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Magnetfeldlinse Der Erzeugung starker und kurzer Magnetfelder für
Elektronenlinsen, insbesondere zur Verwendung in hochauflösenden Elektronenstrahlmikroskopen,
sind technisch -Grenzen gesetzt, einerseits durch die bei hohen .Stromdichten in
der Spule auftretende Stromwärme, andererseits bei Verwendung von Kapselungen und
Polschuhen. aus ferromagnetischen Stoffen durch deren Sättigungsinduktion.
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Erfindungsgemäß können diese Schwierigkeiten dadurch umgangen werden,
daß zur Erzeugung des Magnetlinsenfeldes eine Spule benutzt wird, die in an sich
bekannter Weise durch starke Abkühlung supraleitend gemacht ist. Infolge des verschwindenden
elektrischen Widerstandes wird trotz hoher Stromstärken in der Spule praktisch keine
Stromwärme erzeugt. Es können also Spulen sehr kleiner Abmessungen mit sehr starken
Strömen gespeist werden, so da.ß die erwünschten sehr kurzen und sehr starken Magnetfelder
entstehen. Ein in einem geschlossenen supraleitenden Stromkreis einmal angestoßener
Strom klingt infolge des- geringen Energieentzuges durch Stromwärme sehr langsam,
unter Umständen .erst nach Tagen merklich ab. Die Supraleitfähigkeit verschwindet
bei fast allen Stoffen bei Überschreitung einer bestimmten kritischen Feldstärke.
Versuche haben weiter ergeben, daß es jedoch Stoffe, wie z. B. Niobkarbid, gibt,
die ihre Supraleitfähigkeit auch unter Einwirkung sehr starker Magnetfelder `behalten.
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Man kann die Spule daher erfindungsgemäß als in sich geschlossene
Wicklung ausbilden, die insbesondere
z: B. aus nur einer Windung
besteht, in der der Strom durch einen Iaduktionsstoß erzeugt werden kann und dann
für die Verwendung genügend lange aufrechterhalten bleibt. Zur Erzeugung des Stromes
kann man so- vorgehen, daß inan bei ungekühlter Spule ein die Spule durchsetzendes
starkes äußeres Magnetfeld einschaltet, die Spule dann unter die sogenannte Sprungtemperatur,
bei der die Supraleitfähigkeit eintritt, abkühlt und das äußere Magnetfeld dann
abschaltet. Das Magnetfeld in der supraleitenden Spule bleibt dann infolge des einsetzenden
Stromes in der Spule bestehen. Vorteilhaft ist dabei, daß die Verteilung der 1nduktion
vor diem Abschalten des äußeren Magnetfeldes innerhalb der Spule für die nach Abschalten
des äußeren Magnetfeldes verbleibende Induktionsverteilung belanglos ist. Insbesondere
brauch t das äußere Magnetfeld. gar keine Linsenwirkung zu besitzen, dies wird vielmehr
durch die vorzugsweise kreissymmetrische Form der supraleitenden Spule bestimmt.
Weiter kann die Erzeugung des Stromes in der supraleitenden Spule auch außerhalb
des Gerätes, z.. B. des Mikroskopes, in -dem diese Spule zur Anwendung kommen soll,
etwa in, einer besonderen Magnetisierungsvorrichtung vorgenommen werden. Die Spule
nebst ihrer Kühlvorrichtung wird dabei zweckmäßig als wechselweise in das Gerät
(Mikroskop) und in die Magnetisierungs-,vorrichtung einsetzb.ares Teil ausgeführt.
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Zur zweckmäßigen Kühlung, die in an sich bekannter Weise mit bei ausreichend
tiefen Temperaturen siedenden Gasen vorgenommen werden kann, kann ferner das Kühlmittel
durch Abpumpen des Kühlmittelgases aus dem Kühlgefäß zur schnellen Expansion und
der damit verbundenen weiteren Abkühlung bzw. durch die Erniedrigung des Druckes
im Kühlgefäß zum Sieden bei möglichst niedriger Temperatur gebracht werden.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Fig. i zeigt einen Querschnitt durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Objektivlinse
eines Elektronenmikroskops. Diese Objektivlinse wird gebildet durch eine supraleitende
Spule i, welche im Falle dieses Ausführungsbeispiels nur aus einem in sich geschlossenen
Ring besteht. Dieser Ring ist in ein Kühlgefäß 2 eingebaut, welches an der oberen
Seite mit Stegen 3 versehen ist, die sich auf den oberen Polschuh 4 einer ferromagnetisch
gepanzerten Magnetspule 5 abstützen. Der untere Polschuh dieses Magneten ist mit
:6 `bezeichnet. Das Kühlgefäß 2 besitzt eine Zulaufleitung 7 für ein flüssiges Kühlmittel,
z. B. Helium. Ferner ist eine Entleerungsleitung 8 vorgesehen, die im unteren Bereich
des Gefäßes 2 mündet. Die Leitungen 7 und 8 sind durch ein rin.gfärmiges, einen
Teil der Vakuumwand des Elektronenmikroskops bildendes Stück g hindurchgeführt und
außen mit Hähnen io und ii versehen. Nach oben hin schließt sich der Teil 12 der
Vakuumwand an, in welchem in an sich bekannter Weise die Einschleusvorrichtung und
die Verstellvorrichtung für -die Objektpatrone 13 vorgesehen sein kann. Mit 14 ist
der unten an den Magnetkörper der Spule 5 anschließende Teil der Vanuuniwand bezeichnet.
Zwischen den Teilen i2, 9, 5 und 14 sind zur Abdichtung Gummiringe 15 vorgesehen.
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Um den Ring i supraleitend zu machen, wird folgendermaßen vorgegangen:
Zunächst wird durch Einschalten der Wicklung 5 des Erregermagneten in dem Ring i
ein Induktionsstoß erzeugt, der durch die Wirkung des vom Magneten 5 erzeugten äußeren
Magnetfeldes zustande kommt. Dann wird das Kühlmittel durch Öffnen des Hahnes io
in das Kühlgefäß 2 eingelassen, wodurch sich der Ring i bis unter die Sprungtemperatur
.abkühlt, bei der die Supraleitfä'higkeit eintritt. Danach wird die Wicklung 5 abgeschaltet.
Der im Ring i fließende Strom klingt nun erst nach einigen Tagen merklich ab, so
daß .also wärend' dieser Zeit durch das vom Ring i hervorgerufene starke und kurze
Magnetfeld sich eine sehr wirksame Objektivlinse ergibt. Die Dämpfe des im Kühlgefäß
2 befindlichen Kühlmittels strömen durch die Leitung 7 und den offenen Hahn io ins
Freie. Um den allmählich im Supraleiter abklingenden Strom wieder auf den ursprünglichen
Wert zu bringen, muß zunächst das Kühlmittel, welches sich noch im Behälter 2 befindet,
entfernt werden. Zu diesem Zweck wird der Hahn io geschlossen und der Hahn ii in
der Entleerungsleitung 8 geöffnet und das Kühlmittel herausgesaugt oder gedrückt.
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Infolge der aufhörenden .Kühlung schwindet die Supraleitfähigkeitwieder,
und der Strom klingt rasch ab. Danach kann der Ring i in der oben beschriebenen
Weise wieder supraleitend gemacht werden.
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Bei der dargesteillten Anordnung ist es leicht möglich, das Kühlgefäß
2 zusammen mit dem Ring i auszubauen. Zu diesem Zweck wird der obere Teil 12 des
Mikroskops entfernt, wonach der ringförmige Teil 9 zusammen mit dem Kühlgefäß 2
nach oben hin ausgebaut werden kann. Das Kühlgefäß 2 kann aus irgendeinem geeigneten
Material 'hergestellt werden. Wenn man dieses Gefäß aus Glas herstellt, so empfiehlt
sich, die dem Vakuumraum -des Mikroskops zugewandte äußere Oberfläche zu verspiegeln.
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In,den Fig. 2 a bis 2 c ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. In diesem Falle wird ein, beispielsweise aus Niob`karb-id bestehender
Ring 2i, der in ein Kühlgefäß@22 eingebaut ist, durch eine besondere magnetische
Vorrichtung supraIeitend gemacht. 'Diese Magnetisierungsvorrichtung ist in Fig.
2 a dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Elektromagneten, dessen Eisenkreis
zwei Polschuhe 23, 24 besitzt, zwischen denen ein Luftspalt besteht, der so bemessen
ist, ,daß man an !dieser iStelle den Kühlbehälter 22 einschieben kann. Mit 25 ist
.die Erregerwicklung des Magneten bezeichnet. Nach dem Einschalten des Erregerstromes
wird das flüssige Kühlmittel durch eine obere Öffnung 26 in das Gefäß 22 geschüttet.
Danach kann diese Öffnung durch einen in ,der Fig. 2 b dargestellten Verschluß 27
abgeschlossen werden, in welchem sich eine Öffnung 28 befindet, die so bemessen
ist, daß die aus dem
flüssigen Kühlmittel entwickelten Dämpfe nach
Maßgabe der gewünschten Kühlung entweichen können. Danach wind die Wicklung 2,5
abgeschaltet, wodurch der Strom in dem Ring 21 entsteht. Der Kühlbehälter wird nunmehr
in das Elektronenmikroskop, beispielsweise in der in Fig. 2 c dargestellten Weise,
eingesetzt. Hier ist mit 29 die Wand des Elektronenmikroskops bezeichnet. In dieser
Wand befindet sich eine seitliche ,Öffnung, welche durch eine Verschlußplatte
30 abgeschlossen werden kann. Mit dieser Verschlußplatte ist unter Zw ischenschaltung
eines Federkörpers 3 i ein Halter 3,2 verbunden, in welchen das Kühlgefäß 22 zusammen
mit dem Ring 21 eingesetzt werden kann. Der Halter besitzt eine untere Bohrung 33
für den Durchtritt der Elektronenstrahlen. Mit 34 ist -die Aperturblende der Objekti-vlinse
bezeichnet. Für diese Blende wird man vorzugsweise ein nicht ferromagnetisches und
nicht supraleitendes Material verwenden. Im Falle dieses Ausfü'hrungsbeispie'les
entweichen die Dämpfe des Kühlmittels durch die Öffnung 28 unmittelbar in den Vakuumraum
des Elektronenrnti'kroskops, aus dem sie durch die Vakuumpumpe abgesaugt werden.
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Der Halter 32 kann mit einer von außen zu betätigenden Triebstange
3:5 verbunden sein, welche durch an sich bekannte Mittel dazu verwendet werden kann,
den Halter 32 zusammen mit der Linse um kleine Beträge in beliebiger Richtung
zu verstellen. Auf diese Weise bildet also der Halter für das Kühlgefäß 22 auch
gleichzeitig eine Justier-Vorrichtung für die Linse. Mit 13 ist auch hier wieder
die Objektpatrone bezeichnet, welche durch a:n sich bekannte, in der Figur nicht
dargestellte Mittel von außen eingeschleust und in der Strahlrichtung und quer zur
Strahlrichtung eingestellt werden kann. Will man die Dämpfe des Kältemittels nicht
in den Vakuumraum ,des Mikroskops austreten lassen, so kann man an die Öffnung 28
eine Leitung 36 anschließen, die in der Fig. :2,c gestrichelt angedeutet ist. Durch
diese Leitung können die (Dämpfe des Kühlmittels nach außen geführt werden.
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Man kann für die Feinregelung des Linsenfeldes erforderlichenfalls
:auch noch eine weitere supraleitende oder nicht supraleitende regelbare Spule verwenden,
die ein schwaches Zusatzfeld erzeugt. Fig. 3 zeigt für eine solche Anordnung schematisch
ein Ausführungsbeispiel. Mit ¢i ist hier eine supraleitendeSpule bezeichnet, welche
ein starkes Feld, das eigentliche Linsenfeld; erzeugt. Mit 42 ist eine zweite axial
symmetrisch dazu angeordnete Spule bezeichnet, die ein zusätzlich schwächeres, zur
Feinregelung dienendes Feld erzeugt. Eine solche Regelanordnung kann man beispielsweise
zur genauen Scharfeinstellung des Bildes des Objektes benutzen.