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Ionenstrahlerzeuger Die Erfindung betrifft einen. Ionenstrahlerzeuger
für Korpusk ularstrahlapparate, und zwar vorzugsweise solche Apparate, ,bei denen
eine Ionenq;uelle mit in Richtung der optischen Achse oder quer zur optischen Achse
pen@deludien Elektronen zur Anwendung kommt. Erfindungsgemäß durchfliegen im ersteren
Fall die von .der Kathode emittierten Elektroren nach, Beschleunigung auf eine Spannung
von beispielsweise i5o V die Gaskammer und. gelangen anschließend in den Bereich
eines Bremsfeldes, das von der ersten Beschleunigungsstufe des Ionenstrahlgeräts
unmittelbar aufgebaut wird, wobei zwischen der Gaskammer u:nd@ der Beschleunigungselektrode
eine, vorgespannte Steuerelektrode angeordnet ist, die dazu dient, ein, scharf gelichtetes,
von einem kleinen Querschnitt ausgehendes Strahlenbündel herzustellen. Die Energieaufnahme
eines solchen. Strahlerzeugungssystem,s ist sehr niedrig, :da die Strahl,fokussierungdurch
Anwendung der vorgespannten Steuerelektrode leistungslos erfolgt und die Absaugung
ider Teilchen bereits durch die erste Beschleunigungsstufe des Geräts bewirkt wird,
ohne daß sie hierdurch eine zusätzliche Belastung erfährt. Man kann die Erfindung
bei mit Ionenstrahlquellen arbeitenden Korpuskularstr:ahlgefäßen beliebiger Art
anwenden. Sie kann insbesondere mit Vorteil: verwendet werden bei Ionenmikroskopen,
die im Vakuumraum außer der Ionenstrahlquelle noch eine Elektronenstrahlquelle und
einen dieser zugeordneten Leuchtschirm besitzen, der dazu dient, die Kontrolle und
Scharfstellung dies Ionenbildes mit Hilfe eines von den
Elektronenstrahlen
erzeugten: Fluoreszenzbildes zu ermöglichen. Bei solchen Mikroskopen wird man die
Ionenstrahlquelle nach :der vorliegenden Erfindung vorzugsweise so anwenden, däß
sie wahlweise auch unmittelbar als. Elektronenstrahlquel.le geschaltet werden kann.
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Bei Ader Ionenquelle nach :der Erfindung wird vorzugsweise durch ein:
kräftiges magnetisches Führungsfeld von etwa Soo Gauß, das z. B. von einem permanentem
Magneten erzeugt wird, die Zahl von Eiektronenpendelungen zwischen Kathodenräiüm
und Bremsfeld stark gesteigert. Hierdurch wird schon mit Anodenströmen von wenigen
Miniampere eine hohle Elektronendichte und damit ein guter Ionisierungswirkungsgrad
erzielt. Der Vorteil dieser Ionenerzeugungsart mit Elektronenpenidelu.ng in: Richtung
der optischen Achse besteht :darin, daß .das Io-nenabsaugfeld die magnetische Elektronenführung
nicht stört. Das gleiche, wie schon erwähnt, von .der Be schleunigungselektrode
hervorgerufene Feld, :das die Absaugung der Ionen bewirkt, läßt .die Elektronen
in Richtung auf die Kathode zurückpendeln. Zwar haben die Ionen hier eine etwas
verschiedene -1#,nfanigsgeschwindigkeit, je nachdem, auf welcher Potentialfläche
im Bremsraum die Ionisierung stattgefunden- hat, doch bleibt diese Geschwindigkeitsstreuung
meist bei den kleinen Aperturen von Elektronenm@ikrosl:äpen ohne Bedeutung, :da
sie weniger als i/ioo der Streuung bei hanalstrahlionenquellen beträgt.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Ionenquellraum mit dem Hauptvakwumraum
nur über die Bohrung in der Steuerelektrode, die beispielsweise einen freien Durchmesser
von 5,5 min besitzen kann, in Verbindung steht, Der hierdurch gegebene Strömungswi.derstand!
und die Verwendung von Bohrungen mit beispielsweise nur 5 mm Durchmesser in der
Gaskammer bewirken, d@aß zwischen Ionisierungsraum und Hauptvakuurnraum ein Druckunterschied
von fast einer Größenordnung besteht. Die Ausnutzung :des Gasstrahles ist -dann
so gut, daß der Verbrauch an schwerem Wasserstoff oder Edelgasen bei Abgabe eines
Ione:nstrom:es von too Mikroampere nur in der Größenordnung von Milligramm pro Stunde
liegt. Infolge der rationellen Arbeitsweise der Ionenquelle genügt bereits eine
relativ einfache Pumpanla.ge, um das erforderliche Valeuum aufrechtzuerhalten.
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Nach Verwendung von. hoch gereinigtem vakuumgeschmolzenem Elektrodenmaterial
in der Ionenquelle und nach Durchführung der schon obenerwähnten vakuumtechnischen
Maßnahmen gelang es, zu erreichen, @daß trotz des hohen Elektronenpendelfäktors
der Ionenstram auf wenige Prozente seines normalen Arbeitswertes zurückgeht, sobald
die Gaszufuhr unterbrochen wird. Auf :diese Weise wird es möglich, die jeweils gewünschte
Ionenstromstarke ,durch Steuerung der Gaszufuhr einzustellen und infolgedwesseni
mit besonders niedriger Gaszufuhr auszukommen.
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Man kann die Erfindung anwenden sowohl bei Ionenstrählquellen mit
in Richtung der optischen Achse des Geräts pendelnden Elektronen als auch bei solchen
Ionenquellen, bei. denen die Elektronen quer zur optischen Achse des Geräts pendeln.
Wenn :die Erfindung bei Io:nenmikroskopen angewendet wird; deren Strahlquelle wahlweise
auf Ionenstrahlerzeugung oder Eiektronenstrahlerzeügung umschaltbar ist, ist es
wichtig, das Strahlerzeugungssystem so auszubilden, daß :die Austrittsgeschwindigkeit
der Elektronen beim Betrieb als E'lektrionenstrahlque@lle praktisch der Austrittsgeschwindigkeit
der Ionen beim Betrieb als Ionenstrahlqüelle ist. Das ist ,deshalb wesentlich, weil
sonst die Bedingungen für die Bildkontrolle und Scharfstellung beim Betrieb als
Elektronenstrahlerzeuger nicht die gleichen sind wie beim Betrieb, als Ionenstrahlerzeuger.
Um praktisch gleiche Austrittsgeschwindigkeit bei beiden Bestrahlquellen zu erreichen,
kann man unter Umständen eine entsprechende Ausgleichsspannung beim Übergang von
der einen auf die andere Teilchenart hinzuschalten. Bei einer Ionenquelle m-it pendelnden
Elektronen besteht ein anderer Weg zur Erreichung gleicher Austrittsgeschwind'igkeiten
darin, -daß man das Pendelsystem des Strahlerzeugers .statt mit einer Gleichspannung
mi,t einer Hochfrequenz!spannung betreibt, deren Frequenz groß ist gegenüber der
reziproken Elektronenlaufzeit. Eine Anordnung dieser Art kann durch an sich bekannte
Schaltmaßnahmen auch noch so weiter ausgestaltet werden, idaß,das System sich selbst
zu den erforderlichen Hochfre.quenzschwingungen anregt. Es ist dann keine hesonidere
Hochspiannungsquelle :für idlie Hochspannun:gserzeu gurig ,des-Pendelsystems erforderlich.
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Die Figuren zeigen Ausführunigsbei.spiele der Erfindung. In Fig: i
ist die zunächst näher besprochene Ionenstrahlquelle mit in Richtung der optischen
Achse des Geräts pendelnden Elektronen dargestellt. Mit i ist ,die Kathode .dieses
Strahlerzeugers bezeichnet; sie ist in einem Kathodeneinsatz 2 gehaltert, in dem
die Kathodenanschlüsse 3 in der aus der Figur ersichtlichen Weise eingeführt sind.
Der Kathodeneinsatz sitzt mit seinem unteren konischen Ende in einem aus unmagnetischem
Material, beispielsweise Messing, bestehenden Halter 4, an Odem Muttern 5 verschraubt
sind, die mit Gewindebolizen 6 zusammenarbeiten. Diese Gewindebolzen stützen sich
mit ihrem unteren Ende auf eine Messiingplatte 7 ab, die ihrerseits auf der .aus
Eisen bestehenden Platte S ruht. Mit 9 ist der Magnet des Pendelsystems bezeichnet.
Dieser Magnet steht mit dem den ioberen Polschuh bildenden Kathodeneinsatz über
die Platte to und mit dem unteren Polschah t i über die Platte 12, das Rohr 13 und
die Platte 8 in magnetischer Verbindung. Die Trägerplatte 12 ruht auf dem Hauptisolator
i4. ,des Strahlerzeugungssystems. Gegenüber diesem Isolator kann das ganze System
durch Querbewegung dien Platte 12 horizontal verschoben werden. Nach der Einjustierung
wird die Platte 12 am Hauptisolator bei 15 mit Apiezonwachs festb-kittet. Zwischen
dem Halfter q. und :der ebenfalls, aufs Messing bestehenden Platte 7 ist eint Federkörper
16 angeordnet, der Verschiebebewegungen und auch Verkan.tungen des Systems gegenüber
der Beschleunigungselektrode2a
@bzw. der Achsrichtung zuläßt. :Die
Elektrode 23 ist durch: die Eisenbuchse 24 mit dem Polschuh i i verbunden. Mit 17
ist das Gaszuführungsrohr für den Ionenstrahlerzeuger bezeichnet. Am Halter '4 sind
.die Elektroden r8, i9, 2ound 23 befestigt. Mit 22 ist -die beispielsweise 'an -
50 kV liegende erste Beschleunigungselektrode des Ionenstrahlgeräts bezeichnet.
Die Elektroden 18, i9, 2o können. beispielsweise an + i 5o Volt, die Steuerelektrode
23 an + ioo Volt liegen. Wenn es sich um einen Strahlerzeuger für ein Ionenmikroskop
handelt, der auch als Elektronenstrahlquelle umschialtbar sein soll, kann man unter
Umständen die Elektroden i 8, 1,9 und 2o an eine Hochspannungsquelle anschließen,
deren Frequenz groß ist gegenüber Ader reziproken Ionenlaufzeit. Man kanndadurch
erreichen, daß diie ,den Strahlerzeuger verlassenden Ionen praktisch die gleiche
Geschwindigkeit haben wie die den. Strahlerzeuger nach seiner Umschaltung auf Elektronenstrahlerzeugung
verlassenden Elektronen. Für die Umschaltung zum Betrieb als Elektronenstrahlerzeuger
ist es beim dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich erforderlich, die Beschleunigun:gselektrode
2@2 (und die Steuerelektrode 23, falls diese überhaupt vorgespannt werden m@uß)
umzupolen.
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Die Beschleunigungsspannung dient gleichzeitig zur Herstellung des
Abisaugfeldes. Von erheblicher praktischer Bedeutung ist die Anbringung einer Steuerelektrode
im Absau,gfeld der Ionenquelle. Die Wirkung,dieser Elektrofde auf die Bahnender
Ionen ist im Prinzip die gleiche wie die biekanuteWirkung der negativ vorgespannten,
die Emissionsstelle rotationssymmetrisch umgebenden. Elektrode (Wehnelt-Elektrode)
bei Kathodenstrahlröhren. Wieder ergibt sich ohne störende reelle Blenden ein scharf
gerichtetes: und, von einem kleinen( Querschnitt ausgehendes Strahlenhündel, bedingt
durch starke Sammelwirkung unmittelbar vor ,der Emissionszone, d. h. dort, wo die
Teilchen infolge der hohen Rau,mfad!ung zu divergieren, bestrebt. sind. Gegenüber
den sonst v'ie'lfach üblichen Anordnungen mit speziellem, der Ionenquelle zugeordineten
Beschleunigungslinsen bringt die Anwendung :der vorgespannten Steuerelektrode den
Vorteil größter Einfachheit, weil die Notwendigkeit besonderer Beschleunigungsspannungen
im Bereich der Ionenquelle fortfällt.
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DieWirkung,dies beider Erfindung angewendeten Systems Absaugelektrode-Steuerelektrode
ist in Fig. 2 a bis 2 c dargestellt. In. Aden Fig. 2 a und. 21) ist ein System mit
in Richturig der Hauptachse penidelnden Elektronen gezeichnet. Ein, solches System
kann, beispielsweise, wie schon erwähnt, in einem Ionenmikroskop angewendet werden,
um die Möglichkeit zu haben, (denselben. Strahlerzeuger wahlweise als Ionenstrahlquelle-
oder als Elektronenstrahlquelle zu verwenden. Die hier dargestellten Elektroden
tragen dieselben Bezugsizeichen wie die entsprechenden Elektroden des in Fig. i
@durgestel!tten Ausführungsbeispiels. Je nach der P.olun g des Systems Absaugelektrode
22-Stenerelektrode 23 wird ein Elektronenistrahl (Fig. 2 a) oder ein Ionenstrahl
(Fig. 26) geliefert. Im Fall der Elektronenstrahlerzeugung dient der Räum erhöhter
Raumladung vor der Steuerelektrode., in dem die Elektronen zum Teil umkehren, als:
v@irtuelleKathode. Im Fall iderIonenstrahlerzeugungdurchlaufen die abgesaugten Ladlungsträger
eine etwas höhere und, unterschiedliche Potentialdifferenz (d U = UA- Utonis.;
hierin bedeutet Utonis. die Ionisierungsspannung). Dies führt (dazu, idaß, wie in
Fig. 3 b veranschaulicht ist, die Ionenstrahlkenniinie nicht bei gleicher, sondern
stärkerer Steuerelektrodenvorspannung' einsetzt als die in Fig. 3 a dargestellte
Elektronenstrahlkennlinieund außerdemidienvouRegelpentoden her bekannten Charakter
besitzt. Die in Fig. 3 a und 3b dargestellten Kennlinien zeigen, daß die Quelle
für den, vorliegenden Zweck sowohl in bezeug auf Elektronen (bereits ohne m)agnetische
Führung) als auch in bezug auf Ionen ausreichend ergiebig ist. Bemerkenswert und
wertvolil für dias praktische Arbeiten mit der Quelle ist der sehr geringe E@influß
(der Beschleuniguugsfeldstärke auf die Kenn-1:nien. Die Kleinheit dieses Einflusses
erklärt sich daraus, @daß bei Vergrößerung der Beschleun.igunbsfeldstärke die Emissionszone
sich zurückverlegt. Die in Fig. 2 angedeuteten , Unterschiede bei der Ionenabsaugung
führen dazu, tdaß beider benutzten Quelle die beste Strahlzusammenfass:ung nicht
wie bei Elektronenbünidelung nahe (dem Stromeinsatz der Steuerele trodenspannung
liegt, sondern bei schwächerer Vorspannung der Steuerelektrode (+ 5o bis + ioo Volt
bei der -Kennlinie Fig. 3b). Durch Arbeiten mit nicht zu höher Anodenspannung im
Pendele'lektronenraum kann die Geschwinidigkeitsstreuung der Ionen uni: ,damit die
Verschlechterung,der Optik,des Steuerelektrodensystemsmeist hinreichend klein: gehalten
werden.
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Werden höhere Anforderungen an @die Optik des Steuerelektrodensystems
gestellt, so kann man: mit Vorteil ein. Strahlerzeugungssystem .mit quer zur Absau:grichtung
pendelniden Elektronen anwenden, weil hier die Ionen aus einem praktisch felidfreien
Raum -abgesaugt werden und daher eine sehr kleine Geschwindigkeitsstreuung besteht.
In den Fig.4 und 5 ist im Längsschnitt und -im Querschnitt ein derartiges Strahlerzeugungssystem
schematiisch dargestellt. Die Anode 31 des Systems- besteht aus einem flachen
Kasten, bei Odem zwei einanlder gegenüberliegende Seitenwände 32, 33 offen sind.
Vor diesen beiden Öffnungen. liegt je eine Drahtkathode 34, 35, hinter oder je eiln
zyliindriisch gebogenes und gegenüber der Kathode negativ vorgespanntes Blech 36
bzw. 37 angeordnet ist. Durch die Formgel)ung dieser seitlichen Elektroden werden
die Fokussierun;gsbedingungen des von der Kathode in den Anodenkasten emittierten,
Elektronenbanides so verbessert, daß beispielsweise schon ein Magnetfeld von 5ooGauß,
welches vordem Permanentmagneten 38, 39 erzeugt wird, genügt, um einen ausreichend
großen Pendelfaktor entstehen zu lassen. Die hier angewendete magnetische und elektrostatische
Fokussierung bewirken, daß die Elektronen erst nach einer großen Zahl von Pendelungen
zur Anode 31 gelangen. An (die Anode ist oben das Gaszuführungsrohr 4o angeschlossen.
Unten befindet sich in
dem Anodenkasten eine Öffnung 41, durch ,die
,die Ionen abgesaugt werden. Zum Absaugen ,dient die an der Betriebsspannung von
beispielsweise -4o kV liegende Beschleunigungselektrode des Strahlerzeugungssy stems.
Mit 43 ist die Steuerelektrode bezeichnet. Die Wirkung ,dies oben beschriebenen
Strahierzeugungssystems ist in Fig. 2 c dargestellt.
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Der Einfluß des Erdmagnetfel@deis, -,der ,die Zentrierung des Elektronenäträ'hlenganges
in einem Ab-
bildungsgerät für befide Strahlenarten leicht stört, soll ,durch
einen kleinen permanenten Magneten kompensiert werden, der an geeigneter Stelle
im Strahlengang ständ'i'g befestigt ist. Auf die Lage ,des Ionenbädes hat dieser
Magnet naturgemäß keinen.merkbare Einfluß.