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Mit magnetischen Linsen arbeitender Korpuskularstrahlapparat Bei Elektronenmikroskopen
hat sich die dreistufige Anordnung der abbildenden Elektronenlinsen als besonders
günstig erwiesen. Man kann hierbei eine geringfügige Regelung der Objektivbrechkraft
für die Scharfstellung benutzen, kann weiterhin das erste Projektiv als Regellinse
für die Einstellung verschiedener Endbildvergrößerungen benutzen und das zweite
Projektiv mit konstanter Brechkraft betreiben, so daß ein bestimmter Endbilddurchmesser
in jeder Betriebsstellung voll ausgeleuchtet ist. Eine solche dreistufige Linsenanordnung
hat jedoch den Nachteil, daß bei der kontinuierlichen Regelung der Endbildvergrößerung
durch Änderung der Brechkraft am ersten Projektiv und auch durch Brechkraftänderungen,
welche zur Scharfstellung am Objektiv vorgenommen werden, sich eine Bilddrehung'
ergibt.
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An Hand der Fig. i sollen zunächst die sich hieraus ergebenden Nachteile
erläutert werden. Fig. i a zeigt, wie das Bild eines Objektpunktes auf dem Leuchtschirm
wandert aus einer Reglerstellung einer bestimmten durch den Kreis A gegebenen Unschärfe
über den Scharfstellungspunkt B bis zu einer Reglerstellung, in der die Unschärfe,
gegeben durch den Kreis C, denselben Wert hat wie bei A. Diese Fig. i a ist unter
der Voraussetzung gezeichnet, daß der Strahl sauber zur Mitte des Gesichtsfeldes
zentriert ist. Noch ungünstiger werden die Verhältnisse, wenn, wie in Fig. i b angedeutet,
der Strahl schlechter zentriert ist, so daß die Strahlachse die Bildebene im Punkt
E schneidet. Je exzentrischer E liegt, um so größere Drehbewegungen treten auf,
da unter der Voraussetzung, daß die Durchmesser bei A und C in Fig. i a und i b
gleich groß sind, die Winkel a gleich bleiben.
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Die Erfindung betrifft ein mit magnetischen Polschuhlinsen arbeitendes
Elektronenmikroskop, bei
dem außer einem Objektiv mindestens eine
weitere zur Änderung der Vergrößerung dienende Projektivlinse vorgesehen ist. Erfindungsgemäß
ist jede Linse, bei der eine betriebsmäßige Regelung der Brechkraft erforderlich
ist, also z. B. das Objektiv und/oder die Vergrößerungsregellinse, als Doppellinsensystem
mit einer einzigen Erregung und mit zwei im Strahlengang hintereinanderliegenden,
durch die Eisenteile des Magnetkreises gebildeten Linsenspalten so ausgeführt, daß
sich bei Verstellung des zugeordneten Reglers, der Teile des Magnetkreises relativ
zueinander mechanisch verstellt, keine oder eine konstante Bilddrehung ergibt. Ein
solches Mikroskop bringt den Vorteil, daß sich die insbesondere bei den höchsten
Vergrößerungen sehr störend auswirkende Bilddrehung bei der Durchführung von Regelvorgängen
vermeiden läßt. Dabei sind die notwendigen technischen Mittel in ihrem Aufbau sehr
einfach, insofern, als man nur das Objektiv und das Proj ektiv j e als Doppellinsensystem
mit zwei Linsenspalten in der oben beschriebenen Weise auszuführen hat. Bei Anwendung
der Erfindung ergibt sich also z. B. beim Scharfstellen der in Fig. z dargestellte
Vorgang, d. h. es findet überhaupt keine Drehung der Objektpunktbilderin der Bildebene
statt, sondern BildA (unscharfe Einstellung) zieht sich beim Übergang zur scharfen
Abbildung konzentrisch zum Punkt B zusammen.
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Man kann die Erfindung bei Linsensystemen anwenden, die elektromagnetisch
erregt sind. Zu bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung gehören solche Linsensysteme,
die mit magnetostatischen Linsen arbeiten. In beiden Fällen kann man gemäß der weiteren
Erfindung die beiden Linsenspalte des Doppellinsensystems im Magnetkreis hintereinanderschalten
und nunmehr dem einen Spalt einen Regler zuordnen, der bei seiner Betätigung die
Feldstärke an beiden Spalten so ändert, daß die Gesamterregung beider Spalten praktisch
konstant bleibt. Bei Anwendung der Erfindung für die Obj ektivlinse eines Elektronenmikroskops
wird man gemäß der weiteren Erfindung grundsätzlich so vorgehen, daß das eigentliche
Objektiv ohne Regler ausgeführt wird und daß diesem Objektiv eine regelbare Scharfstellinse
nachgeschaltet wird. Damit bleibt die Bilddrehung, die nur von der durchlaufenen
magnetischen Spannung abhängt, konstant, d. h. sie ändert sich beim Regeln nicht.
Dabei wird man die Bemessung mit Vorteil so wählen,- daß das Objektiv selbst eine
wesentlich größere Brechkraft hat als die Scharfstellinse. Wenn man die Erfindung
für die kontinuierliche Regelung der Endbildvergrößerung anwendet, wird man das
Projektiv als Doppellinsensystem ausführen, wobei das im Strahlengang zuerst durchlaufene
erste Proj ektiv, im folgenden Regellinse genannt, zur kontinuierlichen Vergrößerungsregelung
dient, während das dahinter liegende zweite Projektiv ohne Brechkraftregelung ausgeführt
ist.
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Für die Erregung der erwähnten vier Linsen eines Elektronenmikroskops
nach der Erfindung kann man die verschiedenartigsten Permanentmagnetanordnungen
verwenden; mit Vorteil wird man sich dabei solcher bekannter Systeme bedienen, die
durch Kombinationen mit einem Mantel aus magnetischem Material nach außen hin streufeldfrei
sind. Zu einer besonders einfachen Anordnung kommt man, wenn man nach der weiteren
Erfindung zur Erregung der erwähnten vier Linsen ein gemeinsames Permanentmagnetsystem
anwendet, das vorzugsweise mit dem einen Pol an die beiden äußeren Polschuhe des
Objektivs und des zweiten Projektivs und mit dem anderen Pol an die beiden inneren
Polschuhe der Scharfstellinse und der Regellinse angeschlossen ist. Dadurch wird
die beim Durchlaufen der Bildstrahlen durch die beiden oberen Linsenspalte aufgetretene,
bei allen Betriebszuständen konstante Bilddrehung rückgängig gemacht. Die Bildlage
im Vergleich zu Objekt ergibt sich aus der Zahl der reellen Zwischenbilder. Bei
geradzahliger Zwischenbildzahl ist das Endbild gegen das Objekt um z8o° gedreht,
in den übrigen Fällen liegt das Endbild wie das Objekt.
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Eine weitere Ausgestaltung eines mehrstufigen Elektronenmikroskops
bekommt man, wenn man zwischen der Scharfstellinse des Objektivs und der Regellinse
des Projektivs noch eine weitere regelbare Doppellinse anwendet, die nunmehr dazu
verwendet werden kann, das Gesamtlinsensystem an veränderliche Strahlspannungen
anzupassen oder den Regelbereich wesentlich zu vergrößern. Für ein Doppellinsensystem
der zuletzt erwähnten Art kommt man zu einer besonders einfachen, kurzen Bauweise,
wenn man die beiden inneren Polschuhe durch eine in der Achsrichtung kurze ringförmige
Scheibe bildet, der die beiden äußeren Polschuhe gegenüberstehen.
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Für jedes Doppellinsensystem, das bei der Erfindung angewendet wird,
kann man auch j e ein Permanentmagnetsystem mit zwei je durch einen Linsenspalt
verlaufenden parallelen Zweigen anwenden und diesem System einen Regler zuordnen,
bei dem das Integral der Feldstärke längs der Achse in j eder Reglerstellung gleich
Null ist. Eine Anordnung dieser Art kann man mit magnetostatischer Erregung so weiter
ausgestalten, daß ein oder mehrere parallel geschaltete Permanentmagnetstäbe einerseits
mit den inneren Polschuhen und andererseits mit den äußeren Polschuhen der Doppellinse
verbunden sind, wobei ein Regelkörper aus magnetischem Material zur Anwendung kommt,
der bei seiner Verstellung entsprechende Änderungen beider Linsenfelder bewirkt.
Unter Umständen kann es bei der Ausgestaltung eines Elektronenmikroskops auch in
Betracht kommen, eine Linse, die betriebsmäßig nicht geregelt wird, als Doppellinsensystem
mit verdrehungsfreier Abbildung auszuführen.
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Für den konstruktiven Aufbau von Magnetlinsensystemen ergibt sich
ein besonderes einfaches Bauprinzip, wenn man die beiden äußeren Polschuhe durch
in der Achsrichtung kurze ringförmige Scheiben bildet, zwischen denen sich die inneren
Polschuhe des Systems befinden. Bei geeigneter Wahl der Stärke dieser die Polschuhe
selbst bildenden ebenen Scheiben kommt man nämlich zwangsläufig zu derjenigen Querschnittverjüngung
im magnetischen Kreis des Linsensystems, die für die Polschuhwirkung wichtig ist.
Diesem Konstruktionsprinzip kommt insbesondere bei Objektivlinsen eine auch über
den Rahmen des eingangs beschriebenen Erfindungsgedankens noch
hinausgehende
allgemeine Bedeutung zu, denn beim Objektiv hat man dann durch die scheibenförmige
Ausbildung des objektseitigen Polschuhs die Möglichkeit, diese den Polschuh bildende
Platte gleich als Auflagefläche für den Objekttisch zu benutzen. Der Durchmesser
der Strahldurchtrittsöffnung, die Wandstärke der Scheibe und der Abstand vom anderen
Pol werden bei der Erfindung in solchem Verhältnis zueinander gewählt, daß die magnetische
Induktion in den Polen den gewünschten Wert hat. Die als Träger des Objekttisches
dienende Polschuhscheibe wird man mit dem ihr zugeordneten Gegenpol durch ein zylindrisches
Rohr zu einer Einheit zusammenfassen. Über die Einheit der Linsenpole wird man dann
ein zylindrisches Erregersystem, z. B. einen rohrförmigen Permanentmagneten oder
eine an der Stirnfläche und an den Außenflächen eisengekapselte Erregerwicklung,
setzen.
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Weitere für die Erfindung wesentliche Merkmale ergeben sich aus den
im folgenden behandelten Ausführungsbeispielen.
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In Fig. 2 a ist zunächst schematisch ein Längsschnitt durch den Abbildungslinsenteil
eines mit vier Linsen ausgerüsteten Elektronenmikroskops dargestellt. Es handelt
sich in diesem Falle um ein Linsensystem, daß mit Permanenterregung arbeitet. Mit
i ist der Objektivlinsenspalt, mit 2 der die Scharfstellinse bildende Spalt, mit
3 der Spalt der Regellinse und mit 4 der das zweite Projektiv bildende Linsenspalt
bezeichnet. Dieses aus den vier Linsen aufgebaute System besteht aus einem rohrförmigen,
die Polschuhe der Linsen bildenden Teil, der gleichzeitig die Vakuumwand des Elektronenmikroskops
bilden kann. Dieser rohrförmige Teil setzt sich zusammen aus dem oberen Polschuh
5 des Objektivs, den aus magnetischem Material bestehenden rohrförmigen Teilen 6,
7 und 8, die an ihren oberen und unteren Enden die entsprechenden Polschuhe der
Linsen bilden, dem unteren Polschuh 9 des zweiten Projektivs 4 und den ringförmigen,
aus unmagnetischem Material bestehenden Abstandstücken io, ii, 12 und 13. Zur Erregung
aller vier Linsen dient ein gemeinsames Permanentmagnetsystem, das beim Ausführungsbeispiel
als Magnetstab 14 angedeutet ist. Dieser Magnetstab 14 legt sich mit seinem Nordpol
an das mittlere aus magnetischem Material bestehende Rohr 7 an, während der Südpol
mit einem Mantel 15 verbunden ist, durch welchen hindurch dermagnetische Fluß über
die Scheiben 16 und 17 zum oberen Polschuh 5 des Objektivs i bzw. zum unteren Polschuh
9 des zweiten Projektivs 4 geführt wird. Das gemeinsame Erregersystem 14 dient somit
dazu, einmal die beiden in Reihe liegenden Linsen i und 2 und parallel geschaltet
dazu die in Reihe liegenden Linsen 3 und 4 zu erregen.
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Der Scharfstellinse 2 ist ein Regler zugeordnet, der in der Figur
schematisch durch den in axialer Richtung auf und ab verstellbaren Regelkörper 18
und den mit dem Teil 6 fest verbundenen Gegenkörper i9 angedeutet ist. Die Abmessungen
des Magnetkreises werden in diesem Falle vorzugsweise so gewählt, daß das Objektiv
i eine wesentlich größere Brechkraft hat als die Scharfstellinse 2. In ähnlicher
Weise ist dem Regelprojektiv 3 ein in axialer Richtung auf und ab verstellbarer
Regelkörper 2o zugeordnet, der mit dem Gegenstück 21 zusammenarbeitet. Das Stück
21 ist starr auf dem Rohr 8 befestigt. Dieser Regler 2o dient zur kontinuierlichen
Regelung der Endbildvergrößerung. Die Abmessungen des Magnetkreises sind in diesem
unteren Teil des Linsensystems so gewählt, daß die Brechkraft des Projektivs 4 größer,
aber nicht wesentlich größer als die der Regellinse 3 ist.
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Um sicherzustellen, daß beim Ändern der Regellinsenbrechkraft die
Brechkraft des zweiten Projektivs etwa konstant bleibt, wird erfindungsgemäß die
zweite Projektivlinse so dimensioniert, daß sie in allen Betriebszuständen der Regellinse
magnetisch gesättigt ist. Dadurch bleibt der Endbilddurchmesser konstant.
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Mit 22 ist der Objekttisch bezeichnet, der in an sich bekannter Weise
durch nicht dargestellte mechanische Einstellmittel quer zur optischen Achse verstellbar
ist. In diesen Tisch wird die Objektpatrone 23 von oben her eingesetzt. Dadurch,
daß der obere Polschuh 5 des Objektivs und die unmittelbar an ihn angrenzende Platte
16 als ebene Scheiben ausgeführt sind, hat man bei dieser Anordnung die Möglichkeit,
das Objekt 24 hinreichend nahe an den wirksamen Linsenbereich heranzubringen, ohne
dabei die Patrone in den oberen Polschuh des Objektivs hineinführen zu müssen. Die
Teile 5 und 16 können auch als ein einheitlicher Teller ausgeführt sein, wobei sich
dann ohne weiteres eine Konstruktion ergibt, bei welcher der Objekttisch 22 unmittelbar
auf dem oberen Polschuh des Objektivs aufliegt. Bei der Scheibenform der Teile 5
und 16 ergibt sich darüber hinaus auch die zur Erzielung der Polschuhwirkung erforderliche
Verjüngung des Querschnitts für den Durchtritt des magnetischen Flusses in Richtung
auf die Polschuhspitze hin.
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In Fig. 2b ist der Strahlengang für die Regelung der Endbildvergrößerung
bei der in Fig. -.a dargestellten Anordnung aufgezeichnet. Die Objektebene ist hier
mit a, die Endbildebene mit b bezeichnet. Bei c, d, e und
f sind die wirksamen Linsenbereiche der Linsen i bis 4 angedeutet. Der Objektpunkt
A wird durch das Objektiv i (c) und die Scharfstellinse 2(d) in der ersten
Zwischenbildebene g abgebildet, und dieses Zwischenbild wird durch die Regellinse
3 (e) in der zweiten Zwischenbildebene la und von dort durch die nicht regelbare
Linse 4 (f) in der Endbildebene b abgebildet. Will man einehöhere Vergrößerung einregeln,
bei der also beispielsweise der Objektpunkt B in der Endbildebene b an derselben
Stelle erscheinen soll wie vorher der Objektpunkt A, dann ist der Regler 2o so einzustellen,
daß die Regellinse 3 den in der Zwischenbildebene j scharf abgebildete Objektpunkt
B weiter abbilden kann.
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Die dargestellte Linsenanordnung gestattet es auch, ohne Betriebsunterbrechung
vom übermikroskopischen Bild zum Beugungsbild desselben Objekts überzugehen. Ein
Punkt C des primären Beugungsbildes, das in der Ebene X liegt, kann bei entsprechender
Einregelung der Scharfstellinse 2 z. B. in der Zwischenbildebene g und von dort
aus weiter über die Linsen 3 und4 in der Endbildebene b (Punkt C) abgebildet
werden.
Da die Lage der Ebene g durch die Regelung an der Regellinse
verändert werden kann und dabei, wie gezeigt, Endbilder mit verschieden hoher Vergrößerung
erzielt werden, kann man durch Änderung der Scharfstellinse das Beugungsbild in
der jeweiligen Lage der Ebene g fokussieren und somit auch die Vergrößerung des
Beugungsbildes kontinuierlich ändern.
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Der Scharfstellvorgang ist in Fig.2c behandelt. Wenn durch Kurzschließen
des Reglers 18 der Scharfstellinse 2 das Objektiv i allein wirkt, ist das erste
Zwischenbild A' in der Ebene g unscharf, was in der Zeichnung durch den waagerechten
Strich angedeutet ist, da die vom Dingpunkt A ausgehenden Strahlen erst in der Ebene
g' fokussiert werden. Dementsprechend ist der Dingpunkt A auch in den Bildebenen
h und b unscharf abgebildet, was durch die Striche A' angedeutet ist.
Um das Bild des Dingpunktes A in der Zwischenbildebene h und in der
Endbildebene b punktförmig abzubilden, muß durch entsprechendes Einregeln der Scharfstellinse
2 der Dingpunkt A in der ersten Zwischenbildebene g scharf gestellt werden.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher im Strahlengang
hintereinander drei Doppellinsensysteme angewendet sind, ist in Fig.3 schematisch
dargestellt. Soweit die Einzelteile mit denen in Fig. i übereinstimmen, sind die
gleichen Bezugszeichen verwendet. Hinter der Scharfstellinse 2, die dem Objektiv
zugeordnet ist, befindet sich hier ein Doppellinsensystem 31, 32 mit einem Regler
33, 34. Bei diesem Doppellinsensystem 31, 32 werden die beiden inneren Polschuhe
durch eine in der Achsrichtung kurze ringförmige Scheibe 35 gebildet, der die äußeren
Polschuhe 36, 37 gegenüberstehen. Die Doppellinse 31, 32 kann dazu verwendet werden,
das Gesamtlinsensystem an veränderliche Strahlspannungen durch entsprechendes Betätigen
des Reglers 33, 34 anzupassen oder den Regelbereich der Vergrößerung zu erhöhen.
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Das magnetostatische Erregersystem ist hier in die beiden Teile 38
und 39 aufgeteilt, die zwischen den Linsen 2 und 31 bzw. 32 und 3 angeordnet sind.
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Abweichend von &,n in Fig. 2a und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen
kann man nach Fig. 4 die Erregung jedes Doppellinsensystems auch für sich vornehmen.
Man kommt dann beispielsweise zu einem System mit einem Doppelobjektiv 41, 42, einer
Vergrößerungsregellinse 43, 44 und einem Proj ektiv 45, 46. Jedem Doppelsystem
ist eine besondere permanentmagnetische Erregung zugeordnet; diese Stabmagneten
tragen die Bezugszeichen 47, 48 und 49. Für die Scharfstellung besitzt das System
41, 42 einen Regler 5o, und für die Vergrößerungsregelung ist dem Doppelsystem 43,
44 ei. Regler 51 zugeordnet. Bei 53 ist die Objektpatrone und bei 54 der ihr zugeordnete
Objekttisch angedeutet. Beim Projektiv 45, 46 ist gestrichelt eine andere Erregungsmöglichkeit
mit zwei parallel geschalteten Rohrmagneten angedeutet.