EP0554814B1

EP0554814B1 - Elektrostatischer Deflektor mit allgemein zylindrischer Grundform

Info

Publication number: EP0554814B1
Application number: EP93101475A
Authority: EP
Inventors: Harald Prof. Ibach; Dieter Bruchmann; Sieghart Dr. Lehwald
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1992-02-03
Filing date: 1993-01-30
Publication date: 2001-06-20
Anticipated expiration: 2013-01-30
Also published as: US5357107A; DE4239866A1; DE59310175D1; EP0554814A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrostatischen Deflektor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Zur Energieselektion geladener Teilchen, wie z.B. von Elektronen, werden vorzugsweise elektrostatische Ablenksysteme eingesetzt. Ihre Wirkungsweise beruht auf der unterschiedlichen Ablenkung von Teilchen verschiedener Energie und der dadurch ermöglichten Ausblendung von Teilchen unerwünschter Energie. Als vorteilhafte elektrostatische Energiefilter haben vor allem der Zylinderspiegel, der sphärische Deflektor und der zylindrische Deflektor in der Technik weite Verbreitung gefunden, obwohl grundsätzlich auch ebene Ablenkplatten vorgesehen werden können. Theoretisch wurde auch der toroidale Deflektor untersucht (Hermann Wollnik, Optics of Charged Particles, S. 119ff, Academic Press, Orlando, 1987).

Alle vorstehend genannten Energiefilter zeichnen sich bei geeigneter Dimensionierung durch Winkelfokussierung mindestens erster Ordnung in den Energiedispersionsebenen aus. Je nach gewählter Geometrie des Filters bilden diese Dispersionsebenen eine Schar von Ebenen, die parallel zueinander, wie beim zylindrischen Deflektor, oder zueinander geneigt sind, wie beim toroidalen und sphärischen Deflektor oder beim Zylinderspiegel. Der sphärische Deflektor und der Zylinderspiegel weisen die besonders vorteilhafte stigmatische Fokussierung auf.

Die Winkelfokussierung erlaubt den fokussierenden Transport von geladenen Teilchen aus einem von Null verschiedenen Raumwinkel durch das Energiefilter. Die Größe des verarbeitbaren Raumwinkels ist aber begrenzt durch Bildfehler, insbesondere Winkelfehler. Diese führen dazu, daß sich die Energiefilterwirkung bei Beaufschlagung mit Teilchen aus einem größeren Raumwinkelbereich verschlechtert. In der Regel muß deshalb der erfaßte Raumwinkel durch Aperturen begrenzt werden. In Analogie zur Lichtoptik kann man auch von einer Begrenzung der Lichtstärke durch die Bildfehler sprechen.

Für zylindrische, toroidale und sphärische Deflektoren ist der kleinste nichtverschwindende Winkelfehler in der Dispersionsebene von zweiter Ordnung im Winkel, wohingegen für den Zylinderspiegel bei geeigneter Auslegung ein Winkelfehler erst in dritter Ordnung auftritt. Bezüglich des Winkelfehlers ist also der Zylinderspiegel günstiger zu bewerten als die Deflektoren. Andererseits erlauben Deflektoren die Verwendung von Ein- und Ausgangsspalten, wobei die Energiefilterwirkung in erster Näherung unabhängig von der Spalthöhe ist. Beim Zylinderspiegel hingegen müssen radialsymmetrische Lochblenden als Ein- bzw. Ausgangsspalte verwendet werden. Je nach Anwendungsbereich wird daher entweder Zylinderspiegeln oder Deflektoren der Vorzug gegeben.

Patent Abstracts of Japan, Bd. 10, Nr. 363 (E-461) (2420), 5. Dez. 1986; JP-A-61 161 645, offenbart einen elektrostatischen Deflektor mit zwei Hauptablenkplatten und zwei stirnseitigen Deckelplatten auf repulsivem Potential. Die Hauptablenkplatten sind entsprechend zwei parallelen Zylinderflächen-Sektoren mit konstantem Radius angeordnet, die eine Teilchenbahn seitlich begrenzen. Der durch Gestalt der Hauptablenkplatten konstruktionsbedingte Winkelfehler ist unbefriedigend.

Für den sog. elektrostatischen Toroidkondensator mit allgemein zylindrischer Grundform wurde daher bereits eine Korrektur des Winkelfehlers zweiter Ordnung in den Dispersionsebenen durch geeignete gegenläufige Krümmung der Hauptablenkplatten senkrecht zu den Dispersionsebenen vorgesehen (DE-PS 26 20 877). Bei dieser Anordnung wird eine axiale Krümmung des Potentialverlaufs im Bereich des Mittelstrahls ausgeschlossen (Re = ∞). Dies bedeutet, daß der beschriebene Deflektor für ein Strahlenbündel um den Mittelstrahl keine fokussierende Wirkung senkrecht zur Dispersionsebene hat. Der Nachteil dieses Konzepts besteht also in einer Begrenzung des nutzbaren Raumwinkels, insbesondere bleibt der Mangel nichtstigmatischer Fokussierung wie beim bekannten Toroiddeflektor oder zylindrischen Deflektor erhalten.

Eine Übertragung der beschriebenen Möglichkeit, den Winkelfehler zu eliminieren, auf den sphärischen Deflektor, würde zum Verlust der stigmatischen Fokussierung bei diesem Typ führen, da die stigmatische Fokussierung des sphärischen Deflektors aus der sphärischen Symmetrie desselben resultiert, wohingegen eine sinngemäße Übertragung der beschriebenen Anordnung auf denselben eben eine Abweichung von der sphärischen Symmetrie und damit den Verlust der stigmatischen Fokussierung mit sich bringen würde.

Aus Soviet Physics Technical Physics, Bd. 35, Nr. 2, Feb. 1990, New York, USA, Seiten 218 -221, ist ein Deflektor bekannt mit zwei und drei seitlichen Hauptablenkplatten sowie zwei stirnseitigen Deckelplatten. Es sind Berechnungsmodelle für die seitlichen Hauptablenkplatten offenbart. Über die Funktion und Wirkungsweise der stirnseitigen Deckelplatten enthält die Druckschrift keine Information.

Aus Journal of Physics E. Scientific Instruments, Bd. 12, 1979, Bristol, GB, Seiten 1006 - 1012, ist ein elektrostatischer Deflektor in der aus JP-A-61 161 645 (s. o.) bekanten Gestalt, verbunden mit dengleichen Nachteilen.

In J. Phys. E.: Sci. Instrum., Band 14, 1981, Seiten 325 - 329, wird eine elektrostatische Linse bestehend aus sechs Elektroden mit zylindrischer Symmetrie offenbart.

Aus US-A-4 959 544, DE-A-2 848 538 und JP-A-57-194446 sind Deflektoren mit Krümmungen von Blenden und Spalten bekannt.

Aus US-A- 3 710 103 ist ein Elektronenspektrometer mit einem Verzögerungsgitter bekannt.

Das Ziel der Erfindung ist, einen elektrostatischen Deflektor zu schaffen, dessen Energiefilterwirkung unter stigmatischer Fokussierung und zumindest zweiter Ordnung verschwindendem Winkelfehler in wenigstens einer Dispersionsebene in einfacher Weise an die Beschaffenheit eines Teilchenstrahls angepaßt werden kann.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das Ablenkfeld kann in der Dispersionsebene beiderseits des Mittelstrahls durch eine Unterteilung der Hauptablenkplatten senkrecht zur Zylinderachse in wenigstens drei Abschnitte zunehmend abgeschwächt werden, wobei die auf unterschiedliches Potontial gebrachten Abschnitte für einen entsprechenden Verlauf des Ablenkfeldes sorgen.

Für die Abschwächung kann kumulativ eine bikonvexe Krümmung bzw. "Ausbauchung" der allgemein zylindrischen Hauptablenkplatten (die nachfolgend als "Hauptablenkplatten" bezeichnet werden) in der rz-Richtung vorgesehen werden.

Im nachfolgenden Text werden die beiden Hauptablenkplatten - auch wenn sie in mehrere "Plattenstücke" zerteilt sind- der Einfachheit halber als "zwei Hauptablenkplatten" bezeichnet.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 3 bis 8.

Die stirnseitigen Deckelplatten sollen vorzugsweise einen zu einer stigmatischen Fokussierung der geladenen Teilchen führenden Durchgriff des Feldes auf den Mittelstrahl ermöglichen.

Dies wird erreicht durch einen mittleren Radialabstand zwischen den Hauptablenkplatten, der zumindest gleich dem halben Abstand zwischen den stirnseitigen Deckelplatten und so bemessen ist, daß bei Beaufschlagung der stirnseitigen Deckelplatten mit einem Potential geeigneter Stärke eine näherungweise sphärische Krümmung der Äquipotentialflächen um den Mittelstrahl resultiert.

Erfindungsgemäß wird die Krümmung der Äquipotentialflächen innerhalb des Deflektors im wesentlichen unter Verwendung der vier Ablenkplatten durch einen zumindest teilweisen Raumabschluß bei ausreichendem Felddurchgriff auf den Bereich des Mittelstrahls erreicht. Dabei wird die im allgemeinen geometrisch einfache Grundform der Ablenkplatten derart verändert, daß sich unter Erhaltung der Winkelfehler-Eliminierung in der Dispersionsebene eine Fokussierung senkrecht zur Dispersionsebene oder sogar eine stigmatische Fokussierung ergibt.

Die Gestalt der stirnseitigen Deckelplatten ist der Funktion entsprechend beliebig wählbar; besonders übersichtlich ist eine ebene und parallele Ausführung derselben.

Der resultierende Deflektor, der zur Erleichterung des Verständnisses als von allgemein zylindrischer Grundform definiert ist, bildet mithin einen mit vier Platten arbeitenden Deflektortyp, der nicht eigentlich einer der eingangs genannten sphärischen, zylindrischen oder toroidalen Deflektorformen zuzuordnen ist.

Eine optimale Wirkungsweise (Fokussierung und Lichtstärke) desselben ergibt sich durch zielgerichtete Abstimmung der Einflußgrößen

Verhältnis des Radialabstandes der Hauptablenkplatten zum Abstand der stirnseitigen Deckelplatten;
Form der Ausbauchung der Hauptablenkplatten und/oder Plattenunterteilung und Potentialbeaufschlagung derselben;
Abstand der Hauptablenkplatten im Verhältnis zum Plattenradius;
Größe der Lücke zwischen den Hauptablenkplatten und den stirnseitigen Deckelplatten.

Eine solche Optimierung kann durch entsprechende Berechnung des Feldverlaufs mit Variation und Anpassung der Einflußgrößen mit einem Rechenprogramm erzielt werden, das als Variable auch den im allgemeinen im Bereich von 100° bis 150° liegenden Ablenkwinkels des Deflektors umfaßt. Dieser Winkel wird bei der Optimierung so variiert, daß die gewünschte Fokussierung in der Radialebene am Ausgang des Deflektors erreicht wird.

Zwar wurde bereits von K. Ost (J. Phys. E: Schi. Instr. 12 (1979) S. 1006 ff.) erörtert, daß eine stigmatische Fokussierung auch unter Verwendung nicht-sphärischer Ablenkplatten erreicht werden kann, wenn diese durch ein Paar stirnseitiger Deckelplatten parallel zur Dispersionsebene des Mittelstrahls ergänzt werden. Durch Anlegen eines gegenüber Eo negativen (bzw. positiven) Potentials an diesem zusätzlichen Plattenpaar kann die Fokussierung senkrecht zur Dispersionsebene des Mittelstrahls unter gleichzeitiger Abschwächung (Verstärkung) der Fokussierung in der Dispersionsebene verstärkt (abgeschwächt) werden, so daß bei einem bestimmten Ablenkwinkel stigmatische Fokussierung erreicht wird. Ein entsprechender Analysator dieser Art mit Hauptablenkplatten, die eine Kugelform näherungsweise realisieren, wurde von Jost angegeben. Numerisch wurde die Wirkung solcher zusätzlichen Deckelplatten systematisch von H. Ibach untersucht (H. Ibach "Electron Energy Loss Spectrometers", Springer Series in Optical Sciences, Bd. 63 S. 36, Springer-Verlag 1991), und es wurde gezeigt, daß stigmatische Fokussierung auch unter Verwendung von zylindrischen Hauptablenkplatten erreicht werden kann. Bei diesen systematisch untersuchten Anordnungen wird jedoch der bekannte, den sphärischen und zylindrischen Deflektoren eigene Winkelfehler 2. Ordnung in der Dispersionsebene nicht eliminiert.

Erst durch die erfindungsgemße Kombination des durch unterteilt-potentialbeaufschlagte und gegebenenfalls zusätlich ausgebauchte allgemein zylindrische Hauptablenkplatten erzeugten Ablenkfeldes mit dem ausreichenden Zugriff eines repulsiven Potentials stirnseitiger Deckelplatten wird sowohl eine Korrektur des Winkelfehlers als auch eine Fokussierung senkrecht zur Dispersionsebene und damit eine wesentliche Erhöhung des erfaßbaren Raumwinkels (in der Terminologie optischer Systeme "höhere Lichtstärke") erzielt.

Da der quadratische Winkelfehler ein negatives Vorzeichen hat, Strahlen mit größerem Winkel also zu stark in radialer Richtung abgelenkt werden, wird diese Eliminierung durch eine zunehmende Abschwächung des Feldes in der Dispersionsebene beiderseits des Mittelstrahls erreicht. Diese Abschwächung kann analog zur DE-PS 26 20 877 durch Ausbauchungen der Hauptablenkplatten senkrecht zur Dispersionsebene des Mittelstrahls erreicht werden (Ausbauchung ohne zerteilte Hauptablenkplatten nicht erfindungsgemäß). Die notwendige Form und Stärke dieser Ausbauchungen, mit denen gerade eine Eliminierung des Winkelfehlers zweiter Ordnung in der Dispersionsebene erzielt wird, werden zwechmäßigerweise durch numerische Simulation der Teilchenbahnen nach bekannten Verfahren ermittelt. Dies gilt besonders dann, wenn Randfeldstörungen durch metallische Ein- und Ausgangsblenden vorhanden sind. In analoger Weise wird die geeignete Potentialbeaufschlagung für erfindungsgemäß zerteilte Hauptablenkplatten ermittelt.

Die Form der Ausbauchungen der "inneren" sowie der ""äußeren" Hauptablenkplatte ist prinzipiell unabhängig voneinander ebenso wie deren Verlauf zu den Stirnseiten hin. Besonders einfach realisierbar ist jedoch eine allseits symmetrische Ausführung dieser Platten.

Für die Form und Potentialbeaufschlagung der Hauptablenkplatten gilt folgendes:
Das ideal zylindrische Feld ist das Feld zwischen zwei konzentrischen metallischen Zylindern mit unbegrenzter Ausdehnung entlang der Zylinderachse. Betrachtet man ein geladenes Teilchen der Ladung, das sich auf einem Kreis zwischen den Zylindern senkrecht zur Achse der Zylinder (im folgenden z-Achse genannt) bewegt, so ist seine Energie Eo durch E0 = eΔV ln(R 2/R 1) gegeben. Dabei ist ΔV die Spannung zwischen den Zylindern, und R2 und R1 sind die Radien des "äußeren und inneren Zylinders. Teilchen, die an einem Punkt die Kreisbahn mit dem Radius ro unter einem (kleinen) Winkel α in der Kreisebene (im folgenden r, -Ebene genannt) schneiden, schneiden diese Kreisbahn ein zweites Mal nach einem Ablenkwinkel von f=π/√2≈127,3°. Setzt man an die beiden Schnittpunkte Blenden, so kann Energiefilterung für Teilchen in einem bestimmten Winkelbereich von α erzielt werden. Bezeichnet man die Abweichung von einem vorgegebenen Sollradius ro an der Eingangsblende mit y1 und an der Ausgangsblende mit y2, so gilt die Abbildungsgleichung Y 2 = -Y 1 + r 0 δE E 0 - 43 r 0α2 wobei δ E die Abweichung von der Energie Eo ist. Für kleine Winkel α werden also Teilchen mit δE=0 perfekt auf die Ausgangsblende abgebildet, wobei die Größe des Bildes der Eingangsblende gleich der Größe der Eingangsblende selbst ist. Vorteilhafterweise wird man Eingangs- und Ausgangsblende als Spalt gestalten und die Breiten dieser Spalte gleich wählen. Die Ausdehnung der Spalte parallel zur Zylinderachse ist, solange diese nicht zu groß wird (H. Ibach, a.a.O., S. 27 ff.), von untergeordneter Bedeutung für die Energieauflösung. Wie aus Gleichung (2) leicht ermittelbar, ist die Basisbreite ΔE_B der transmittierten Energiedurchlaßkurve gegeben durch (H. Ibach, a.a.O., S. 17) ΔE B E 0 = 2s r 0 + 43 α2 m mit α_m dem maximalen Winkel α. Zweckmäßigerweise wird man diesen Winkel α_m auf den Wert begrenzen, bei dem gerade noch Teilchen der Energie Eo durchgelassen werden. Dafür folgt aus (2) α m = 3s 4r 0

Der Ein- und Ausgangsspalt des zylindrischen Deflektors wird zweckmäßigerweise durch metallische Werkstoffe realisiert, die notwendigerweise Äquipotentialflächen darstellen. Dadurch wird der Ablenkwinkel, bei dem Winklefokussierung erster Ordnung eintritt, vermindert.

Die vorstehend erläuterten Fokussierungseigenschaften setzen nicht unbedingt die Existenz einer realen Ein- und/oder Ausgangsblende voraus, vielmehr gelten die erläuterten Bedingungen auch dann, wenn der Deflektor z.B. als Teilelement in einer zusammengesetzten Anordnung zur Fokussierung geladener Teilchen ohne Zwischenschaltung gesonderter Blenden vorgesehen wird.

Die für angemessen -um die Schar der Mittelwertstrahlbahnen herum beiderseits konvex- ausgebauchte Äquipotentialflächen geeignete Formgebung der Hauptablenkplatten kann auch mit zylindrischen Hauptablenkplatten angenähert werden, die senkrecht zur z-Achse jeweils wenigstens drei Abschnitte mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen. Dabei muß die innere zylindrische Ablenkplatte in Richtung der Zylinderachse zu den Zylinderstirnseiten hin jeweils zunehmende Krümmungsradien aufweisen und die äußere Hauptablenkplatte abnehmende Krümmungsradien aufweisen. Besonders einfach ist eine Ausführung, bei der die einzelnen Abschnitte jeweils konstante Radien haben. Die beschriebene Krümmung der Äquipotentialflächen in der rz-Ebene läßt sich auch dadurch erzielen, daß man zylindrische Hauptablenkplatten der bekannten Art verwendet, diese jedoch entlang der z-Achse in wenigstens drei Abschnitte unterteilt und die verschiedenen Abschnitte mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt.

Ganz allgemein ist schließlich auch eine freie Gestaltung der Hauptablenkplatten möglich, wobei sich die optimale Formgebung ausgehend von einer einfachen geometrischen Grundform durch numerische Berechnung von Teilchenbahnen nach bekannten Verfahren ergibt. Eine Möglichkeit, solche optimale Formgebung zu finden, besteht z.B. darin, daß man die Hauptablenkplatten der gewählten Grundform in den numerischen Rechnungen in zahlreiche Sektionen unterteilt und dann in der Berechnung der Teilchenbahnen diese mit verschiedenen Spannungen beaufschlagt. Die für eine korrigierte Fokussierung errechnete Potentialverteilung an den Plattensektionen liefert eine Schar von Äquipotentialflächen mit zunehmender Abschwächung des Ablenkfeldes zu den Hauptablenkplatten hin. Wählt man nun als Form für die Realisierung von metallischen Hauptablenkplatten zwei beliebige äußere Äquipotentialflächen dieser Äquipotentialflächenschar und beaufschlagt man diese Hauptablenkplatten mit einer je nach Teilchenart und -energie zu wählenden Spannungsdifferenz, so resultiert das gewünschte Abbildeverhalten gemäß der Erfindung wie beansprucht.

Die erwähnte Randabschwächung des Ablenkfeldes in der Dispersionsebene kann auch durch Ausbauchungen der Zylinderflächen in den Dispersionsebenen verstärkt werden. Dabei können die Zylinderflächen parallel zur Zylinderachse Abschnitte aufweisen, deren Krümmungsradien sich voneinander unterschieden.

Allgemein wird vorzugsweise eine zur mittleren Dispersionsebene spiegelsymmetrische Kontur der Hauptablenkplatten vorgesehen.

In Verbindung mit den vorstehenden Eigenheiten kann eine gekrümmte Eingangs- und/oder Ausgangsblende nützlich sein sowie ggf. gekrümmte Ein- und/oder Ausgangsspalte.

Nachfolgend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben; es zeigen im einzelnen:

Figur 1: einen Deflektor mit zwei Hauptablenkplatten und zwei Deckelplatten, Eingangs- und Ausgangsblen de (kein Ausführungsbeispiel);
Figur 2: eine zu Fig. 1 alternative Querschnittsform der Hauptablenkplatten (kein Ausführungsbeispiel);
Figur 3: die Querschnittsform einer Annäherung der Ab lenkplatten des 4-Platten-Typs durch nur 2 Hauptablenkplatten, die der Hüllkurve errechneter Äquipotentialflächen entspricht, die gemäß Fig. 1 erzielt werden (kein Ausführungsbeispiel);
Figur 4: einen Deflektor mit zerteilten Hauptablenkplatten (Ausführungsbeispiel);
Figur 5: die Ergebnisse einer numerischen Simulation von Teilchenbahnen in einem Deflektor gemäß Fig. 1;
Figur 6: einen Querschnitt durch einen Deflektor gemäß Fig. 1 mit Äquipotentialflächen;
Figur 7: eine numerische Simulation von Teilchenbahnen in einem Deflektor mit gekrümmten Hauptablenkplatten gemäß DE-PS 26 20 877, aber ohne stirnseitige Deckelplatten;
Figuren 8a und 8b: Querschnittsvarianten zu Fig. 2 unterschiedlicher Potentialbeaufschlagung; und
Figur 9: eine Deflektor-Variante mit Ausbauchung in der Dispersionsebene (kein Ausführungsbeispiel).

Bei den gezeigten Beispielen und dem Ausführungsbeispiel bewirken die stirnseitigen Deckelplatten 1 und 2 durch Anlegen einer geeigneten Spannung im Zusammenwirken mit den weiteren Hauptablenkplatten 3 und 4 bzw. 5 bis 10 die stigmatische Fokussierung des Spaltes der Blenden auf den Spalt der Blenden 12. Zur Erzielung eines ausreichenden Durchgriffs des Feldes der Deckelplatten wird der Abstand zwischen den Hauptablenkplatten 3 und 4 bzw. 5 bis 7 und 8 bis 10 vorzugsweise nicht kleiner als die Hälfte des Abstandes zwischen den Deckeln 1 und 2 gewählt, um eine stigmatische Fokussierung zu erzielen. Der Ablenkwinkel in der Dispersionsebene beträgt bei dem Beispiel gemäß Fig. 1 und dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 145°. Der optimale Wert für den Ablenkwinkel hängt von dem Verhältnis der Radien der Hauptablenkplatten 3 und 4 bzw. 5 bis 7 und 8 bis 10 ab, sowie ferner von dem Abstand zwischen den Deckelplatten 1 und 2 und muß durch numerische Simulation ermittelt werden. Die zur Eliminierung des Winkelfehlers wenigstens zweiter Ordnung notwendige Abschwächung des Ablenkfeldes beiderseits des Mittelstrahls wird im Ausführungsbeispiel durch die gegenläufige Krümmung der Hauptablenkplatten 3 und 4 senkrecht zur Dispersionsebene erreicht. Die Radien dieser Krümmungen müssen ebenfalls durch numerische Simulation berechnet werden. Eine vergleichbare Wirkung kann auch durch eine Segmentierung der Hauptablenkplatten 3 und 4 in je drei Teile 5-7 und 8-10 erreicht werden. Die Segmente müssen dann mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden, und zwar so, daß die Potentialverteilung ähnlich wie beim Beispiel in Fig. 1 wird. Ersichtlich wird dazu die Spannung an 8 und 10 negativer als die Spannung an 9 und die Spannung an 5 und 7 positiver als die Spannung an 6 zu wählen sein. Die Segmentierung der Hauptablenkplatten hat den Vorteil einer größeren Flexibilität bei der Einstellung optimaler Fokussierungsbedingungen und der Elimination des Winkelfehlers. Dem steht als Nachteil eine größere Komplexität der Spannungsversorgung gegenüber.

Für einen Deflektor gemäß Fig. 1 wurden die Teilchenbahnen (Elektronenbahnen) durch numerische simulation ermittelt. Fig. 5a zeigt einen Schnitt in der zentralen Dispersionsebene und Elektronenbahnen, die mit den Winkeln α=-10, -5, 0, +5 und +10 Grad in den Deflektor eintreten. Fig. 5b zeigt die Projektion der Teilchenbahnen senkrecht zur Dispersionsebene für die Einschußwinkel β=-2, -1, 0, +1 und +2 Grad. Ersichtlich wird eine Fokussierung sowohl bezüglich des Winkels α in der Dispersionsebene als auch bezüglich des Winkels β senkrecht zur Dispersionsebene, also eine stigmatische Abbildung erzielt. In Fig. 5c ist die Austrittsposition als Funktion des Eingangswinkels in der Dispersionsebene dargestellt. Die Abbildung demonstriert die fast winkelfehlerfreie Abbildung. Die Form der Äquipotentialflächen, die zu dem in Fig. 5 beschriebenen Ergebnis führen, ist in einem Querschnitt senkrecht zur Dispersionsebene in Fig. 6 dargestellt. Es ist offensichtlich, daß die gleichen Abbildungseigenschaften auch zu erzielen sind mit einer Anordnung von nur zwei Hauptablenkplatten, die in ihrer Formgebung den gezeigten Äquipotentialflächen entsprechen.

Fig. 7 zeigt schließlich die Ergebnisse einer numerischen Simulation eines Deflektors entsprechend DE-PS 26 20 877, d.h., ohne zusätzliche stirnseitige Abdeckplatten. Wie in Fig. 5 zeigt 7a einen Schnitt in der zentralen Dispersionsebene und Elektronenbahnen, die mit den Winkeln α=-6, -3, 0, +3 und +6 Grad in den Deflektor eintreten. Fig. 7b zeigt die Projektion der Elektronenbahnen senkrecht zur Dispersionsebene für Einschußwinkel β=-2, -1, 0, +1 und +2 Grad. In Fig. 7c ist wieder die Austrittsposition als Funktion des Eingangswinkels in der Dispersionsebene dargestellt. Ersichtlich gelingt die Winkelfehlereliminierung nicht ganz so gut wie bei der erfindungsgemäßen Ausführung nach Fig. 1. Auch erzwingt die Vorschrift für winkelfehlerfreie Abbildung nach DE-PS 26 20 877 ein Verhältnis der Hauptkrümmungsradien, das näher an 1 liegt als beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Dadurch können Deflektoren entsprechend DE-PS 26 20 877 schon aus geometrischen Gründen keinen größeren Winkel verarbeiten, ohne daß eine Berührung der Hauptablenkplatten durch die Elektronen eintritt. Wie Fig. 7b zeigt, weist der Deflektor ferner keine Fokussierung senkrecht zur Dispersionsebene auf.

Insgesamt weist also der erfindungsgemße Deflektor wie Beansprucht deutliche Vorteile gegenüber allen bisher bekannten Deflektortypen auf.

Die gezeigten Anordnungen gemäß Fig. 8 sind symmetrisch konzipiert, und die Radien der einzelnen Abschnitte sind jeweils abschnittsweise konstant. Das Kreuz markiert das Zentrum der Teilchenbahnen. Die Deckelplatten 1 und 2 werden auf Potentiale gebracht, die dem arithmetischen Mittel der an den Hauptablenkplatten 3 und 4 vorgesehenen Potentiale entsprechen (Fig. 8a) bzw. abweichend davon auf ein negativeres Potential (Fig. 8b). Die gepunkteten Linien markieren die Äquipotentialflächen.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem die innere Hauptablenkplatte 3 und äußere Hauptablenkplatte 4 in ihrer Form zwei in Fig. 8b gezeigten Äquipotentialflächen entsprechen. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Hauptablenkplatten in Ebenen senkrecht zur Zeichenebene jeweils eine konstante Krümmung. Das Kreuz in Fig. 8b markiert das Zentrum der Teilchenbahnen. Die Äquipotentialflächen sind durch gepunktete Linien markiert.

Fig. 9 zeigt eine Deflektor-Variante mit Ausbauchung in der Dispersionsebene.

Claims

Elektrostatischer Deflektor mit einer äußeren Hauptablenkplatte (4) und einer inneren Hauptablenkplatte (3), die jeweils eine Zylinderfläche eines Zylinder-Sektors in radialem Abstand zu einer gemeinsamen Zylinderachse bilden und über einen Ablenkwinkel eine Teilchenbahn seitlich begrenzen, und mit einer ersten Deckelplatte (1) und einer zweiten Dekkelplatte (2) jeweils zur stirnseitigen Begrenzung der Teilchenbahn, wobei die Hauptablenkplatten jeweils auf einem Potential liegen, das senkrecht zur Zylinderachse eine Dispersionsebene eines Teilchenstrahls erzeugt, und die Deckelplatten auf einem Potential liegen, das auf den Teilchenstrahl repulsiv wirkt, um Teilchen senkrecht zur Dispersionsebene und auf diese zu fokussieren,
dadurch gekennzeichnet,

daß die innere und äußere Hauptablenkplatte (3, 4) jeweils wenigstens drei Segmente (5, 6, 7; 8, 9, 10) in Achsenrichtung der Zylinderachse aufweist, die mit unterschiedlicher Spannung beaufschlagt sind, um einen Winkelfehler wenigstens zweiter Ordnung beiderseits eines Mittelstrahls des Teilchenstrahls in der Dispersionsebene zu eliminieren, und

daß entweder das Verhältnis des Radialabstands der Hauptablenkplatten (3, 4) bzw. der Segmente (5, 6, 7; 8, 9, 10) zum Abstand der Deckelplatten (1, 2), oder das Verhältnis der Ladien der Hauptablenkplatten bzw. der segmente sowie der Abstand der Deckelplatten, einen optimalen Wert für einen Ablenkwinkel festlegt.
Elektrostatischer Deflektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente (5, 6, 7; 8, 9, 10) der inneren und äußeren Hauptablenkplatte (3, 4) jeweils konvex zur Teilchenbahn ausgebaucht sind.
Elektrostatischer Deflektor nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente (5, 6, 7; 8, 9, 10) der inneren und äußeren Hauptablenkplatten (3, 4) in unterschiedlichem radialen Abstand zur Zylinderachse liegen.
Elektrostatischer Deflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die innere und äußere Hauptablenkplatte (3, 4) eine zum Mittelstrahl in der Dispersionsebene spiegelsymmetrische Kontur aufweisen.
Elektrostatischer Deflektor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein mittlerer Radialabstand zwischen der inneren und äußeren Hauptablenkplatte (3, 4) wenigstens gleich einem halben Abstand zwischen den stirnseitigen Deckelplatten (1, 2) ist.
Elektrostatischer Deflektor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optimale Wert eines Ablenkwinkels () in einem Bereich von 100° bis 150° liegt.
Elektrostatischer Deflektor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Potentiale der Deckelplatten (1, 2) gleich dem arithmetischen Mittel der Potentiale der Hauptablenkplatten (3, 4) sind.
Elektrostatischer Deflektor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Hauptablenkplatte (3) und die innere Hauptablenkplatte (4) jeweils entlang einer durch ihr jeweiliges Potential erzeugten Äquipotentialfläche verlaufen.