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Aus zwei magnetischen Polschuhlinsen bestehendes Linsensystem für
Korpuskularstrahlapparate Bei Korpuskularstrahlapparaten, beispielsweise Elektronenmikroskopen,
ist es üblich, zur vergrößerten Abbildung des Objektes zwei Vergrößerungslinsen,
nämlich eine Obj ektivlinse und eine Proj ektivlinse anzuwenden. Bei den bisher
bekannten Anordnungen dieser Art sind für zwei Linsen getrennte Magnetsysteme angewendet
worden. Die Erfindung betrifft ein aus zwei magnetischen Polschuhlinsen bestehendes
Linsensystem und zielt darauf ab, dessen Aufbau zu vereinfachen und die Wirksamkeit
solcher Systeme zu verbessern. Erfindungsgemäß sind die beiden je verschiedenen
Linsen zugeordneten, einander näher stehenden Polschuhe (also z. B. bei einem senkrecht
stehenden Elektronenmikroskop der untere Polschuh des Objektivs und der obere Polschuh
des Proj ektivs) magnetisch miteinander verbunden, wobei diese beiden Polschuhe
im Magnetkreis des Linsensystems so liegen, daß sie den einen Pol des Systems bilden.
Man bekommt auf diese weise, also für die zwei Polschuhlinsen, im Grunde genommen
nur noch ein einheitliches Magnetsystem. Es liegt auf der Hand, daß hierdurch der
Linsenaufbau wesentlich vereinfacht werden kann. Außerdem erhält man, wenn man Objekt
und Zwischenbild jeweils außerhalb der Abbildungsfelder anordnet, eine drehungsfreie
Abbildung. Der andere Pol des Systems wird durch die beiden anderen magnetisch durch
das vorzugsweise zylindrische Gehäuse des Systems miteinander verbundenen Polschuhe
gebildet. Dieser Aufbau des Linsensystems für die beiden Linsen macht es möglich,
die ganze Anordnung als einen einheitlich zusammenhängenden Linsenkörper auszubilden.
Man wird die beiden einander näher
stehenden, verschiedenen Linsen
zugeordneten Polschuhe durch ein den Strahl umschließendes Rohr miteinander verbinden.
Dieses Rohr verbindet die beiden Polschuhe magnetisch miteinander.
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Die Erfindung kann sowohl bei elektromagnetischen . als auch mit besonderem
Vorteil bei permanentmagnetischen Linsensystemen angewendet werden. Bei den zuletzt
.genannten Linsensystemen kann der oder die im Magnetkreis angeordneten Permanentmagneten
verschiedene Gestalt haben. Besonders vorteilhaft ist es, für das Linsensystem einen
einzigen oder gegebenenfalls bei längeren Systemen mehrere erregende Permanentmagnete
zu verwenden, die die Form einer durchbohrten, radial magnetisierten Scheibe haben.
In diesem Falle ist es leicht möglich, das ganze System nach außen hin völlig feldfrei
auszubilden. Während bisher bei permanentmagnetischen Linsen außer dem Abbildungsfeld
zwischen den Polschuhen stets ein vorgelagertes und/öder nachgelagertes Gegenfeld
vorhanden ist, dessen Stärke klein ist, wenn es sich über lange axiale Strecken
hinzieht, dessen Stärke aber optisch störend und damit unerwünscht groß ist, wenn
es sich über kleine axiale Strecken hinzieht, ist es bei der beschriebenen Ausgestaltung
des Permanentmagnets als durchbohrte Scheibe nunmehr möglich, ein zweistufiges permanentmagnetisches
Vergrößerungssystem ohne störende Gegenfelder zu bauen. Weitere für die Erfindung
wesentliche Merkmale werden bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
behandelt.
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Fig. i zeigt einen Längsschnitt durch ein aus zwei magnetischen Polschuhlinsen
bestehendes Linsensystem für ein Elektronenmikroskop. Mit i, 2 sind die beiden Polschuhe
des Objektivs, mit 3, q. die beiden Polschuhe .des Projektivs bezeichnet. Die Polschuhe
2 und 3 sind durch das strahlsymmetrisch liegende Rohr 5 magnetisch miteinander
verbunden. Sie bilden den einen Pol des Systems. Auch die beiden Polschuhe i und
q. stehen über den zylindrischen Außenmantel 6 und die beiden Abschlußdeckel 7,
8 magnetisch miteinander in Verbindung und bilden den anderen Pol des Magnetsystems:
Der Erregermagnet 9 selbst besitzt die Form einer durchbohrten radial magnetisierten
Scheibe, die also beispielsweise ihren Nordpol in der Mitte und ihren Südpol am
äußeren Rand hat. Wie der Querschnitt in Abb. i erkennen läßt, wird eine solche
Permanentmagnetscheibe vorteilhaft als Körper gleichen Querschnitts ausgebildet.
Auf diese Weise gelingt es, konstante Induktion im Magnet zu erzielen. Die Polschuhspitzen
selbst wird man in üblicher Weise aus dem Linsensystem herausnehmbar einrichten,
wobei die Anordnung vorteilhaft so gewählt wird, daß der Gesamtfiuß beim Auswechseln
der Polschuhe nicht wesentlich kleiner wird: Mit iö und ii sind zwei Magnetspulen
bezeichnet, die zur Aufmagnetisierung des Permanentmagneten 9 dienen. Diese Magnetspulen
bleiben nach der Aufmagnetisierung in dem Linsenkörper.
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Wenn die erste Abbildungslänge des Elektronenmikroskops größer sein
muß, kann man,. wie dies in Fig. 2 angedeutet ist, zwei oder gegebenenfalls noch
mehr Permanentmagnetscheiben i2, 13 anordnen. In diesem Falle kann man, wie dies
in Fig. 3 dargestellt ist, die Aufmagnetisierung des Systems durch seine Aufteilung
längs der Linie A-A und Hinzufügung einer entfernbaren Abschlußscheibe =q. (vgl.
Fig. 3) und einer weiteren entfernbaren Wicklung 15 durchführen. Soweit die Einzelteile
im übrigen mit denen in Fg. i übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Für die Aufmagnetisierung wird man, wie dies Fig. 3 zeigt, den Polschuhraum und
das Mittelrohr 5 durch Kurzschlußstücke 16, 17 ausfüllen, um den Fluß leichter durch
den Magnetkreis hindurchpressen zu können.
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Die Berechnung eines derartigen Linsensystems kann man sich dadurch
erleichtern, daß man. das in Fig. i dargestellte System beispielsweise durch das
aus einfachen geometrischen Formen zusammengesetzte, in Fig. q. gezeichnete Ersatzbild
ersetzt. In diesem Falle sind die Polschuhe 2 und 3 durch zwei Kegel ersetzt gedacht
und die Deckel 7 und 8 zusammen mit den angrenzenden Teilen des Außenmantels 6 durch
halbkugelförmige Schalen ersetzt gedacht. Der am Innenrohr liegende Polschuh 2 ist
außerdem durch eine Halbkugel ersetzt gedacht. Der Gesamtfluß 0, einer Hälfte
der Linsensysteme setzt sich also rechnerisch zusammen aus: i. Fluß OP zwischen
den kegelförmigen Polschuhen, 2. Fluß OK zwischen innerer Halbkugel und äußerer
Halbkugelschale, 3. Fluß 02 zwischen den Zylindern. Man wird den Fluß 02 hierdurch
etwas größer errechnen, als er tatsächlich ist, weil der aus dem unteren Polschuh
austretende Fluß sowohl in OP als in Og enthalten ist. Diese Ungenauigkeit ist aber
nicht schlimm, denn man rechnet nach der sicheren Seite. Unter Verwendung der in
Fig: 5 eingetragenen Werte lassen sich die für die Berechnung eines solchen Systems
wesentlichen Formeln errechnen. In den folgenden Formeln bedeutet: T die magnetische
Spannung zwischen Innenrohr- und Außenrohr in A, Hm die bei der Induktion Bj (Gauß)
gemäß der Entmagnetisierungskurve des Materials vorhandene Feldstärke des Magnets
in A/cm, den Fluß zwischen den Polschuhen reit den Flankenwinkeln bis zur Entfernung
V von der Spitze, in der sie sich berühren, in Gauß/cm2, $a den Fluß in der Halbkugel
in Gauß/em2, (D2 den Fluß im Zylinder in Gauß/em2; Om Fluß im halben Magnet, R.,
R1, R2) R3 Radien von Zylinder bzw. Kugel in cm, l1, 12 freie- Länge des Zylinders
beim Radius R1 bzw. R2 in cm, a1, a2 halbe axiale Länge des Magnets bei R1 bzw.
R2 in cm, l Länge des zylindrischen Luftraumes, a halbe axiale Länge des Magnets
beim Radius 2,
B1, B2 Induktion im Innenrohr und Außenrohr am Ende der Magnets
in Gauß, 0l, 02 Fluß daselbst in Gauß/cm2, 12' Länge des Außenzylinders zwischen
Symmetrieebene und Magnetende bei Anordnung mit zwei Magneten.
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Die Flüsse im Luftraum sind:
Die axiale Länge a des Magnets als Funktion seines Radius o ist gegeben durch OM
= BM ' 2 Z P - a . (6)
Durch Einsetzen des Außenradius R2 und
des Innenradius R1 für O ergibt sich dann a2 und a1 und
Der vom Innenzylinder und dem inneren Polschuh austretende Fluß muß vom Innenrohr
mit dem Außenradius R1 und dem Innenradius Ro geführt werden. Dieser Fluß wird am
Ende des Magnets ein Maximum sein und gegeben durch
Die Länge 1" die für die Gesamtlänge des Systems maßgebend ist, findet sich
zu
Nimmt man entsprechend Fig. 2 zwei Magnete, so gilt unter Berücksichtigung des in
Fig. 6 dargestellten Ersatzbildes
Mit diesen Formeln läßt sich ein System wie folgt dimensionieren : Nach Festlegung
der gewünschten Erregung J entnimmt man aus der Entmagnetisierungskurve des gewählten
Permanentmagnetmaterials in der Nähe des Punktes höchster Energie B X H ein zusammengehörendes
Wertepaar HmBm. Dann wählt man unter Berücksichtigung von (i) geeignete Werte für
R1, R2, R, und ß. Nun entnimmt man aus der Magnetisierungskurve des Materials für
das Innenrohr einen Wert von B1, der klein genug ist, daß noch ein genügendes Vielfaches
von B1 ohne Sättigung aufgenommen werden kann, wenn bei der Aufmagnetisierung des
Systems ein vielfacher Fluß durchgepreßt werden muß. Dieses Vielfache ist gegeben
durch den Wert - , wobei Bmax die gemäß MagnetisierLingskurve
des Permanentmagnetmaterials zur Erzielung von BM und HM notwendige Magnetisierungsinduktion
ist. Mit den so angenommenen Werten von J, BM, HM, B1, Ro, Rl, R2 und ß errechnet
sich aus (ii) die Länge 1, und aus (8) a2. Damit kann man beurteilen, ob
man eine den aufgestellten Wünschen entsprechende Länge des Abbildungssystems erzielt
hat. Unter Umständen dimensioniert man mit zwei Magneten nach (i2). Hat man kein
befriedigendes Resultat erzielt, so ist die Rechnung mit anderen magnetischen oder
geometrischen Parametern zu wiederholen. Hat man schließlich einen befriedigenden
Wert von 1, und a2 erzielt, so berechnet man a = f (O)
nach (7).
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In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Soweit die Einzelteile mit denen in Fig. i übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Der äußere Mantel des Magnetsystems ist in diesem Falle in die beiden
Deckelstücke 21, 22 und das dazwischenliegende Mantelstück 23 unterteilt. Zwischen
diesen drei Teilen sind Spalte frei gelassen, die durch Verdrehen der Muttern 24
bzw. 25 verändert werden können. Auf diese Weise läßt sich die Brennweite der Linsen
um kleine Beträge verändern, was beispielsweise beim Objektiv für die Scharfstellung
und beim Projektiv für den Ahgleich der Kaustik von Bedeutung ist. Auf der rechten
Seite von Fig. 7 sind die Polschuheinsätze mit 26, 27, 28, 2g
bezeichnet.
Diese Einsätze können ausgewechselt werden.
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Wenn man das dargestellte Linsensystem bei einem Elektronenmikroskop
anwendet, mit dem auch Beugungsaufnahmen gemacht werden sollen, werden die Polschuheinsätze
26 bis 29 herausgenommen und durch die auf der linken Seite von Fig. 7 eingezeichneten
Kurzschlußstücke 30, 31 ersetzt. Auf' diese Weise wird die Linsenbrechkraft
ausgeschaltet. Damit hierbei der Fluß im Magnetkreis nicht zu groß wird, werden
in diesem Falle die zwischen den Teilen 2,1, 23 und 22 vorgesehenen Spalte durch
Herabdrehen der Muttern 24 und 25 geöffnet, so daß das Feld nunmehr an diese Spalte
verlagert wird. Den Muttern sind Anschläge 32, 33 zugeordnet, damit der Fluß nicht
kleiner als normal wird und der Magnet bei den Beugungsaufnahmen nicht leidet.
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Fig. 8 zeigt zwei andere Ausführungsformen der Erfindung. Auch hier
sind wieder, soweit die Einzelteile mit denen in Fig. i übereinstimmen, die gleichen
Bezugszeichen verwendet. Auf der rechten Seite ist eine Form für einen Permanentmagnet
34 dargestellt, bei der die wirksame Länge des Magnets etwas länger gemacht werden
kann als bei den vorhergehenden Ausführungsformen, weil hierbei der Permanentmagnet
auch gleichzeitig den `mittleren Bereich der äußeren Linsenummantelung bildet. Allerdings
ist diese Anordnung nach außen hin nicht mehr feldfrei. Es tritt vielmehr ein Vorfeld
und ein Nachfeld auf. Da aber hier der nach außen wirksame Magnetteil weit von der
Linse entfernt ist, läßt sich das Vorfeld mit Eisenschirmung entweder außerhalb
der Strahllänge bringen oder es ist doch so schwach, daß es praktisch nicht stört.
Eine andere Ausführungsform ist auf der linken Seite von Fig. 8 gezeigt. Hier ist
ein zylindrischer Permanentmagnet 35 angewendet, der gleichzeitig der Außenmantel
des gesamten Systems ist. Der eine Pol des Permanentmagnets wird in diesem Falle
durch den mittleren Bereich des Zylinders und der andere Pol durch die beiden Zylinderenden
gebildet. In diesem Falle sind die beiden Polschuhe 2 und 3 an dem ringförmigen
Halter 36 befestigt. Eine andere Ausführungsmöglichkeit, bei der man zu einem nach
außen hin feldfreien Linsensystem kommt; ergibt sich dann, wenn ein zylindrischer
Permanentmagnet an Stelle des Rohres 5 bei Fig. i verwendet wird. Auch dieser Permanentmagnet
würde dann so aufmagnetisiert sein, daß der eine Pol durch den mittleren Bereich
des Zylinders, der andere Pol durch die Zylinderenden gebildet wird. Es läßt sich
auch eine Kombination dieser letzteren Ausführung mit der in Fig. i dargestellten
ausführen, bei defder Permanentmagnet etwa die Form des Teiles 36 in Fig. 8 haben
würde.