DE948799C - Magnetische Elektronenlinse mit einem in Achsrichtung verschiebbaren Polschuh - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 6. SEPTEMBER 1956

N 7714 VIII c 121g

Die Erfindung bezieht, sich auf eine magnetische Elektronenlinse, die in Elektronenmikroskopen und ähnlichen Geräten Verwendung findet. Sie schafft ein Mittel, durch welches die Vergrößerung der Linse auf schnelle und einfache Weise geregelt und gleichzeitig gewisse Linsenfehler vermieden werden können.

Die Vergrößerung der magnetischen Elektronenlinse wird meist durch Regelung der Stärke des Erregungsstroms der Linse verändert. Auch werden auswechselbare Polschuhe mit verschiedener Bohrung verwendet, oder der Polabstand wird durch Anbringen eines anderen Distanzstücks zwischen den Polschuhen geändert.

Für diese baulichen Änderungen der Linse muß die Entladungsstrecke jedesmal aufs neue luftleer gemacht werden, es sei denn, daß man auf eine verwickelte Konstruktion übergeht und eine Anzahl von Polschuhen im Vakuum anordnet, die durch einen von außen her zu betätigenden Mechanismus wahlweise an die für die Verwendung bestimmte Stelle geführt werden können.

Der regelbaren magnetischen Elektronenlinse der vorliegenden Bauart haften diese Nachteile nicht an. Das Verfahren zum Regem dieser Linse ist nicht weniger einfach als das mittels des Erregungsstroms und bietet gegenüber letzterem einen Vorteil, der im nachfolgenden näher erläutert wird. Außerdem ist es für Linsen geeignet, die mittels eines Dauermagnetsystems erregt werden. Es ist auch bereits bekannt, bei einer magnetischen Linse für Korpuskularstrahlapparate die Linsenbrennweite mit einer außerhalb des Vakuumraumes liegenden Vorrichtung durch die mechanische Verstellung eines Polschuhs oder eines

Polschuhteiles zu regeln. Es ist außerdem schon bekannt, bei einer magnetischen Elektronenlinse in der Achsenrichtung unter Vakuum verschiebbar angeordnete Polschüheinsätze vorzusehen, mittels derer die jeweils wirksame Polschuhform veränderbar ist. Wenn derartige verstellbare Polschuhanordnuhgen außerhalb des Vakuumraumes angeordnete Bewegungsvorrichtungen aufweisen, ist eine Beschränkung des Vakuumraumes wesentlich für einen einfachen vakuumdichten to Abschluß der Verstellvorrichtungen.

Die vorliegende Anordnung löst dadurch diese Aufgabe, daß bei einer magnetischen Elektronenlinse, bei der mit einer außerhalb des Vakuumraumes hegenden Vorrichtung einer der Polschuhe gegenüber dem anderen oder beide gleichzeitig in der Achsenrichtung verschiebbar sind, erfindungsgemäß der Vakuumraum innerhalb des verschiebbaren Polschuhes bzw. der verschiebbaren Polschuhe durch in der Bohrung des Polschuhes bzw. der Polschuhe angebrachte Röhrchen begrenzt sind.

Die Mittel zum Durchführen dieser Verschiebung und zum Fixieren der Polschuhe nach der Verschiebung hegen auch außerhalb des Vaküumraumes, von dem die Entladungsstrecke einen Teil bildet. Die Verschiebbarkeit des Magnetsystems auf diese Weise ist mechanisch viel leichter durchführbar als eine Auswechselbarkeit von Teilen, die eine zur Achse senkrechte Verschiebung notwendig macht.

Bekannt ist ferner ein Verfahren zum Einstellen des Abstandes zwischen der Anode und der Kathode einer Röntgenröhre. Die Anode ist zu diesem Zweck in einem das Vakuum abschließenden, dünnwandigen Rohr mit Wellenwandung befestigt, die etwas zusammengedrückt oder ausgedehnt werden kann. Dieses Verfahren kann zum Ändern des Polabstandes in einer magnetischen Elektronenlinse der vorhegenden Art verwendet werden.

Eine mathematische Behandlung der Bewegung der Elektronen im drehsymmetrischen Magnetfeld der Elektronenlinse zeigt, daß die Stärke der Magnetlinse dem Quadrat der Amperewindungszahl AW nach Teilung durch die Beschleunigungsspannung U proportional ist. Diesem Umstand hegt die Regelung der Linsenstärke durch Änderung des Erregungsstromes zugrunde. Die Beziehung zwischen der Linsenstärke

und dem Quotienten —=r- ist aber in Wirklichkeit nicht linear. Es ergibt sich, daß bei Zunahme des

Wertes von --=— die Brennweite f nicht immer kleiner υ

wird, sondern nach einer anfänglichen Zunahme des Wertes — (d ist die Linsenöffnung) wieder abzunehmen

anfängt. Dies läßt sich wie folgt erklären.

Bei Betrachtung der Elektronenbahn im Magnetfeld der Linse ergibt sich, daß die Bahn immer in Richtung der Achse gekrümmt ist. Ist die Komponente, des Geschwindigkeitsfaktors des Elektrons senkrecht zur Achse ursprünglich von der Achse hergerichtet, so wird sie kleiner, um so ferner sich das Elektron bewegt, und wird die entgegengesetzte Richtung annehmen, wenn sich das Feld weit genug erstreckt. Die Elektronenbahn nähert sich dann der Achse, die sie schließlich schneidet, und zwar schneller, um so höher der Wert

ist. Läßt man diesen Wert so stark zunehmen, **

AW²

daß der Schnittpunkt der Elektronenbahn mit der Achse noch innerhalb des Feldes zu liegen kommt, so biegt der letzte Teil des Feldes die Bahn wieder zurück, und die Linse wird daher schwächer, als wenn sich das Magnetfeld nicht nach dem erwähnten Schnittpunkt fortsetzen würde.

d AW²

Die den Wert von — als Funktion von —jj— darstellende Kurve weist daher ein Maximum auf. Es ist zweckmäßig, die Linse immer derart zu erregen, daß sie in diesem Maximum wirkt, da kleine Änderungen in der Stärke des Erregungsstroms der Linse oder in der Beschleunigungsspannung der Elektronen dann die Stärke der Linse nicht merklich beeinflussen, mit anderen Worten, die Linse dann keinen chromatischen Vergrößerungsfehler aufweist. Dasselbe gilt hinsichtlich des Fehlers, die als Verzerrung (nicht mit ungleicher Bilddrehung zu verwechseln) angedeutet wird. In diesem Falle ist aber eine Regelung der Linsenstärke durch (starke) Änderung des Erregungsstroms nicht möglich, ohne die Linse wieder für zufällige Spannungs- oder Stromänderungen empfindlich zu machen.

Bei Betrachtung mehrerer Linsen mit verschiedenen Verhältnissen zwischen dem Polabstand und dem Durchmesser der Bohrung ergibt sich, daß der Wert

——, bei dem die obenerwähnte Kurve ein Maximum

aufweist, nahezu für sämtliche Linsen gleich ist. Die vorhegende Anordnung macht von dieser Erscheinung Gebrauch. Wird von einer im Maximum der Kurve arbeitenden Luise ausgegangen und wird zur Herab-

AW*

Setzung der Linsenstärke A W und folglich —■=— geändert, so werden Linsenfehler eingeleitet. Bleibt

AW²

gleich und wird der Polabstand geändert,

so tritt dieser Nachteil nicht oder in viel geringerem Maße auf.

Eine Änderung der Bilddrehung, die bei kleiner Änderung der Beschleunigungsspannung bzw. des Erregungsstroms auftritt, kann dadurch ausgeglichen werden, daß dem Magnetfeld der verschiedenen von den Elektronen nacheinander durchlaufenen Linsen no entgegengesetzte Richtungen gegeben werden. Diese Linsen werden vorzugsweise von demselben Strom erregt, so daß Änderungen dieses Stromes die beiden Linsen in gleichem Maße beeinflussen.

Die vorliegende Anordnung ist an erster Stelle bei der Projektionslinse eines Elektronenmikroskops anwendbar. Ein hierbei auftretender Vorteil ist, daß der Erregungsstrom für die Projektionslinse nur einmalig eingestellt zu werden braucht. Dieser Strom kann jeweils gleichzeitig mit der Inbetriebsetzung der Pump- iao anlage eingeschaltet werden, so daß die Spulen ihre Arbeitstemperatur bereits während der Entlüftung der Entladungsstrecke annehmen und eine Änderung des Widerstandes durch Heizung nachher nicht mehr aufritt. Wenn das Mikroskop mit einem Objektiv mit geringer chromatischer Aberration versehen ist, wie

ζ. B. der Art, die in dem deutschen Patent 918 464 beschrieben würde, so sind Mittel zum Stabilisieren des Erregungsstromes und der Beschleunigungsspannung entbehrlich.

Die Änderung des Polabstandes bei der Linse der vorliegenden Bauart kann dadurch erfolgen, daß ein Polschuh fest und der andere verschiebbar angeordnet wird, aber auch durch Verschiebung der beiden Polschuhe gleichzeitig. Ersteres ist am einfachsten verwirklichbar. Ein Beispiel einer auf diese Weise eingerichteten Elektronenlinse nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der diese Linse in einem Durchschnitt mit einer durch die Achse gehenden Ebene schematisch dargestellt ist.

In der Figur ist mit 1 ein Teil eines Stahlrohres bezeichnet, das den Körper eines Elektronenmikroskops oder eines Elektronenbringungsgerätes darstellt, und zwar derjenige Teil, der die Projektionslinse umfaßt. Zur Projektionslinse gehören die Polschuhe 2 und 3.

Der fest angebrachte Polschuh 2 hat eine Bohrung d_z von 4 mm. Der Polschuh 3 ist in Richtung der Achse 4 verschiebbar. Dieser Polschuh hat eine Bohrung d₃ von 8 mm. Durch letztere Bohrung erstreckt sich ein Messingröhrchen 5, das die Wand des Vakuumraumes bildet, durch den sich die Elektronen fortpflanzen.

Der Polschuh ist von einem Spulenkasten 6 umgeben, in dem eine Magnetwicklung 7 angebracht ist. Letztere dient zum Magnetisieren der Polschuhe, und zwar in der Weise, daß sie entgegengesetzte magnetische Polarität erhalten. Der magnetische Kraftfluß im Eisen läuft von dem Polschuh 3 durch die an diesem befestigte Platte 8, einen Teil, des Rohres 1 und durch eine Zwischenwand 9 dieses Rohres, welche einen trichterförmigen Vorsprung 10 aufweist, in dem der Polschuh 2 befestigt ist.

An die Platte 8 schließt sich senkrecht dazu ein zylindrischer Körper 11 an, der längs der Innenwand, des Rohres 1 gleiten kann. Dieses Rohr ist bei 12 mit äußerem Schraubengewinde versehen, über welches eine Mutter 13 läuft. An der Platte 8 ist ein Mitnehmer in Form einer Zunge 14 befestigt, die durch einen Schlitz 15 im Rohr 1 nach außen vorspringt. Das Außenende dieser Zunge liegt in einer umlaufenden Nut 16 der Mutter 13. Durch Drehung der Mutter wird die Zunge 14 durch den Schlitz 15 bewegt und folglich der Polschuh 2 in Richtung der Achse verschoben, ohne daß er sich um diese Achse dreht. Da der Mitnehmer sich gegenüber der Mutter nicht in der Achsenrichtung verschieben kann, ist der Polschuh in jeder Lage fixiert. Der Polabstand kann auf diese Weise zwischen etwa 3 und 20 mm geändert werden, so daß jede gewünschte Vergrößerung zwischen zwei Grenzwerten gewählt werden kann, von denen einer etwa ein Fünffaches des anderen beträgt.

5S Das Röhrchen 5, das von links durch einen nicht mehr in der Zeichnung liegenden Teil angedrückt wird, läuft in einen Flansch 17 aus. Ein Gummiring 18 liegt in der Höhlung, die von dem Flansch, der Innenwand des Spulenkastens 6 und der konischen Endfläche des Vorsprungs 10 gebildet wird. Der Ring wird zwischen 17 und 10 zusammengekniffen, so daß er gegen die Wand des Spulenkastens drückt und folglich ein Hineinströmen von Umgebungsluft längs des Flansches in den Vakuumraum im Röhrchen 5 und im Polschuh 2 verhütet.

Der Dichtungsring ist entbehrlich, wenn das Röhrchen mit dem Polschuh 2 aus einem Stück ferromagnetischen Materials besteht. Das Röhrchen muß aber eine so geringe Wandstärke haben, daß es bei Verwendung der Linse stark magnetisch gesättigt ist, so daß es den Vakuumraum zwischen den Polschuhen nichtmagnetisch abschirmt.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Magnetische Elektronenlinse, bei der mit einer außerhalb des Vakuumraumes liegenden Vorrichtung einer der Polschuhe gegenüber dem anderen oder beide gleichzeitig in der Achsenrichtung verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumraum innerhalb des verschiebbaren Polschuhs bzw. der verschiebbaren Polschuhe durch in der Bohrung des Polschuhs.bzw. der Polschühe angebrachte Röhrchen begrenzt ist.

2. Magnetische Elektronenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen bei nur einem verschiebbaren Polschuh mit dem anderen (fest angeordneten) Polschuh unter luftdichtem Abschluß des von ihm begrenzten Vakuumraumes verbunden ist.

3. Magnetische Elektronenlinse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen aus einem Material mit geringer magnetischer Permeabilität besteht.

4. Magnetische Elektronenlinse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen mit dem fest angeordneten Polschuh aus einem Stück ferromagnetischen Materials besteht und eine so dünne Wand hat, daß es bei der Benutzung der Linse stark magnetisch gesättigt ist.

5. Magnetische Elektronenlinse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Rohr mit äußerem Schraubengewinde angeordnet ist, über welches eine Mutter mit einer umlaufenden Nut läuft, in die ein durch einen Längsschlitz des Rohrs reichender und mit dem verschiebbaren Polschuh verbundener Mitnehmer greift.

6. Magnetische Elektronenlinse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch •gekennzeichnet, daß sie zu dem Wert erregt ist, bei dem die Brennweite minimal ist.

7. Elektronenmikroskop oder ähnliches Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer magnetischen Elektronenlinse nach Anspruch 5 versehen ist und Vorrichtungen zur genauen Stabilisierung der Beschleunigungsspannung und/oder des Erregungsstromes der Linse fehlen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 898 217; Auszüge deut- iao scher Patentanmeldungen Volumen 5, S 661, S159 914 VIIIc.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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