird genau wie bei einem Ablenkplattenpaar eine Spannungsdifferenz gelegt.
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Daß sich die erforderliche Dimensierung zur Erzielung einer verzerrungsfreien
Abbildung auch mit anders geformten Elektroden als mit Kugelkalotten erreichen läßt,
zeigen die Abb, z und 3. Die Abb. 2 stellt einen Schnitt senkrecht zur optischen
Achse dar, während die Abb. 3 einen Schnitt durch die Linse zeigt, bei dem die Schnittebene
mit der Achsenschmiegebene zusammenfällt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die
untere Elektrode im achsensenkrechten Schnitt eine Hyperbel, während die obere Elektrode
5 ein Winkel ist, dessen Schenkel die Asymptoten der Hyperbel sind. Demzufolge sind
auch die Spuren der Äquipotentialflächen Hyperbeln, so daß auch die optische Achse,
die wieder mit 3 bezeichnet ist, in einer solchen Fläche liegt. Trotzdem ist aber
die Bedingung für eine verzerrungsfreie Umlenkung bzw. Ablenkung erfüllt, da für
jeden Punkt einer Äquipotentialfläche die Krümmung
sowohl in Richtung der optischen Achse als auch senkrecht dazu die gleiche ist.
Der Unterschied zur Linse gemäß Abb. z liegt nur darin, daß der Krümmungshalbmesser
längs der Achse ab- bzw: zunimmt. Welche Linsenform nun praktisch gewählt wird,
kommt auf den Verwendungszweck an. Leichte genaue Herstellbarkeit und geringe Abbildungsfehler
werden hier ausschlaggebend sein. Auch andere Flächen zweiten Grades können verwendet
werden.
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Die Brechungskraft einer nicht beschleunigenden Umlenklinse ist durch
ihre Abmessungen gegeben.
Bei ebenen Achsen ist sie außer durch
die Achsenkrümmung in erster Linie durch den Umlenkwinkel bestimmt. Ist die Achse
eine Raumkurve, so hängt sie außerdem noch von der Windung (Torsinn) Ii der Kurve
ab. Macht man die Windung der Krümmung gleich
so erhält man eine elektronenoptische Anordnung. die zwar umlenkt, jedoch weder
eine sammelnde noch eine zerstreuende Wirkung hat.
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Bei beschleunigenden Umlenklinsen liegt die Achse nicht mehr innerhalb
einer Äquipotentialfläche, sondern durchdringt verschiedene solcher Niveauflächen
nacheinander. Legt man durch einen beliebigen Achsenpunkt eine achsensenkrechte
Ebene, so muß in dieser Ebene die durch den Achsenpunkt gehende Niveaulinie nicht
mehr den Krümmungshalbmesser O der Achse, sondern. den Krümmungsradius
haben, damit eine einwandfreie Abbildung zustande kommt. Hierin ist $ das gegen
die Kathode gemessene Potential längs der Achse, und w die Bogenlänge der Achse.
Mit anderen Worten besagt die Gleichung, daß, wie aus Abb. q. hervorgeht, wo die
Kurve für die Potentialverteilung 0 (w) konvex von der Achse aus erscheint (Gebiete
a), ist der Krümmungsradius der Niveaufläche in den betreffenden Achsenpunkt in
einer durch diesen Punkt gehenden achsensenkrechten Ebene größer als der Krümmungsradius
der Achse, _ in Gebieten konkaver Kurvenstücke (Gebiet b) kleiner als der letztere.
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Ein Ausführungsbeispiel einer beschleunigenden Umlenklinse zeigt die
Abb. 5, und zwar stellt diese einen Schnitt in der Achsenschmiegebene dar. Der Krümmungshalbmesser
der ebenen Achse 3 ist der Einfachheit halber als konstant angenommen und mit R
bezeichnet. Die Beschleunigung der Elektronen wird dadurch herbeigeführt, daß die
Elektroden der Umlenklinse durch einen Schnitt in zwei Teile geteilt sind, die mit
7, 7" bzw. 8, 8" bezeichnet und gegeneinander vorgespannt sind.
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Das Elektron trete in den ersten Teil des Umlenkkondensators 7a, 8"
mit der Geschwindigkeit U", gemessen in Elektronenvolt, ein. An den beiden Elektroden
7a und 8" dieses ersten Linsenteils liegen dann annähernd die Potentiale
wobei
gleich
und d der Abstand der beiden Elektroden ist. Beim Eintritt in den zweiten Teil der
Umlenklinse werden die Achsenelektronen von U" auf U, beschleunigt, wie aus der
in Abb. 6 dargestellten Potentialverteilung längs der Achse w hervorgeht. Die Potentiale
der wieder im Abstand d voneinander angeordneten Elektroden betragen annähernd wobei
jetzt U2, damit sich
der gleiche Krümmungsradius 12 ergibt, j gleich
sein muß. In genügender Entfernung vom Trennschnitt C, z. B. in der Schnittebene
D, sind die Elektroden Kugelflächen mit den Radien
In der Nähe des Trennschnittes C werden diese Kugelflächen deformiert, und für den
angenommenen Fall, daß U" kleiner als U, ist, sind etwa in der Schnittebene A der
Abb. 5 die Krümmungsradien der Elektroden größer und in der Schnittebene B kleiner
als die oben angegebenen Werte. Allgemein kann man sagen, daß bei einer Beschleunigungslinse
der dargestellten Art bei Verwendung von Kugelkalotten als Linsenelektroden der
Radius in der Nähe der Trennstelle auf der Seite niedrigen Potentials größer als
der Kugelradius ist, während auf der Seite höheren Potentials der Radius kleiner
als der Kugelradius sein muß.
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Auch bei einer beschleunigenden Umlenklinse kann man erreichen, daß
weder eine sammelnde noch eine zerstreuende Wirkung eintritt, so daß die Linse als
reine Umlenklinse wirkt. Hierzu muß die optische Achse eine Raumkurve sein, und
es muß die Bedingung erfüllt sein, daß
ist. Bei einer magnetischen Umlenklinse gemäß der Erfindung muß zur Erzielung einer
einwandfreien Abbildung in einer achsensenkrechten Schnittebene die Kraftlinie durch
den Achsenspurpunkt in diesem einen Krümmungshalbmesser haben, der doppelt so groß
wie der Achsenkrümmungsradius in diesem Punkt ist.
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Abb. 7 zeigt im Längs- und Abb. 8 im Querschnitt eine Ausführungsform
einer solchen magnetischen Umlenklinse. Die geforderte Feldverteilung kann sowohl
durch Spulen mit oder ohne Eisenkern und mit oder ohne Polschuhe als auch durch
Permanentmagnete verwirklicht werden.
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Das gekrümmte Vakuumgefäß 9 befindet sich zwischen zwei Polschuhen
io und ii eines Elektromagneten. Die Polschuhe sind derart gegeneinander geneigt,
daß die durch den Achsenspurpunkt i2 gehende Kraftlinie den Krümmungshalbmesser
2R hat, wenn R der Radius der optischen Achse ist. Das Feld wird in der von Ablenkspulen
her bekannten Weise durch auf einem Joch 13 angeordnete Spulen 1q. erzeugt.
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Wie schon erwähnt, kann der erforderliche Feldverlauf auch durch Luftspulen
hergestellt werden. Abb. 9 und io zeigen ein Ausführungsbeispiel. Links und rechts
eines nicht dargestellten Vakuumgefäßes befindet sich je eine Rahmenspule 15 und
16, deren Form dem Verlauf der optischen Achse 17 angepaßt ist. Der Radius der Achse
ist mit R bezeichnet. Den erforderlichen Krümmungshalbmesser der Feldlinie durch
den Achsenspurpunkt in einer achsensenkrechten Ebene erhält man einfach dadurch,
daß man die beiden Rahmenspulen gegeneinander neigt, und zwar so, daß ihre Verlängerungen
durch den Krümmungsmittelpunkt der Kraftlinie 18 gehen.
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Genau wie die statische Umlenklinse mit Beschleunigung eine Kombination
einer rotationssymmetrischen
Elektronenlinse mit einer Umlenklinse
ohne Beschleunigung darstellt, ist auch eine Kombination der magnetischen Umlenklinse
mit einer rotationssymmetrischen Linse möglich. Zu diesem Zweck braucht man z. B.
nur auf den Jochschenkel 2o der Abb. 7 und 8 eine Spule anzubringen (gestrichelt
dargestellt) und die Polschuhe durch einen ebenfalls gestrichelt gezeichneten Schlitz
in zwei Teile aufzuteilen. Bei dieser Art Linsen tritt dann außerdem eine Axialkomponente
der magnetischen Feldstärke auf. Hierdurch wird das Feld gegenüber dem ohne Axialkomponente
verformt. Bei der Linse gemäß Abb. 7 und 8 sind in einer Schnittebene senkrecht
zur Achse die Linien konstanten magnetischen Potentials ein Geradenbüschel. Das
gilt auch dann, wenn die Polschuhe durch einen Spalt voneinander getrennt sind und
an diesem Spalt eine magnetische Spannung herrscht, wenn man den Abstand zum Spalt
hinreichend groß wählt. Bei Annäherung an den Spalt werden die Linien konstanten
magnetischen Potentials zu Kurven zweiten .Grades gleichsinnig verbogen und verdreht,
wie dies in Abb. =i dargestellt ist. Diese Verbiegung und Verdrehung erfolgt auf
beiden Seiten des Spaltes in verschiedener Richtung. Die Richtung ist durch die
Polung der Spaltpolschuhe gegeneinander festgelegt. -Diesen Linien konstanten magnetischen
Potentials muß die Form der Polschuhe in der Nähe des Spaltes angepaßt werden. Man
erhält demnach Polschuhe, die in größerer Entfernung von dem Spalt gegeneinander
geneigt sind, während sie bei kleiner werdendem Abstand zum Spalt allmählich in
zwei im wesentlichen gleichsinnig gekrümmte Flächen übergehen. In Abb: =i sind die
Flächen gestrichelt dargestellt.
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Die erfindungsgemäße magnetische Umlenklinse sammelt oder zerstreut
nicht, wenn die optische Achse außer der Krümmung O noch eine Torsion K erhält,
wobei die Bedingung
eingehalten werden muß.
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Die erfindungsgemäßen Umlenklinsen können auf verschiedene elektronenoptische
Anordnungen angewendet werden. Eine der wichtigsten Anwendungen ist der Bildverstärker,
das ist ein Bildwandler, bei welchem zwischen Photokathode und Leuchtschirm eine
oder mehrere sekundäremissionsfähige Elektroden angeordnet sind. Die einzelnen Stufen
dieses Bildverstärkers bestehen dann aus Umlenklinsen. Ein Ausführungsbeispiel eines
solchen Bildverstärkers zeigt die Abb. i2.
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Auf die Photokathode 30 wird ein Lichtbild geworfen. Die dort
ausgelösten Elektronen werden mittels der Beschleunigungselektrode 31 auf eine Geschwindigkeit
von z. B. 300 Volt beschleunigt. Anschließend gelangen die Elektronen in
das Gebiet einer magnetischen Umlenklinse, welches schraffiert dargestellt ist,
und werden zunächst um 9o° umgelenkt und danach durch eine Zweischeibenlinse 32,
33 auf 8oo Volt beschleunigt und abermals umgelenkt, so daß sie die erste Prallelelektrode
34 treffen, die sich auf einem Potential von 500 Volt befindet. Die hier
ausgelösten Sekundärelektronen erhalten durch die Beschleunigungselektrode 35, die
an einer Spannung von 8oo Volt liegt, eine Elektronengeschwindigkeit von 300 Volt
und gelangen anschließend wieder in ein Umlenkfeld usw. Es ergibt sich auf diese
Weise ein Bildverstärker, bei dem sämtliche Elektroden in einer Ebene liegen. Es
ist auch möglich, den ebenen Bildverstärker aufzuwickeln, so daß Photokathode, Prallelektrode
und Leuchtschirm die Seitenflächen eines Prismas bilden.
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Ein derartiger Aufbau des Bildverstärkers, wie ihn Abb. i2 zeigt,
ermöglicht z. B. auch den Aufbau einer Bildwandlerbildspeicherröhre, bei welcher
sowohl der Kathodenstrahl als auch das Lichtbild senkrecht auf die Photokathode
bzw. einseitige Speicherelektrode geworfen werden kann. Hierdurch ist es sogar möglich,
die Photokathode als Aufsichtskathode durchzubilden.
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Bei der Bildverstärkerröhre gemäß Abb. 12 wird man die Polschuhe zweckmäßig
so ausbilden, wie es die Abb. 13 zeigt. Sämtliche Polschuhe werden über ein
gemeinsames Eisenjoch von einem gemeinsamen Magneten gespeist. Jeder Polschuh dient
sowohl zur Fokussierung der Primär- als auch der Sekundärelektroden und besteht
demzufolge aus zwei Paaren gegeneinander geneigter Rotationsflächen. Die optischen
Achsen 3 dieser beiden Linsenteile haben verschiedene Krümmungen, weil bei diesem
Ausführungsbeispiel die Primärelektronen die Umlenklinse mit einer Geschwindigkeit
von 8oo Volt durchfliegen, während die Sekundärelektronen nur eine Geschwindigkeit
von 300 Volt besitzen.