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Anordnung zur Einregelung der zulässigen Belastung sowie zur Herabsetzung
der Belastung von Objekten, die in Korpuskularstrahlapparaten untersucht werden
Bei der elektronenoptischen Untersuchung von zu durchstrahlenden Objekten besteht
vielfach der Wunsch danach, die Energiedichte der auf das Objekt auftreffenden Elektronen
sehr hoch zu wählen. Das ist z. B. der Fall, wenn bei sehr hohem Auflösungsvermögen
eines Elektronenmikroskops mit besonders hohen elektronenoptischen Vergrößerungen
(über 6o ooofach) gearbeitet werden muß. In diesem Falle bestehen große Schwierigkeiten,
genügend lichtstarke Bilder auf dem Endbildleuchtschirm zu erhalten, um mit dem
Auge scharf einstellen zu können. Der Steigerung der Elektronendichte in der Objektebene
ist aber eine Grenze gesetzt, die dadurch gegeben ist, daß die Objektträgerfolien
bzw. Objekte infolge der Elektronenbestrahlung sich stark erwärmen und dadurch zerstört
werden können. Es besteht somit besonders im Rahmen der Weiterentwicklung des Übermikroskops
das starke Bedürfnis nach Vorrichtungen, mit denen es gelingt, die äußerste Grenze
der Objektbelastung zu ermitteln und diese äußerste Grenze soweit wie möglich herabzusetzen.
Die Erfindung zeigt Wege, mit denen es möglich ist, diese Aufgabe zu lösen. Erfindungsgemäß
ist zu dem geschilderten Zweck im Strahlengang zwischen dem Strahlerzeuger und dem
Objekt eine Auffangvorrichtung vorhanden, welche die Strahlen weitgehend vom Objekt
abzuschirmen
gestattet und mit einer Meßvorrichtung verbunden ist,
die die Elektronendichte am Objektort zu erfassen gestattet. Man wird die erwähnte
Auffangvorrichtung im Sinne ihrer Wirkungsweise vorzugsweise unmittelbar vor dem
Objekt anordnen, derart, daß sie in den Strahlengang durch einen von außen zu bedienenden
Trieb eingeschoben oder eingeklappt werden kann. Als Meßvorrichtung kann man beispielsweise
ein Galvanometer verwenden, mit dem hinter einer kleinen Blende von bekannter Durchtrittsöffnung
durch einen kleinen Auffänger dann der Elektronenstrom unmittelbar gemessen wird.
An Stelle der Strommessung kann man z. B. auch mit Hilfe eines als Auffangvorrichtung
dienenden Thermoelementes unmittelbar die Energiedichte an einer Stelle vor dem
Objekt messen.
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Mit Hilfe einer solchen Meßvorrichtung ist es nun möglich, den Bestrahlungsapparat,
beispielsweise die Kathodenheizung und den Kondensor, so einzuregeln, daß die zulässige
Größe der Objektbelastung nicht überschritten wird. Bei Anwendung der Erfindung
ist es also möglich, mit der Objektbelastung bis an den jeweils zulässigen Grenzwert
heranzugehen, so daß man nun ohne Gefährdung des Objektes eine Möglichkeit hat,
die jeweils stärkste Bildhelligkeit auf dem Leuchtschirm einzustellen.
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Da die Erwärmung von Objekt- und Objektträgerfolie insbesondere dann
gefährliche Werte annimmt, wenn der Elektronenstrahlquerschnitt im Bereich der Objektträgerblende
so groß ist, daß die Trägerblende selbst von den Elektronenstrahlen getroffen wird,
ist im Strahlengang vor dem Objekt eine Vorblende angeordnet, die den auf die Objektträgerfolie
fallenden Strahlenquerschnitt so begrenzt, daß die Strahlen bei der Untersuchung
niemals die metallische Trägerblende treffen können. Besonders vorteilhaft ist es
gemäß der weiteren Erfindung, wenn man eine sehr feine Vörblende mit einer Öffnung
von z. B. x bis 5 ,u Durchmesser anwendet, so daß bei Einschaltung dieser Blende
von dem gesamten durchstrahlbaren Objektbereich nur ein entsprechend sehr kleiner
Teil bestrahlt wird. Die starke Objektbelastung kann dann nur auf diesem kleinen
Teilbereich der Objektfläche auftreten, wodurch Zerstörungen der Folie weitgehend
vermieden werden können, weil die Nachbarbereiche der Objektträgerfolie, die nun
nicht durchstrahlt sind, überraschend wirksam zur Kühlung beitragen: Für -sehr hohe
Vergrößerungen hat man erst durch die erfindungsgemäße Anordnung die Möglichkeit;
genügende Helligkeit auf dem Endbildleuchtschirm ohne thermische Objektgefährdung
einzuregeln. Die feine Vorblende wird so angeordnet, daß sie von außen her durch
Justiermittel genau in die optische Achse des Gerätes eingestellt werden kann. In
dieser Lage bleibt die Blende dann jeweils so lange, wie man mit ihr arbeitet. Wichtig
ist, daß in dieser Lage selbst Blenden von nur z ;u Durchmesser bei den hohen elektronenoptischen
Vergrößerungen keine Beschränkung des Endbild= gesichtsfeldes zur Folge haben, da
ja auch der Blenden durchmesset eine entsprechende elektronenoptische Vergrößerung
erfährt. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich,
wenn man die obenenvähnte Auffangvorrichtung und die erwähnte feine Vorblende auf
einem gemeinsamen Halter anordnet, der z. B. von der Seite her in den Strahlengang
eingeschoben werden kann. Dabei kann die Anordnung so gewählt sein, daß man wahlweise
nacheinander die Auffangvorrichtung oder die feine VorbIende wirksam machen kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die sich durch besondere Einfachheit
in konstruktiver Beziehung auszeichnet, erhält man, wenn Auffänger und Feinvorblende
so zusammengefaßt sind, daß sie beide gleichzeitig wirksam in den Strahlengang eingefügt
werden können.
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Wenn man bei extrem hohen elektronenoptischen Vergrößerungen auf dem
Endbildleüchtschirm ein so lichtschwaches Bild erhält, daß die visuelle Scharfstellung
Schwierigkeiten macht, kann man sieh noch zusätzlich dadurch helfen, daß für die
Einstellung eine schwache Vergrößerung im Projektiv angewendet wird, wodurch sich
eine genügende Bildhelligkeit ergibt, und daß durch Änderung der Brennweite des
Objektivs die beiden Grenzen ermittelt werden, bei denen das Bild unscharf zu werden
beginnt, dann wird ohne weitere visuelle Beobachtung die Einstellung des Objektivs
auf die Mitte zwischen den beiden ermittelten Werten eingeregelt und danach mit
hoher Vergrößerung im Projektiv die Aufnahme gemacht. Dieses Vorgehen setzt jedoch
voraus, daß der Projektivstromkreis völlig unabhängig und entkoppelt vom Objektivkreis
gestaltet wird, was bei den heutigen Geräten in der Regel nicht der Fall ist.
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Besonders in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung, die es
erstmalig gestattet, mit äußerst hohen Energiedichten zu arbeiten, wird man die
Kathode aufs äußerste auszunutzen versuchen. Das kann dahin führen, daß die Kathode
infolge Hochheizung verhältnismäßig rasch durchbrennt und ausgewechselt werden muß.
Um dann das Auswechseln der Kathode zu erleichtern und dabei doch die Unterbrechungszeiten
für die laufenden Untersuchungen nicht zu lang werden zu lassen, kann es vorteilhaft
sein, eine solche Konstruktion des Strahlerzeugers zu, wählen, bei der ein schnelles
Ein- und Ausschleusen der Kathode mit Hilfe einer Vakuumschleuse möglich, ist.
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Die Figuren zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein magnetisches
Objektiv für ein Elektronenmikroskop. Bei der dargestellten Konstruktion handelt
es sich um eine solche an sich bekannte Bauart, bei der das Polschuhsystem des Objektivs
von der Seite her in den- Korpuskularstrahlapparat, beispielsweise in das Elektronenmikroskop,
eingesetzt bzw: daraus entfernt werden kann. Dieses seitliche Einführen und Entfernen
des Polschuhsystems dient bekanntlich auch gleichzeitig dazu, die jeweils zu untersuchenden
Objekte ein-und auszuschleusen. In Fig. z ist ein Längsschnitt durch das seitlich
ins Mikroskop einsetzbare PoIschuhsystem und in Fig. 2 ein vergrößerter Schnitt
durch den eigentlichen Polschuhteil dargestellt.
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Mit r ist der obere, reit 2 der untere Polschuh des Objektivs bezeichnet.
Diese Polschuhe sind in einen zylindrischen Halter 3 eingesetzt, an den sich seitlich
eine Haltevorrichtung g. anschließt, mit deren Hilfe das Polschuhsystem von der
Seite her in das im übrigen nicht dargestellte Vakuumgefäß des Elektronenmikro=
skops eingeführt werden kann. Mit 5 ist eine Objektpatrone
bezeichnet,
die mit Hilfe eines Halters 6 und einer diesem zugeordneten Feder 7 im oberen Polschuh
i festgelegt ist. Die Feder 7 drückt den Halter 6 gegen die quer zur Strahlrichtung
liegende Fläche 8 fest an, so daß die Objektpatrone bei der Untersuchung relativ
zum Objektiv gut festgelegt ist. Durch seitliche Bohrungen g werden Einstellstangen
io eingeführt, mit deren Hilfe die Objektpatrone zur Aussuchung des jeweils besonders
interessierenden Objektbereichs quer zur Strahlrichtung verschoben werden kann.
Mit ii ist eine Objektivblende bezeichnet, die in den unteren Polschuh 2 eingeschraubt
werden kann.
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Dem Objektiv ist eine von der Seite her einschiebbare Elektronenauffangvorrichtung
12 zugeordnet, die mit Hilfe eines Halters 13 quer zur Strahlrichtung verschiebbar
ist, so daß die Auffangvorrichtung wahlweise in den Strahlengang eingeführt bzw.
daraus entfernt werden kann. Mit der Auffangvorrichtung ist eine feine Blendenöffnung
15 kombiniert, deren Durchmesser beispielsweise etwa 2 lt beträgt. In der
dargestellten Betriebslage, in welcher die Auffangvorrichtung wirksam gemacht ist
und gleichzeitig die Blende 15 genau in die optische Achse des Gerätes eingeführt
ist, wird somit vom bestrahlenden Elektronenstrahlbündel nur ein sehr kleiner Ausschnitt
zum Objekt durchgelassen. Die starke Objektbelastung, die sonst infolge der Bestrahlung
auftritt, wirkt sich also bei wirksamer Blende 15 nur auf einem Teilbereich der
Objektfläche aus, so daß keine Zerstörung des Objektes eintritt, weil die Nachbarbereiche
der Objektträgerfilme, die nicht durchstrahlt werden, eine wirksame Kühlung ermöglichen.
Im Strahlengang vor der feinen Blende 15 liegt noch eine Vorblende 16 von bekannter
Durchtrittsöffnung, deren Durchmesser vorzugsweise so gewählt ist, daß sie das vom
Bestrahlungsapparat her kommende Strahlenbündel so ausblendet, daß der das Objekt
treffende Elektronenstrahlquerschnitt kleiner ist als der durch die Objektblendenöffnung
gegebene Querschnitt. Dadurch wird auch bei herausgezogenem Ruffänger vermieden,
daß von den Elektronenstrahlen die Objektträgerblende selbst erwärmt wird, wodurch
sich eine unerwünschte Erhitzung des ganzen Objektes und dessen Zerstörung ergeben
kann.
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Mit der beschriebenen Anordnung wird man folgendermaßen arbeiten:
Zunächst stellt man einen verhältnismäßig geringen Elektronenstrom bei schwacher
Vergrößerung ein und sucht bei aus dem Strahlengang entfernter Blende 15 den jeweils
besonders interessierenden Objektausschnitt aus, den man mit Hilfe der Einstellvorrichtungen
io durch Querverschiebung der Patrone 5 in die Bildmitte bringt. Dann wird der Elektronenauffänger
mit der feinen Blende 15 in den Strahlengang eingeführt und mit Hilfe des Zwischenbildleuchtschirmes
zentriert. Nun kann man unter gleichzeitiger Beobachtung eines mit dem Ruffänger
verbundenen Meßinstrumentes den Bestrahlungsapparat so einregeln, daß man eine bestimmte
und verhältnismäßig große Energiedichte auf dem Objekt bekommt. Die Auffangvorrichtung
ist beispielsweise mit einem Galvanometer verbunden, so daß man damit den Elektronenstrom
in der Nähe des Objektortes unmittelbar messen kann. Die Auffangvorrichtung kann
auch aus einem Thermoelement bestehen, das unmittelbar die Energiedichte in der
Nähe des Objektortes zu messen gestattet. Da die zulässige Energiedichte bzw. der
zulässige Elektronenstrom bekannt ist, den man z. B. bei den in der Durchstrahlungsmikroskopiegewöhnlich
zur Anwendung kommenden Objektträgerfilmen anwenden darf, ohne diese Filme zu zerstören,
hat man mit der beschriebenen Auffangvorrichtung und der zugeordneten Meßeinrichtung
ein einfaches Mittel, um den Strahlerzeuger, beispielsweise Kathodenheizung oder
Kondensorspulenstrom, so einzuregeln, daß die Elektronenenergie am Objektort den
zulässigen Höchstwert nicht überschreitet. Man kann aber nunmehr auch das Beleuchtungssystem
so einregeln, daß man sich diesem zulässigen Höchstwert weitgehend annähert, und
erreicht damit, daß sich die größte Helligkeit auf dem Endbildleuchtschirm ergibt.
Das hat besondere Bedeutung für solche Untersuchungen, bei denen es darauf ankommt,
mit sehr hohen elektronenoptischen Vergrößerungen zu arbeiten.
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Zum Einschieben und Entfernen des Auffängers und zur Justierung in
Richtung der Verschiebebewegung dient der Handgriff 17, der mit dem Halter 13 verbunden
ist. Der Halter 13 ist isoliert von den übrigen Metallteilen des Gerätes, so daß
bei 18 die Meßleitung des Auffängerstromes angeschlossen werden kann. Mit i9 ist
eine mit einem Feingewinde versehene Einstellschraube bezeichnet, die als Anschlag
beim Einschieben des Auffängers dient. Das Verdrehen des Ruffängers und der feinen
Blende 15 um die Achse des Halters 13 wird durch den Knopf 17 gesteuert. Der Ruffänger
ist so gestaltet, daß man durch Drehbewegungen mit Hilfe der Schraube 17 die zur
Justierung der Feinvorblende 15 erforderlichen kleinen Bewegungen quer zur Richtung
der Einschiebebewegung leicht durchführen kann. Die Justierung der Blende 15 in
Richtung des Einschubes erfolgt durch Rausdrehen der Anschlagschraube ig.
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Fig. 3 zeigt die Wirkung der Feinvorblende in bezug auf die Herabsetzung
der thermischen Objektbelastung. In dem dargestellten Diagramm ist die Folientemperatur
t in Abhängigkeit vom Durchmesser DB der feinen Vorblende 15 dargestellt für drei
Werte der aufgenommenen Leistungsdichte 4"o. Die Diagramme sind mit folgenden Annahmen
errechnet:
| Foliendicke x . . . . . . . . . . . = 10--1 mm |
| Umgebungstemperatur t,. = 2o° C |
| Strahlungszahl C . . . . . . . . = 1,2. 10-12 |
| cal |
| Cm2S (°K)4 |
| Wärmeleitzahl . . . . . . . . . . = 5 . i0-4 |
| cal |
| cm s °K |