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Anordnung zum Beeinflussen des Charakters von Elektronenstrahlen durch
elektrostatisch aufgeladene Doppelblenden Wenn man elektrisch positive oder negative
Strahlen, z. B. Elektronenstrahlen oder Protonenstrahlen, durch elektrostatische
Felder im Sinne optischer Linsen so beeinflussen will, daß sich gemäß Fig. i der
Zeichnung ein Brennpunkt P ergibt, so muß die auf die Strahlen einwirkende, zur
Achse z des Strahlenbündels gerichtete Ablenkkraft proportional dem Abstand r von
der Achse des Strahlenbündels sein und das Feld axial.symmetrisch verlaufen. Verwendet
man zur Erzeugung eines derartigen Feldes eine axialsym@metrische, elektrostatisch
geladene Blende, so wird dieses Ziel nur angenähert erreicht. Das Feld einer derartigen
Blende hat etwa den in Fig. 2 angedeuteten Verlauf. Das Feld erstreckt sich ins
Unendliche. Die Kraftlinien laufen von der Blende b aus: zuerst zusammen, dann aber
entfernen sie sich wieder voneinander. Infolgedessen ist die für die Ablenkung maßgebende
Feldstärke (bei einer Konvergenzlinse) im Innern der Blende zur Achse des Strahlenbündels
in einiger Entfernung von der Blende, aber von -der Achse weg gerichtet. Für einen
Einzelpol kann z. B. die Feldstärke den aus Fig. 3 ersichtlichen Verlauf haben.
An der Stelle B der Blende
besteht das Maximum der Feldstärke. Seitlich
davon treten andere Feldstärken auf, die entgegengesetzt wie das Maximum gerichtet
sind.
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Diese Erstreckung des Blendenfeldes ins Unendliche hat die Wirkung,
daß ein exakter Brennpunkt und eine Konvergenz oder Divergenz der Strahlen mit geradlinigem
Strahlenverlauf nicht erzielt werden können. Es ergaben sich vielmehr andere, ziemlich
verwickelte Strahlengänge. Eine Möglichkeit ist z. B. durch Fig. ,4 wiedergegeben.
Zwei gleich weit, aber in entgegengesetzter Richtung von der Achse z entfernte Strahlen
werden durch das Feld der Blende zunächst zur Konvergenz gebracht. Es entstehen
aber zwei oder mehrereBrennpunkte, und schließlich verlaufen die Strahlen wieder
einander parallel. Eine exakte Vergrößerung läßt sich demnach in diesem Fall nicht
erzielen.
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Das Patent 889 66o betrifft eine Anordnung zur Beeinflussung des Verlaufs
von Elektronenstrahlen durch elektrisch geladene Feldblenden, die den freien Strahl
symmetrisch umgeben und die zum Zweck einer elektronenoptischen Linsenwirkung ein
radiales elektrisches Feld erzeugen, dessen Stärke proportional zum Achsenabstand
ist. Dabei ist die eine Elektronenlinse darstellende Feldblendenanordnung aus mehreren
auf verschiedene Potentiale aufgeladenen Teilblenden zusammengesetzt, die auf eine
gemeinsame, vom Strahlenbündel durchsetzte Zone einwirken, mit ihren Öffnungen jedoch
in auf der Strahlachse nebeneinander angeordneten Strahlquerschnittsebenen liegen.
Durch. diese Anordnung lassen sich die obenerwähnten Schwierigkeiten verringern.
Insbesondere läßt sich dadurch auch erreichen, daß das Feld des Dipols im wesentlichen
nur in der Nähe der Doppelblende wirksam ist, sich aber nicht mehr ins Unendliche
erstreckt. Nach dem vorliegenden Vorschlag ist dabei die Ladung beider Teilblenden
einander entgegengesetzt gleich. Die in Fig. 5 mit + bezeichnete Außenblende hat
also dasselbe, aber entgegengesetzt gerichtete Potential wie die mit - bezeichnete
Innenblende. -jede Teilblende erzeugt ein Feld, das durch die in Fig. 6 angegebenen
Kurven gekennzeichnet ist. Diese Figur zeigt die von jedem Einzelpol erzeugte Feldstärke
in einem bestimmten Abstand r von der Blendenachse. Der Verlauf der Feldstärke ist
für beide Einzelpole ähnlich, jedoch ist im Blendeninnern die Feldstärke der innenliegenden
negativen Blende wegen des kleineren Abstandes der Blende größer als die von der
positiven Außenblende erzeugte Feldstärke. Je weiter man sich längs der Achse n
von der Doppelblende entfernt, um so geringer wird der Unterschied der von den beiden
Einzelpolen erzeugten Feldstärken. In einiger Entfernung von der Doppelblende lieben
sich die Feldstärken beider Teilblenden vollständig auf. Der Dipol ergibt also lediglich
in seiner Nähe ein Divergenzfeld, das durch den in Fig. 7 angegebenen Verlauf der
Feldstärke charakterisiert ist. Diese Feldstärke ist im -wesentlichen proportional
dem Abstand von der Blenden- oder Bündelachse. Sie erstreckt sich nicht ins Unendliche.
Auf diese Weise läßt sich also der ideale Strahlengang nach Fig. i mit ausreichender
Genauigkeit verwirklichen. Die Begrenzung des Feldes auf die unmittelbare Nachbarschaft
des Dipols hat ferner eine verhältnismäßig große Unempfindlichkeit gegen äußere
Störungen zur Folge.
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In Fg. 8 sind verschiedene Ausführungsformen von Dipolblenden nach
der Erfindung dargestellt. Mit r, ist eine Blendenanordnung bezeichnet, die aus
einer mittleren und zwei entgegengesetzt geladenen außenliegenden Teilblenden besteht.
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Durch b und c sind Blenden wiedergegeben, bei denen sich eine Teilblende
axial über die entgegengesetzt geladene Teilblende hinaus erstreckt. Dadurch wird
eine Abschirmung der schmäleren Blende erzielt. Eine noch vollkommenere Abschirmung
erhält man durch eine Anordnung nach Art der durch d und e wiedergegebenen. Für
die Erzeugung einer Konvergenz muß der innere Ring des Dipols gleichsinnig mit dem
Vorzeichen der Strahlung sein. Bei Divergenzlinsen muß der innere Ring dem Vorzeichen
der Strahlung entgegengesetzt geladen sein, Um Verzerrungen des axialsymmetrischen
Feldes zu vermeiden, empfiehlt es sich, auch die Zuleitungen zu den Teilblenden
abzuschirmen, gegebenenfalls durch genullte Mäntel. Die Brennweite einer Anordnung
nach der Erfindung ist lediglich durch die Dimensionen des Dipolringes und durch
den Potentialunterschied seiner Teilblenden bestimmt. Durch Ändern des Potentialunterschiedes
kann die Brennweite beliebig geregelt werden. Ferner kann man den Teilblenden eine
gemeinsame zusätzliche Ladung geben, um dadurch ein in axialer Richtung wirkendes
Beschleunigungs- oder Verzögerungsfeld zu erzeugen. Die Blenden können naturgemäß
auch gleichzeitig als Anode oder Kathode verwendet werden. Ein zusätzliches Beschleunigungs-
oder Verzögerungsfeld ergibt sich auch durch ein axiales Gegeneinanderversetzen-von
Teilblenden mit unterschiedlichem Durchmesser.
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Zur Erläuterung einer praktischen Anwendung der Erfindung ist in Fig.
9 ein Elektronenmikroskop mit optischer Kaskade dargestellt. Die Erzeugung und Beeinflussung
des Elektronenstrahls erfolgt in einem dreiteiligen Gehäuse. Der Teil i erhält Hochvakuum
und die Mittel zur Erzeugung eines gerichteten Elektronenstrahles. Der Gehäuseteil
:2 nimm das zu untersuchende Objekt auf. In ihm kann sich ein niedriges Vakuum befinden.
Im Gehäuseteil 3 erfolgt die Beeinflussung des Elektronenstrahles in der Weise,
daß ein vergrößertes Abbild des zu untersuchenden Objektes erzielt wird. Im Gehäuse
3 herrscht Hochvakuum.
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Mit d. ist eine Glühkathode bezeichnet. 5, 6 und 7 sind die Mittel
zur Erzeugung elektrostatischer Felder. Die Anordnung 7 besteht aus einem Dipol
gemäß der Erfindung. Der Raum i ist zurr Objekt 8 hin durch ein Lenard-Fenster 9
abgeschlossen. Der Hochvakuumraum 3 ist ebenfalls durch ein Fenster io verschlossen,
durch das die das Objekt durchdringenden
Elektronenstrahlen in
den Bereich der die Vergrößerung bewirkenden Felder gelangen. Mit Hilfe einer Magnetspule
11 wird bei 12 ein reelles vergrößertes Bild des Objektes 8 erzeugt. Bei 13 befindet
sich ein Dipol, der etwa Fig. 8e entspricht und bei 1q. auf einem Leuchtschirm ein
vergrößertes Abbild des reellen Bildes 12 erzeugt. Das auf dem Leuchtschirm, z.
B. einem Leuchtkristall, erscheinende reelle Bild 1q. wird durch ein optisches Mikroskop
15 weiter vergrößert.
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Das durch Fig. 9 wiedergegebene Anwendungsbeispiel läßt erkennen,
daß sich Dipolblenden nach der Erfindung sowohl als Kondensator zur Beleuchtung
des Objektes als auch zur Vergrößerungslinse verwenden lassen, ferner daß die Dipole
ohne weiteres in Kombination mit anders beschaffenen elektrostatischen Dipolen e
auch in Kombination mit elektromagnetischen Feldern benutzt werden können.