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Korpuskularstrahlapparat zur Untersuchung von Objekten, insbesondere
Elektronenmikroskop Die Erfindung bezieht sich auf Korpuskularstrahlapparate zur
Untersuchung von Objekten, insbesondere Elektronenmikroskope oder Elektronenbeugungsapparaturen.
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Gemäß der Erfindung sind derartige Apparate so ausgebildet,
daß nach dem Verlassen des. Objekts den Ladungsträgern eineGeschwindigkeitsänderung
erteilt wird, die nicht durch eine sich unmittelbar anschließende Geschwindigkeitsänderung
aufgehoben, wird. Vo#rzugsweise beträgt nach der Erfindung die herbeigeführte Geschwindigke.ftsän,derung
wenigstens ioO/o, insbesondere einige io%, (oder gegebenenfalls mehr) von. der Geschwindigkeit
(Auftreffgeschwindigkeit), mitwelcher dieLadungsträger auf das Objekt gelangen.
Des weiteren kann nach der Erfindung die Einrichtung so getroffen sein, daß unmittelbar
vor bzw. bei dem Auftreffen der Ladungsträger auf das Ob-
jekt ihre Geschwindigkeit
eine Änderung erfährt, beispielsweise derart, daß die Auftreffgeschwindigkeit gegenüber
der den Ladungsträgern #durch die Anodenspannung (z. B. 5o kV) erteilten
Geschwindigkeit um etwa 5o0/e oder gegebenenfalls mehr verschieden ist.
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Auf Grund der Erfindung können die Ladungsträger derart beeinflußt
werden, :daß sie an jeder gewünschten Stelle derWegstrecke zwischen Objekt
und
Anzeigeorgan (wie Leuchtschirrn oder Photoplatte) eine gewünschte Geschwindigkeit
besitzen und diese über einen gewünschten Teil der Wegstrecke
oder
über die gesamte restliche Wegstrecke beibehalten. Des weiteren besteht die Möglichkeit,
die Ladungsträger so zu beeinflussen, daß sie mit einer gewünschten Geschwindigkeit
auf das Objekt gelangen.
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Im besonderen zielt die Erfindung darauf ab. daß die Ladungsträger
bei ihrem Auftreffen auf das Objekt eine. der Eigenart des Objekts günstig, Rechnung
tragende Geschwindigkeit besitzen und andererseits, unabhängig davon, nach dem
Ver-
lassen des Objekts eine Geschwindigkeit erhalten. welche mit Rücksicht
auf das -,#,nzei"-eorgan, wiz Z,
Leuchtschirm, erwünscht bzw. günstiger ist.
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Eine Möglichkeit. welche die Erfindung bietet. besteht darin, unter
Anwendung einer verhältnismäßig hohen Anodenspannung, wie z. B. ioo k",', die Ladungsträger
mit einer auch zum Durchschlagen von Objekten größerer Dicke oder überhaupt geringer
Elektronendurchlässigl<eit ausreichenden Geschwindigkeit auf das Objekt gelangen
züi lassen, danach jedoch ein-, Herabsetzun,-der Geschwindigkeit (Ahl)reitisung)
auf einen Wert vorzunehmen, der für die Bilderzeugung auf einem Leuchtschirm 1-lünstiger
ist und beispielsweise nur so groß ist, als wären die Ladungsträgger mit der halben
Anodenspannung (5o kV) beschleunigt worden. Dadurch kann die Beanspruchung
der Lcuchtschi,cht durch Elektronenbeschuß niedri 'g 'gehalten werden, insbesondere
aber erreicht werden, daß die Schärfe des auf dem Leuchtschirm erzeugten Bildes
nicht infolge zu großer Eindringtiefe der Ladungsträger beeinträchtigt wird. Dabei
kann der Leuchtschirm auf einer Spannung (z. B. -5ol,-\-') liegen, die eine bzw.
die Abbrernsung der Ladungsträger bewirkt.
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\'orzugsweise wird nach der Erfindung die Einrichtung so getroffen,
daß die von der Strahlungsquelle ausgehenden Elektronen zunächst eine verhältnismäßig
niedrige Geschwindigkeit, beispielsweise durch eine Anodenspannung von 5o.
kV, erhalten, ihnen ab-er vor dem Auftreffen auf das Objekt eine zusätzliche,
beispielsweise ebenfalls 5o keV betragende zusätzliche Beschleunigung (Zwischenbeschleunigung)
erteilt wird und nach dem Auftreffen der Ladungsträger auf das Objekt die erwähnte
Abbrernsung vorgenommen wird. Die Ladungsträger können so beispielsweise mit einer
Anodenspannung von i oo kV entsprechenden hohen Geschwindigkeit auf das Objekt,
trotzdem aber mit -einer gewünschten niedrigeren Geschwindigkeit auf den 1--,euchtschirin
gelangen. Es besteht die Möglichkeit, das Gerät wahlweise mit und ohne Zwischenbeschleunigung
zu betreiben und diese- 7. B. nur bei Objekten größerer Dicke anzuwenden,
indem eine Schaltvorrichtung vorgesehen ist, durch welche die Elektrodenspannungen
entsprechend umgeschaltet bzw. eingeregelt werden können. Fern-er ist die Möglichkeit
gegeben, Geräte. die für eine verhältnismäßig geringe -,#modenspannung, z. B.,#o
kV, eingerichtet sind, in einfacher Weise auf das Arbeiten mit höher beschleunigten
Elektronen umzustellen, indem ein Teil der Mikroskopsäule durch einen mit dein betreffenden
zusätzlichen Elektroden versehenen Teil ersetzt wird oder wahlweise ersetzbar ist
(Baukastenprinzip). Dieses gilt insbesondere, wenn die Abbremsung der Ladungsträger
wie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindun bereits unmittelbar nach
dem Auftreffen auf das Objekt erfolgt, worauf noch eingegangen wird.
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Die Z-wischenbeschleunigung läßt sich in besonders einfacher Weise
durchführen, indem die benötigten Spannungen (Kathodenspannung, Spannun- für die
zusätzliche Beschleunigung) aus zwei Hochspannungsanlagen, die von einem Netzgerät
gespeist werden, entnommen werden. Zum Beispiel liegt die. Kathode auf
- 5o kV und eine zweckmäßig das Objekt tragende Zwischenbeschleunigunuselektrode
auf + 5o kV. Es handelt sich also #, C,
in dem angezogenen Beispiel
um eine Verhältnis i -. i von Anodenspannung und Zwischenbeschleuni-Crungsspannung.
Statt dessen kann, etwa durch Anordnung eines Potentiometers oder Kaskadenabgriffes,
ein anderes Verhältnis gewählt werden. -,verin auch das Verhältnis i : i
in vielen Fällen durch besondere Einfachheit ausgezeichnet ist. Die .die Abbremsung
bewirkende Elektrode (Bremselektrode') liegt im angezogen-en Beispiel auf Erdpotential.
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Eine Abbremsung der Elektronen auf der Wegstrecke Objekt-Leuchtschirm
(Photoplatte) kann an einer oder mehreren Stellen dieser Wegstrecke erfolgen. Ist
eine elektrostatische Dreielektrodenlinse in den Strahlengang eingeschaltet, so
findet bekanntlich in der ersten Hälfte der Linse Abbremsung und in der zweiten
Hälfte Beschleunigung der Ladungsträger oder umgekehrt statt. mit t' ZD der Wirkung,
daß die Ladungsträger bei Eintritt und Austritt aus der Linse die gleiche Geschwindigkeit
besitzen. Gegenüber einer derartigen vorübergehenden Abbreinsung, die sogleich innerhalb
der Linse wieder rückgängig wird, wird beim Erfindungsgegenstand eine Änderung der
Ladungsträgergeschwindigkeit so herbeigeführt, daß sie außerhalb einer oder gegebenenfalls
mehrerer Linsen (Einzellinsen) vorhanden ist. Die Abbremsung der Ladunggsträger
kann erfindungsgemäß vor dem Eintritt in eine Linse (Objektivlinse) oder zwischen
zwei Linsen (Einzellinsen, z. B. zwischen Objektivlinse und einer Projektivlinse)
oder nach Passieren aller vorhandenen Linsen (Einzellinsen) erfolgen. Auch kann
nach einer Abbreinsung eine Wiederbeschleunigung und gegebenenfalls dann abermals
eine Abbremsung und etwa nochmals eine Wiederbeschleunigung usf. vorgesehen sein.
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E ine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß eine bzw.
die ,#bbrenistin- bereits vor Eintritt der Ladungsträger in eine Linse (Einzellinse)
erfolgt, insbesondere also unmittelbar nach Verlassen des Objekts, vorzugsweise
derart, daß sich immittelbar anschließend an eine das Objekt tragende Elektrode
vor dieser (strahlungsquellenseitig) ein Zwischenbeschleuni-ungsraum und unmittelbar
#iin-ter dem Objekt ein bzw. der Breinsraum befindet. Die Herabsetzung der Geschwindigkeit
vor dem Eintritt der Ladungsträger in eine Linse (Objektivlinse) bietet die Möglichkeit,
die Linsen entspre-Z,
chend der geringeren Steitigkeit der Ladungsträgerstrahlen
bemessen zu können.
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Eine besonders bevorzugteAusführungsform liegt darin, die La#dungsträger
mit der durch die Abbremsung vor Eintritt in eine Einzellinse (Objektivlinse) erzielten
Geschwindigkeit auf den Leuchtschirni od. dgl. gelangen zu lassen; gegebenenfalls
kann nach Austritt der Ladungsträger aus der 1-,-tzteii Lins-e (Einzellinse) eine
zusätzliche Abbremsung oder eine mehr oder weniger starke Wiederbeschleunigung vorgenommen
werden.
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Bei der Zwischenbe,;chleunigung oder/und Abbrernsung kann die Einrichtung
so getroffen werden, daß der betreffenden Beschleun#igungs- oder Bremstlektrode
eine zweckmäßig ihr parallele Elektrode vorgelagert ist, die sich auf gleichem Potential
wie die ihr in Richtung Strahlungsquelle vorgelagerte Elektrode (Blende) befindet.
Es wird so ein feldfreier Raum zwischen den beiden letzteren Elektroden geschaffen
und die Beschleunigung bzw. Abbremsung auf einer verhältnismäßig kurzen Wegstrecke
bewirkt, mit dem Vorteil -der Vermeidung einer unerwünschten Ionisation von Restgasen.
Die Erfindung bietet eine weitere Möglichkeit, die darin besteht, die Ladungsträgergeschwindigkeit
der Eigenart des Objekts nicht im Sinn der Erhöhung, sondern im Sinn der Erniedrigung
allzupassen. Die Ladungsträgergeschwindigkeit kann erfindungsgemäß unmittelbar vor
dem Auftreffen auf das Objekt abgebremst werden, während danach eine Wiederbeschleunigung
stattfindet. Es kann die .,1"1)breinsung z. B. zum Zweck der Kontrasterhöhung oder
unter dem Gesichtspunkt gescheihen, abzubildende Lebewesen nur Ladungsträgerstrahlen
so geringer Geschwindigkeit auszusetzen, daß nicht die Gefahr ein-er Zerstörung
oder Abtötung besteht. Es kann zweckmäßig sein, zum letzteren Zweck die Geschwindigkeit
der Ladungsträger vor ihrem Auftreffen auf das Objekt auf einen sehr niedrigen Betrag
von beispielsweise einigen Hundert eV oder gegebenenfalls einigen eV (Ramsauer-Effekt)
herabzusetzen. Nach Auftreffen auf das vorhandene Ob-
jekt kann eine
Wiederbeschleunigung bewirkt werden, die dem Abbildungssystem (Objekt und Projektivlinse)
und dem Anzeigeorgan (Leuchtschirm, Photoplatte) angepaßt ist und vorzugsweise die
Elektronengeschwindigkeit ergibt, welche die Ladungsträger auf Grund der Beschleunigung
durch die Kathodenspannung erhalten. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
besteht darin, daß eine das Objekt tragende Elektrode als Bremselektrode dient und
sich unmittelbar vor dem Ob-
jekt strahlungsqueillenseitig ein Bremsraum und
unmittelbar hinter dein Objekt ein Beschleunigungsraum befindet.
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Als Leuchtschirm wird beim Erfindungsgegenstand zweckmäßig ein feinkörniger
Leuchtschirm verwendet, bei dem die D ickeder Leuchtstoff schicht so bemessen
bzw. die Dicke und Auftreffgeschwindigkeit der Elektronen derart aufeinander abgestimmt
sind, daß die Eindringtiefe der Ladungsträger im wesentlichen gleich der Schichtdicke
ist oder gegebenenfalls ein Mehrfaches, vorzugsweise das Dreifache derselben und
gegebenenfalls mehr beträgt.
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Zur weiteren Erläuterung -der Erfindung mögen die all Hand der Fig.
i bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele dienen, welche sich auf ein
Elek-
tronenmikroskop beziehen.
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In Fig. i ist mit i eine als Elektronenquelle dienende Glühkathode
bezeichnet, die in an sich bekannter Weise von, einer topfförinigen Hilfselektrode
i' (Wehnelt-Zylinder) umgeben ist, aus deren Stirnfläche durch die gezeichnete Öffnung
die Elektronen austreten können. Das Objekt ist mit 9
bezeichnet und an einer
als Blende ausgebildeten Elektrode 4 angebracht. Durch 12 ist die Achse des Ladungsträgerstrahles
angedeutet. Zwischen dem Objekt 9 bzw. der Elektrodc 4 und einem Leuchtschirrn
8 (oder Photoplatte) sind schematisch zwei Elektronenlinsen (Einzellinsen)
angedeutet, von denen dieeine, io, das Objektiv unddie andere, ii, das Projektiv
bilden mögen. Diese Linsen können elektrostatische Linsen, insbesondere drei Elekt,rodenlinsen
mit Mittelelektrode, oder magnetische bzw. elektromagnetische Linsen sein.
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Die Elektronen sollen von der Strahlungsquelle i aus mit einer gewünschten
hohen Geschwindigkeit auf das Objekt 9 auftreff en, um dieses bei verhältnismäßig
großer Dickc durchsöhlagen zu können. Die Elektronen müssen dementsprechend eine
hinreichend große Spannung zwischen der Kathode i und der Etektrode 4 durchlaufen.
In dem geschilderten Beispiel erfolgt die Beschleunigung der Elektronen in zwei
Stufen, und zwar zunächst zwischen der Strahlungsquefte i und,der Anode 2. Die Elektrode
2 ist an die Gefäßwandung und damit an den geerdeten Mittelpunkt einer Spannung
angeschlossen, deren negativer Pol mit der Kathode i verbunden ist, derart, daß
sich zwischen der Kathode i und der Elektrode 2 eine Potentialdifferenz von + 5o
kV befindet. Die Elektrode 4, (Zwischenbeschleunigungselektrode) ist an dernipositiven
Pol der erwähnten Spannung angeschlossen, so daß die Elektronen nochmals eine Spannung
von + 5o kV durchfallen. Um auf dem Wege der Elektronen zwischen den
Elektroden 2 und 4 die Gefahr der Ionisierung von Restgasen zu unterdrücken, ist
der Elektrode 4 eine Hilf selektrode in Form einer ihr parallelen Blende
3 vorgelagert und: auf das gleiche Potential wie die Anode 2 gelegt, so daß
zwischenden Elektroden, 2 und 3 ein praktisch feldfreier Raum vorhanden ist.
Es findet also eine Beschleunigung der Elektronen zwisdhen der Kathode i und der
Anode 2, und dann eine zusätzliche Be#-schleunigung zwischen. den Elektroden
3, 4 statt.
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Zwischen der Objektivlinse io und der Elektrode 4 ist in deren Nachbarschaft
eine blendenartige Elektrode 5 vorgesehen, welche im folgenden auch als B#r-erns-e#l-ekt#röde
bezeichnet wird. Sie ist auf das gleiche Potential wie die Elektrode 3 gebracht.
Es tritt daher in dem Bremsraum zwischen 4 und 5 eine dementsprechende Abbremsung
der durch das Objekt 9 hindurchgetretenen Elektronen ein. Diese durchsetzen
nunmefir die Objektivlinse io
und die Projektivlinse ii mit einer
auf 5o keV reduzierten Voltgeschwindigkeit und gelangen mit dieser auf den Leuchtschirm
8, obwohl das Durchschlagen des Objekts mit der hohen Voltgeschwindigkeit
von ioo keV erfolgen konnte. Zur Veranschaulichung ist der Beschleunigungsraum
3, 4 gekreuzt und schraffiert und der Bremsraum4, 5
einfach schraffiert.
Die beiden Räume liegen in diesem Beispiel unmittelbar zu den beiden Seiten der
das Objektg trag-enden Elektrode4, die auch von einem Teil eines Objekthalters gehildet
werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i können die Linsen io und ii
beide elektrostatisch oder beide magnetische Linsen sein, oder es kann die eine
der Linsen eine elektrostatische und,die andere eine magnetische sein. In der Fig.
2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, in. -,velchem als Objektivlinse
eine elektrostatische Linse vorgesehen ist. Einander entsprechende Teile sind mit
den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. i benannt.
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Nach dem Durchtritt durch das Objekt 9 gelang-en die Elektronen
in die elektrostatische Einzellinse, die von den Blenden 5 und
7 und der blendenförtnige#n Mittelelektrode 6 gebildet wird. Die Blenden
5 und 7 sind an den elektrischen Mittelpunkt der erwähnten Spannung
angeschlossen, während der Mittelelektrode 6 ein, Potential erteilt ist,
das gleich dem Kathodenpotential (-5o kV) ist bzw. davon abweicht und so-eingestellt
-,verden kann, daß die gewünschte Linsenspannung vorhanden ist. Die Abbremsung der
Elektronen nach dem Durchtritt durch das Objekt 9 findet in dem Raum zwischen
den Elektroden 4 und 5 statt. Die Elektronen gelangen daher mit der reduzierten
Geschwindigkeit in die Mektronenlinse 5, 6, 7. Eine Elektrode der Elektronenlinsc,
nämlich die Elektrode 5, dient also gleichzeitig als Bremselektrode.
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Eine andere Ausführungsmöglichkeit (Fig. 3) besteht darin,
daß auf die ElektrOde 4 zunächst beispielsweise eine magnetische Linse (Einzellinse)
13 als Objektiv folgt und dann im weiteren Strahlengang ein ElektrodensYstem
5", 6*, 7' entsprechend den Elektroden 5, 6-, le (Fig. 2) vorgesehen
ist. Die Elektrode 5' der z. B. als Projektivlinse dienenden elektrostatischen
Linsen 5', 6', 7' dient wiederum gleichzeitig als Bremselektrüde. Urn die
Abbremsung auf einer verhältnismäßig kurzen Wegstrecke zu ermöglichen und, dementsprechend
die unerwünschte Ionisierung von Restgasen zu vermeiden, kann der Bremselektrode
5' eine Elektrode in Form einer zu ihr parallelen Blende 4# vorgelagert sein,
so daß der gekreuzt schraffierte Raum zwischen 4' und 5' den Bremsraum darstellt
und die Elektronen aus diesem heraus mit der herabgesetzten Geschwindigkeit unmittelbar
in die elektrostatische Linse 5', 6', 7' und danach, gegebenenfalls nach
Passieren weiterer Einzellinsen, auf den Leuchtschirm 8 mit der herabgesetzten
Geschwindigkeit auftreffen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, daß bei einer Anordnung
nach Fig. 3 die elektrostatische Linse 5, 6, 7' in Fortfall kommt
und davon lediglich die Elektrode 5' als Bremselcktrode bzw. die Elektroden
5' und 4,* zur Bildung eines Bremsraumes beibehalten werden und nun gegebenenfalls
in Richtung auf den Leuchtschirm 8
z. B. eine magnetische Linse als Proj ektivlinse
folgt.
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Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Fall,
daß eine Abbremsung der La#dungsträger vor ihrem Auftreffen auf das Ob-
jekt
9 erfolgt und danach, und zwar vor Passieren der Linsen io, i i, eine Wiederhieschltunigung
der Ladungsträger bewirkt wird.
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Die das Objekt 9 tragende Elektrode 14 befindet sich auf einem
Potential gegenüber der Kathode i, das beispielsweise a-kV beträgt und dementsprechend
eine Abbremsung der aus der Anode 2 ausgetretenen Elektronen bewirkt. Der Elektrode
14 folgt die Elektrode 15, welche auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 2
liegt und folglich eine Wiederbeschleunigung in dein gekreuzt schraffierten Beschleunigungsraum
14, 15 bewirkt. Die Elektronen gelangen dann durch die Linsen (Einzellinsen) io,
i i auf den Leuchtschirm 8. Zur Schaffung eines Bremsraumes ist der Elektrode
14 die ihr parallele Elektrode 3 strahlungsquellenseitig vorgelagert, die
das gleiche Potential wie die Anode:2 besitzt.
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Handelt es sich um sehr empfindliche Lebewesen, wie z. B. Sporen,
Viren USW., so kann es, wie schon erwähnt, zweckmäßig sein, die Ladungsträger
vor ihrem Auftreffen auf das Objekt so stark abzubremsen, daß sie nur mit einer
Geschwindigkeit von einem bis einigen iooeV odereinigen keV auf das Objekt gelangen;
dementsprechend ist die Größe a zu wählen.
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Bei den gezeichneten Ausführungsbeispielen liegt der Leuchtschirm
8 auf Erdpotential (OKv).
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In Fällen, wo auf eine Erhöhung der Laidungsträgergeschwindigkeit
unmittelbar -eine, Herabsetzung derselben erfolgt (oder umgekehrt), können die betreffenden
Elektroden in geeigneter Weise baulich zusammengefaßt werden. So können z.B. die
auf gleichemPotential befindlichenElektroden3 und 5 (Fig. i) bzw. die Elektroden
3 und 15 (Fig. 4) zu einem Metallgehäuse ergänzt sein, in dessen Innerem
isoliert -die auf anderem Potential befindliche Elektrode 4 bzw. 14 angeordnet ist.
Diese Elektrodenanordnung kann eine bauliche Einheit bilden. Das gleiche gilt hinsichtlich
der Elektroden 3, 4, 5 in Fig. .2. In diesem Fall (Fig. 2) oder ähnlichen
Fällen können auch die Elektroden. der Einzellinse 5, 6, 7 mit zu
der baulichen Einheit vereinigt sein. Es können beispielsweise die Elektroden
3 und 7 zu einem zylindfrischen Metallgehäuse ergänzt sein, in welchem
sich die Elektrode 4 (auch Gehäusepotential) und ferner zu ihren beiden Seiten die
Elektroden 4 und 6 befinden (+ 5o kV
bzw. - 5o
kV).
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, eine Einrichtung zur Erhöhung oder
Herabsetzung derLadungsträgergeschwindigkeit, insbesondere eine Einrichtung zur
Zwischenbeschleunigung und unmittelbar nachfolgenden -,#,bbremsilng (3, 4,
5 in Fig. i)
oder zur Abbremsung und unmittelbar nachfolgenden
Wiederheschleunigung (3, i4i, 15 in Fig.4) als Zusatzeinrichtung auszubilden,
zweckmäßig als Säulenteil, der in die Mikroskopsäule ein-es vorhandenen Gerätes
einsetzbar bzw. gegen einen dort vorhandenen Säulenteil auswechselbar ist. Die Zusatzeinrichtung
bzw. der entsprechende Säulenteil kann auch eine Linse enthalten, wie beispielsweise
die elektrostatische Dreielektrodenlinse 5, 6, 7 (Fig. 2). Auf diese Weise
können b##-reits vorhandene Geräte im Sinn des Erfindungsgegenstandes umgestellt
werden, z. B. auf das Arbeiten mit der Zwischenbeschleunigung und Abbremsung. Andererseits
besteht die Möglichkeit, Geräte wahlweise ohne oder mit einer derartigen Einrichtung
zu benutzen.