NL9001751A - Geladen deeltjesbundelsysteem alsmede een koelinrichting, een spoel voorzien van een koelorgaan en een koelorgaan voor toepassing in een dergelijk geladen deeltjesbundelsysteem. - Google Patents

Description

N.V. Philip:;' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Geladen deeltjesbundelsysteem alsmede een koelinrichting, een spoel voorzien van een koelorgaan en een koelorgaan voor toepassing in een ö mi· gel ijk geladen deelt jesbundelsysteem.

De uitvinding heeft betrekking op een geladen deeltjesbundelsysteem omvattende een bron voor uitzending van een bundel geladen deeltjes en een focusseringsinrichting met ten minste één spoel voor afbuiging van de bundel, waarbij de ten minste ene spoel is voorzien van een koelorgaan dat de spoel omsluit en dat is voorzien van een koelkanaal voor transport van een koelmedium.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een koelinrichting, een spoel voorzien van een koelorgaan en een koelorgaan geschikt voor toepassing in een dergelijk geladen deeltjesbundelsysteem.

Een geladen deeltjesbundelsysteem van de bovengenoemde soort is bekend uit het Amerikaanse Octrooischrift US 3,394,254.

In dit Octrooischrift is een spoel voor focussering van een elektronenbundel beschreven die wordt gevormd door een koperen buis waaromheen een met hars geïsoleerde draad is gewikkeld. De buitenkant van de spoel is voorzien van een koperlaag zodat de spoel in een cilindrische opening van een koelorgaan past, waarbij de koperlaag op de buitenzijde van de spoel aanligt tegen de binnenwand van het eveneens uit koper gevormde koelorgaan. Het koelorgaan is voorzien van een met de spoel coaxiaal koelkanaal waardoorheen water wordt gepompt.

De in de spoel ontwikkeld warmte wordt eerst via geleiding door het koperen koelorgaan naar het koelkanaal getransporteerd en vervolgens via convectie uit het geladen deeltjesbundelsysteem afgevoerd. Bij een vermogensdissipatie van 30-40 W in de spoel warmt deze op tot 70° C. Hierbij wordt ongeveer 10% van de warmte afgevoerd door het koelwater.

Het is een doel van de uitvinding te voorzien in een geladen deeltjesbundelsysteem met een spoel die op een efficiënte wijze wordt gekoeld. Hiertoe heeft een geladen deeltjesbundelsysteem volgens de uitvinding tot kenmerk, dat het koelorgaan een mantel omvat die een kamer vormt met een instroom- en een uitstroomopening, binnen welke kamer de spoel is gelegen en waarbij het koelkanaal een ruimte tussen de spoel en de mantel omvat.

Ilnnrflat· Λρ ςηηρί rlnnr uat-pr unrrtf nmRtrnnmrl . windt pf=>n effectieve warmtewisseling plaats waarbij de in de spoel ontwikkelde warmte direct door convectie wordt getransporteerd. Met een dergelijk koelorgaan kan circa 99¾ van de in de spoel ontwikkelde warmte worden afgevoerd door het koelwater. De uitstraling van de warmte naar de omgeving wordt door toepassing van het koelorgaan volgens de uitvinding gereduceerd.

Een uitvoeringsvorm van een geladen deeltjesbundelsysteem volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat de mantel twee concentrische, cilindrische wanden, een met de wanden verbonden bodem en een met de wanden samenwerkend losneembaar deksel omvat.

De lenzen die in geladen deeltjesbundelsystemen worden gebruikt zijn veelal torusvormig, waarbij door de centrale opening in de torus de elektronenbundel treedt. Door de twee concentrische wanden, de bodem en het losneembare deksel, wordt een torusvormige trommel gevormd waarbinnen de spoel is gelegen.

Een uitvoeringsvorm van een geladen deeltjesbundelsysteem volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat het deksel is voorzien van een toevoer- en een afvoerholte die onderling zijn gescheiden door een in een omtreksrichting van het deksel gelegen ribbe die samenwerkt met de spoel, waarbij de instroom- en de uitstroomopening aan weerszijde van de ribbe zijn gelegen. De ribbe ligt bijvoorbeeld aan tegen de spoel en deelt het koelkanaal in tweeën, zodat het koelmiddel aan één zijde van het koelkanaal door de instroomopening binnentreedt en aan de andere zijde van het koelkanaal door de uitstroomopening wordt afgevoerd.

Een uitvoeringsvorm van een geladen deeltjesbundelsysteem volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat de ribbe samenwerkt met een ringvormig afsluitorgaan dat de toevoer- en de afvoerholte in een tegenover de bodem gelegen kopvlak afsluit, dat is voorzien van verscheidene, aan weerszijden van de ribbe gelegen, instroom- en uitstroomopeningen en van een tussen de instroom- en de uitstroomopeningen gelegen verdere ribbe die aanligt tegen de spoel.

Door toepassing van het afsluitorgaan dat is ingeklemd tussen het deksel en de spoel, wordt een goede afsluiting van het koelkanaal verkregen. Verscheidene instroom- en uitstroomopeningen in het afsluitorgaan voorkomen turbulentie bij instromen en uitstromen van het koelmiddel, zodat storende trillingen in de spoel worden voorkomen.

Een verdere uitvoeringsvorm van een geladen deeltjesbundelsysteem volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat het koelorgaan is gevormd uit kunststof.

De wanden en de bodem van het koelorgaan zijn, in tegenstelling tot hetgeen bij de bekende koelorganen het geval is, nagenoeg niet warmtegeleidend. Hierdoor kunnen de wanden, de bodem en het deksel uit een materiaal met een lage warmtegeleidingscoëfficiënt zoals kunststof zijn vervaardigd. Bij voorkeur vormen de wanden en de bodem één enkel gietstuk, waarvan het afsluitorgaan eveneens deel kan uitmaken. Het afsluitorgaan is dan in een aantal punten met de wanden verbonden.

Een weer verdere uitvoeringsvorm van een geladen deelljesbundelsysteem volgens de uitvinding heeft tot kenmerk dat het geladen deeltjesbundelsysteem een koelinrichting omvat met een gesloten circuit omvattende een koelvloeistofreservoir, het koelorgaan en een warmtewisselelement dat zich in een stroomrichting gezien tussen het koelvloeistofreservoir en het koelorgaan bevindt voor koeling van de koelvloeistof voorafgaand aan doorstroming van het koelorgaan.

Wanneer water opwarmt van 20°C tot 30°C, neemt de oplosbaarheid van zuurstof af van 13,810-4 mol l-1 ot 10,310-4 mol -1 . . -4 -1 ] en de oplosbaarheid van stikstof van 6,8810 mol 1 1 tot 5,2710 mol 1 . Het water dat in het koelkanaal verwarmd wordt door de spoel zal door de opwarming ontgassen, zodat zich in het koelkanaal een luchtbel kan vormen. Dit geeft ongewenste turbulenties in het stromingspatroon waardoor de spoel in een beeldverstorende trilling kar; geraken. Om dit tegen te gaan, wordt de koelvloeistof in het warmtewisselelement bij afwezigheid van lucht afgekoeld van bijvoorbeeld 27°C tot 20°C. Hierdoor kan het koelmiddel meer lucht opnemen, maar daar in het warmtewisselelement geen lucht aanwezig is, raakt de koelvloeistof onderverzadigd. Indien het water in de spoel niet verder opwarmt dan de temperatuur in het koelmiddelreservoir (27°), dan zal in het koelorgaan geen ontgassing plaatsvinden. Wanneer bij een eerste gebruik van het koelorgaan hierin nog lucht aanwezig is, kan de aanwezige lucht worden afgevoerd doordat de onverzadigde koelvloeistof de lucht absorbeert.

Een verdere uitvoeringsvorm van een geladen deeltjesbundelsysteem volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat de koelinrichting een verder warmtewisselelement omvat, dat zich in de stroomrichting gezien tussen het koelorgaan en het koelvloeistofreservoir bevindt en via een ventiel overbrugbaar is.

Wanneer de spoel niet is bekrachtigd, wordt de koelvloeistof die ten opzichte van het reservoir is gekoeld, niet opgewarmd in het koelkanaal. Via het verder warmtewisselelement wordt, wanneer de spoel niet is bekrachtigd, de warmte die door het tussen het koelvloeistofreservoir en het koelorgaan gelegen warmtewisselelement is onttrokken, weer toegevoerd aan de koelvloeistof. Wanneer de spoel wel is bekrachtigd, is het verder warmtewisselelement overbrugd via het ventiel. Bij voorkeur vormen de warmtewisselelementen samen met in een verder gesloten circuit opgenomen warmtewisselelementen twee warmtewisselaars. De verdere gesloten lus bevat bijvoorbeeld freon als koelmiddel en omvat bijvoorbeeld een warmtewisselaar voor afgifte van de warmte in het verdere circuit.

Enkele uitvoeringsvormen van een geladen deeltjesbundelsysteem volgens de uitvinding zullen nader worden toegelicht aan de hand van de bijgevoegde tekening. In de tekening toont:

Figuur 1 een dwarsdoorsnede van een geladen deeltjesbundelsysteem,

Figuur 2 een dwarsdoorsnede van een spoel voorzien van eer· koelorgaan volgens de uitvinding,

Figuur 3 een deel van een koelorgaan volgens de uitvinding, en

Figuur 4 een schema van een koelinrichting voor toepassing in een geladen deeltjesbundelsysteem volgens de uitvinding.

Figuur 1 toont een geladen deeltjesbundelsysteem 1, in het bijzonder een elektronenmikroskoop, dat is voorzien van een bron 3 en een uit spoelen 7, 9, 13, 15, 17, 21, 23, 25, die langs een optische as 2 zijn gelegen, gevormde focusseringsinrichting. Door de bron 3 uitgezonden elektronen worden door een anode 5 versneld en via een projector lenzenstelsel 7, 9 afgebeeld op een specimen 11 dat zich in een objectieflens 13, 15 bevindt.

Door bekrachtiging van een diffractielens kan een diffractiebeeld van het specimen 11 op een trefplaat 19 worden weergegeven. Door bekrachtiging van een tussenlens 21 is de vergroting van de elektronenmikroskoop instelbaar. Een projector lenzenstelsel 23 en 25 projecteert het door de lenzen 15, 17 en 21 gevormde beeld op de trefplaat 19. Langs de kolom bevinden zich verder nog bronuitlijnspoelen 27 alsmede bundel-kantelspoelen 29. Een systeem van vacuümpompen reduceert via pompaansluitingen 31 en 33 een druk in de

* . . — O

elêktionenmikroskoop tot bijvoorbeeld 10 Torr. De lenzen, die per lens bijvoorbeeld via 16000 ampère wikkelingen een vermogen van 500 W (200 kV, 2,5 mA) dissiperen, worden in deze uitvoeringsvorm op de bekende wijze gekoeld. Via een koelkanaal 40 wordt de warmte, die via geleiding door het de lens omhullende metaal naar het koelkanaal is getrokken slechts gedeeltelijk afgevoerd. Een deel van warmte, bijvoorbeeld 30¾, draagt via straling of geleiding bij tot een verwarming van de omgeving rondom de lenzen. Om temperatuurdrift in het Ie onderzoeken specimen 11 tegen te gaan en om een hoge vermogendichtheid van de lens toe kunnen passen ter vermindering van cfensche aberatie, worden de lenzen 7, 9, 13, 15, 17, 21 en 23 gekoeld tot bijvoorbeeld 22°C.

Figuur 2 toont de lens 33 waarvan slechts een aan één zijde van de optische as 2 gelegen gedeelte is getoond. De lens 33 omvat een torusvormige spoel 35 en een weekijzeren poolschoen 37. De wikkelingen van de spoel 35 zijn omgeven door een kunststof mantel 39.

De mantel 39 omvat een deksel 41, waarbij tussen de mantel 39 en de spoel 35 een koelkanaal 43 is gelegen. De spoel 35 steunt via, in de figuur niet getoonde, nokken op de bodem 45 van de mantel 39, zodat het koe]middel rondom de spoel 35 kan stromen. Via een instroomopening 45 stroomt het koelmiddel dat door een toevoerholte 47 in het deksel 41 wordt aangevoerd het koelkanaal 43 binnen, waarna het koelmiddel het koelkanaal 43 via een uitstroomopening 48 verlaat en door een in het deksel 41 gelegen afvoerholte 50 wordt weggeleid. Het afsluitorgaan 55 dat in een kopvlak 51 van de door de mantel 39 omgeven kamer is gelegen, wordt door het deksel 41 tegen de spoel 35 gedrukt. De ribbe 49 rust op de spoel 35 en sluit het koelkanaal 43 via een o-ring 53 af.

Het afsluitorgaan 55 heeft aan de bovenzijde een sleuf waarin een in het deksel gelegen ribbe 57 valt die de in het deksel 41 gelegen toevoerholte 47 en de afvoerholte 49 scheidt.

Figuur 3 toont de mantel 39 van het koelorgaan en het in het kopvlak 51 gelegen afsluitorgaan 55 dat met bevestigingen 57 en 59 met de wanden van de mantel 39 is verbonden. Hierbij vormen de wanden en de bodem van de mantel 39 één enkel kunststof gietstuk. Het positioneringsorgaan 55 is aan een binnenste en een buitenste omtrekszi j'de voorzien van instroomopeningen 45 en uitstroomopeningen 48. Met behulp van bussen 61 kan het deksel 41 door middel van schroeven met het afsluitorgaan 55 worden bevestigd.

Door toepassing van een dergelijk koelorgaan bij een spanning over de spoel van 200 kV kan een stroomdichtheid 5A mm~^

t O

worden toegepast in tegenstelling tot een stroomdichtheid van 4 A mm die bij de bekende methode van lenskoeling mogelijk is.

Figuur 4 toont een koelinrichting 70 voor koeling van de docr het koelorgaan 72 omgeven spoel. In het koelkanaal 43 van het koelorgaan 72 kan bij opwarming van het koelmiddel, bijvoorbeeld water, lucht vrijkomen. De luchtbellen verstoren de stroming van het koelmiddel en kunnen turbulenties veroorzaken die de lens 33 in trilling brengen. Hierdoor wordt de afbuiging van de geladen deeltjesbundel verstoort, zodat, in het geval van een elektronenmikroskoop een onnauwkeurige afbeelding van een met elektronenbundel belicht object plaats vindt.

Om afscheiding van lucht uit het koelmiddel te voorkomen, wordt het koelorgaan 72 doorstroomd door een met betrekking tot lucht cnderverzadigde koelvloeistof. De koelinrichting 70 omvat een koelvloeistofreservoir 74 dat via een pomp P is verbonden met een eerste warmtewisselelement. Het warmtewisselelement is verbonden met het koelorgaan 72, waarvan de uitstroomopening is verbonden met een tweede warmtewisselelement 78. Het tweede warmtewisselelement 78 is verbonden met het vloeistofreservoir 74 en is via een stuurbaar ventiel 80 overbrugbaar. Een verder gesloten circuit 81 wordt gevormd door warmtewisselelementen 82, 84 en 86 en de compressor C, waarbij de warmtewisselelementen 82 en 84 samenwerken met respectievelijk de warmtewisselelementen 76 en 78 en waarbij het warmtewisselelement 86 deel uitmaakt van een warmtewisselaar 88, voor afgifte van de warmte uit het circuit 81. De koelvloeistoftemperatuur in het reservoir 74 bedraagt bijvoorbeeld 27°C. In het warmtewisselelement 76 wordt de koelvloeistof bij afwezigheid van lucht afgekoeld tot 20°C, zodat de koelvloeistof onderverzadigd raakt. Bij opwarming van de koelvloeistof in het koelorgaan 72 tot een temperatuur beneden de 27°C zal geen lucht vrijkomen uit de koelvloeistof. Eventueel aanwezige lucht in het koelkanaal 43 van het koelorgaan 72 zal door de onderverzadigde koelvloeistof worden geabsorbeerd. Via de overbrugging van het waimlewisseïelement 78 stroomt de koelvloeistof terug in het reservoir 74. De in het circuit 81 opgenomen warmte wordt afgegeven via het warmtewisselelement 86. Wanneer in de spoel geen vermogen wordt gedissipcerd, wordt de koelvloeistof via het warmtewisselelement 78 naar het reservoir teruggevoerd, waarbij de aan het warmtewisselelement 76 onttrokken warmte via het warmtewisselelement 84 weer aan de lus 71 wordt toegevoerd. Hiertoe wordt, wanneer de temperatuur in de lus 71 teveel daalt, via een temperatuursensor T het stuurbare ventiel 80 geactiveerd, zodat opwarming van de koelvloeistof plaats vindt via het warmtewisselelement 84.

Geladen deeltjesbundelsystemen waarop de uitvinding betrekking heeft omvatten Scanning Elektronenmikroskopen, Transmissie Elektronenmikroskopen, Elektronenbundel-schrijvers en -testers voor halfgeleiderfabricage, Elektronen-of Ionenbundellithografie-inrichtingen en lonenbundelimplantatie-inrichtingen.

Claims (12)

1. Geladen deeltjesbundelsysteem omvattende een bron voor uitzending van een bundel geladen deeltjes en een focusseringsinrichting met ten minste één spoel voor afbuiging van de bundel, waarbij de ten minste ene spoel is voorzien van een koelorgaan dat de spoel omsluit en dat is voorzien van een koelkanaal voor transport van een koelmedium, met het kenmerk, dat het koelorgaan een mantel omvat die een kamer vormt met een instroom- en een uitstroomopening, binnen welke kamer de spoel is gelegen en waarbij het koelkanaal een ruimte tussen de spoel en de mantel omvat.

2. Geladen deeltjesbundelsysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de mantel twee concentrische, cilindrische wanden, een met de wanden verbonden bodem en een met de wanden samenwerkend losneembaar deksel omvat.

3. Geladen deeltjesbundelsysteem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het deksel is voorzien van een toevoer- en een afvoerholte die onderling zijn gescheiden door een in een omtreksrichting van het deksel gelegen ribbe die samenwerkt met de spoel, waarbij de instroom- en de uitstroomopening aan weerszijde van de ribbe zijn gelegen.

4. Geladen deeltjesbundelsysteem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de ribbe samenwerkt met een ringvormig afsluitorgaan dat de toevoer- en de afvoerholte in een tegenover de bodem gelegen kopvlak afsluit, dat is voorzien van verscheidene, aan weerszijden van de ribbe gelegen, instroom- en uitstroomopeningen en van een tussen de instroom- en de uitstroomopeningen gelegen verdere ribbe die aanligt tegen de spoel.

5. Geladen deeltjesbundelsysteem volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat het koelorgaan is gevormd uit kunststof.

6. Geladen deeltjesbundelsysteem volgens conclusie 2 en conclusie 5, met het kenmerk, dat de wanden en de bodem zijn gevormd uit één enkel gietstuk.

7. Geladen deeltjesbundelsysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het geladen deeltjesbundelsysteem een koelinrichting omvat met een gesloten circuit omvattende een koelvloeistofreservoir, het koelorgaan en een warmtewisselelement dat zich in een stroomrichting gezien tussen het koelvloeistofreservoir en het koelorgaan bevindt voor koeling van de koelvloeistof voorafgaand aan doorstroming van het koelorgaan.

8. Geladen deeltjesbundelsysteem volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de koelinrichting een verder warmtewisselelement omvat, dat zich in de stroomrichting gezien tussen het koelorgaan en het koelvloeistofreservoir bevindt en via een ventiel overbrugbaar is.

9. Geladen deeltjesbundelsysteem volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de koelinrichting een verder gesloten circuit omvat voorzien van warmtewisselelementen die samenwerken met de warmtewisselelementen in het gesloten circuit, alsmede een warmtewisselaar voor afgifte van de warmte in het verdere gesloten circuit.

10. Koelinrichting geschikt voor toepassing in een geladen deeltjesbundelsysteem volgens één der voorgaande conclusies.

11. Spoel voorzien van een koelorgaan geschikt voor toepassing in een geladen deeltjesbundelsysteem volgens één der conclusies 1 tot en met 5.

12. Koelorgaan geschikt voor toepassing in een geladen deeltjesbundelsysteem volgens één der conclusies 1 tot en met 5.