NL9101504A - Geladen deeltjes bundel apparaat met supergeleidende deeltjes optische elementen. - Google Patents

Description

Geladen deeltjes bundel apparaat met supergeleidende deeltjes optische elementen.

De uitvinding heeft betrekking op een geladen deeltjes bundel apparaat voorzien van een deeltj esbron en van een met een supergeleidende spoel uitgerust deeltjes optisch element.

Een dergelijk apparaat in de vorm van een elektronen microscoop is bekend uit US 4,075,488. In bekende apparaten worden beperkingen aan de geometrie van optische elementen opgelegd door de warmtehuishouding daarvan. Dit geldt vooral bij toenemende sterkte van deeltjes optische elementen die bijvoorbeeld voor het realiseren van een hoog oplossen vermogen nodig zijn. Omdat bij het ontwerpen van het elektronen optisch element rekening moet worden gehouden met de warmteontwikkeling daarin, zal het ontwerp niet optimaal kunnen zijn ten aanzien van de eigenlijke deeltjes optische eigenschappen. In het algemeen resulteert het compromis in relatief grote afmetingen van elektromagnetische spoelen voor het opwekken van gewenste lensvelden of afbuigvelden. Dan immers kunnen veel windingen worden gebruikt waardoor met beperkte stroomsterkten kan worden gewerkt, de warmte ontwikkeling beheersbaar en de warmte afgifte relatief groot kan zijn. Maar het kost bij grote afmetingen meer energie om in het centrum van een lensveld ruimte een voldoende sterk veld op te wekken. Ook wordt het justeren van de elementen ten opzichte van elkaar door de grote afmetingen en de eventuele warmtebeweging door temperatuur variaties bemoeilijkt.

De uitvinding beoogt onder meer deze bezwaren te ondervangen en daartoe heeft een geladen deeltjes bundel apparaat van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding het kenmerk, dat een supergeleidende spoel van een deeltjes optisch element is opgebouwd uit een stroomgeleider met een hoge Tc supergeleidend materiaal dat is aangebracht op een drager met een relatief hoge warmtegeleiding.

Door voor elektromagnetische spoelen van deeltjes optische elementen gebruik te maken van supergeleidende stroomgeleiders kan het warmte huishouding probleem afdoende worden opgelost. In supergeleidende spoelen wordt geen warmte ontwikkeld en omdat ook door dunne geleiders een hoge stroom kan vloeien, zijn de geometrische problemen gemakkelijk oplosbaar. Doordat volgens de uitvinding supergeleidende stroomgeleiders op een drager zijn aangebracht, kan positionering daarvan toch exact worden uitgevoerd. Door gebruik van materiaal met een relatief hoge warmtegeleiding kan de koeling van de supergeleidende stroomgeleiders via de drager worden gerealiseerd. Bij voorkeur heeft het supergeleidend materiaal een relatief hoge soortelijke warmte en/of een hoge weerstand tegen quenchen als gevolg van daarop inwerkende magnetische velden. Door een grote warmte kapaciteit is gerealiseerd, dat niet als gevolg van een toevallige - geringe - warmte toevoer, door lek of instraling bijvoorbeeld, quenchen - niet supergeleidend worden - optreedt met alle nadelige gevolgen vandien. De optische elementen die eerst in aanmerking komen om supergeleidend te worden uitgevoerd zijn die elementen waarmede lokaal een sterk magneetveld opwekbaar moet zijn. Het is derhalve van belang dat de bekende invloed van een extern magnetische veldsterkte op het quenchen gereduceerd is.

In een voorkeursuitvoering vormt een met een supergeleidende stroomgeleider uitgerust deeltjes optisch element een poolschoenloze objektieflens voor een elektronen microscoop. Doordat de lens geen poolschoenen heeft, kunnen magnetische verzadigingsverschijnselen die een storende invloed op het lensveld kunnen hebben, niet optreden. In het bijzonder is een dergelijke objektieflens uitgerust met een supergeleidende trimlens en vormt aldus een omschakelbare bekend staande lens als beschreven in US 4,306,149 waarbij het omschakelen eenvoudig met een nauwkeurige stroomsterkte, dus lensveldsterkte kan worden gerealiseerd.

In een voorkeursuitvoering zijn meerdere geïntegreerde deeltjes optische elementen in een geladen deeltjes bundel apparaat opgenomen. In het bijzonder vormen meerdere onderling ongelijke supergeleidende deeltjes optische elementen om een gezamelijke optische as gerangschikt een geïntegreerde deeltjes optische kolom.

Dergelijke deeltjes optische elementen kunnen zowel focusserende elementen zoals rotatie symmetrische lenzen en meerpoollenzen als bundel afbuigelementen zoals bundel blankers of bundel alignment elementen zijn. In het bijzonder zijn de elementen relatief klein uitgevoerd waardoor ze gezamelijk een minikolom vormen, die bijvoorbeeld uitgerust met een koude p-n emitter ook als kolom geïntegreerd als geheel tot onder de relevante Tc temperatuur gekoeld kan worden. Een dergelijke minikolom kan dan bijvoorbeeld richtbaar of transleerbaar in een groter geheel zijn opgenomen en als zodanig voor hoek of x-y scanning van een preparaat gebruikt worden.

In een verdere voorkeursuitvoering zijn meerdere substantieel in een vlak dwars op een voortplantingsrichting van een multiple deeltjes bundel gelegen deeltjes optische tot een geïntegreerde matrix van deeltjes optische elementen samengevoegd. Met substantieel onderling gelijke elementen kan aldus bijvoorbeeld een lenzen matrix worden gevormd opgebouwd uit om openingen op een gezamelijke drager aangebrachte supergeleidende ringgeleiders. Een dergelijke matrix is bij voorkeur als geheel tot onder de relevante Tc temperatuur afkoelbaar. Op overeenkomstige wijze kan met een met parallel aan assen van een multiple deeltjes bundel georiënteerde ringgeleider een matrix deeltjes afbuigelementen worden gevormd.

Elementen van dergelijke matrices zijn bij voorkeur gecorreleerd bestuurbaar uitgevoerd waarbij bijvoorbeeld gebruik kan worden gemaakt van een trimregelaar voor een gezamelijke bekrachtigingsstroom voor de elementen. Een bijzonder stabiele matrix wordt verkregen door alle relevante optische elementen in serie te schakelen en aldus met een gezamelijke supergeleidende stroom te bekrachtigen.

De supergeleidende stroomgeleiders zijn in een voorkeursuitvoering opgebouwd met op een drager aangebracht supergeleidend materiaal dat hoofdzakelijk Y Ba2 Cu3 07 bevat. Dit materiaal toont goed reproduceerbaar supergeleiding bij een temperatuur van ongeveer 75 °k waardoor met stikstof koeling kan worden volstaan, een duwar vat relatief eenvoudig kan zijn en de koeling op zich weinig kosten vraagt. Een verder voordeel van dit materiaal is dat het relatief gemakkelijk, bijvoorbeeld door verdamping (vapour deposition) in elke gewenste vorm en relevante dikte op een drager kan worden neergeslagen. Een dergelijke dunne laag is daarbij gemakkelijk vanuit de drager koelbaar. Om te voorkomen dat een relatief geringe warmte inlek tot quenchen van een supergeleidende stroomgeleider zou voeren, is het gunstig ook de drager uit een materiaal te vervaardigen dat bij een temperatuur nabij Tc een relatief hoge soortelijke warmte kapaciteit heeft. Gedacht kan hierbij worden aan metalen of goed warmte-geleidende keramische materialen. Om het optreden van storende elektrische stromen in de drager te reduceren, is het gewenst dat het drager materiaal naast een goede warmte geleiding een beperkte elektrische geleiding toont. Ook in dit opzicht kan met geselekteerde keramische materialen worden gewerkt.

In een verdere voorkeursuitvoering bevat de deeltjes bron een ionen emitter bijvoorbeeld als beschreven in US 4,820,898 en is verder uitgerust met een of meer ijzerloze supergeleidende ionen-optische elementen die zijn ingericht voor het opwekken van magneetvelden met een lokale veldsterkte tot bijvoorbeeld ongeveer 50 Tesla.

Aan de hand van de tekening zullen in het onderstaande enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven. De enkele figuur van de tekening toont, schematisch weergegeven, een elektronenbundel apparaat volgens de uitvinding met een elektronenbron 2, bij voorkeur uitgevoerd als een halfgeleider elektronen emitter, een aantal elektronen optische lenzen 4, waaronder bijvoorbeeld een condensorlens 41, een objektieflens 42 en een projektielens 43 en een aantal elektronenbundel afbuigelementen 6 waaronder bijvoorbeeld een meerpoollenssysteem 61, een bundelonderbreker 62 en een bundelalignmentsysteem 63. De optische elementen zijn opgenomen in een huis 8 dat als minikolom uitgevoerd bijvoorbeeld wordt gevormd door een cilindervormige buis met een lengte van bijvoorbeeld 10 cm en een dwarsdoorsnede van bijvoorbeeld 0,5 cm. De lenzen 4 waarvan er slechts enkele zijn weergegeven maar waarvoor er een groot aantal kan zijn opgenomen, worden gevormd door ringgeleiders, bijvoorbeeld als aangegeven in figuur la. De lenzen kunnen bij voorkeur gecoördineerd vanuit een besturingsinrichting 10 worden bekrachtigd. Elk van de ringgeleiders omvat een supergeleidende ring 20 die al dan niet geheel gesloten kan zijn en toevoerleidingen 22 die gedeeltelijk uit supergleidende materiaal kunnen bestaan. In gesloten supergeleidende kringen kunnen persisterende stromen worden opgewekt waarmede een zeer konstante en betrouwbare lenswerking kan worden gerealiseerd, de bestuurbaarheid van die lenzen is mogelijk moeilijker dan open lenzen waarbij de stroomkring slechts gedeeltelijk door supergeleidend materiaal plaatsvindt. In een kolom volgens de uitvinding kunnen beide worden toegepast.

De kolom uitgevoerd als minikolom kan met bevestigingsmiddelen eenvoudig op een op zich bekende objektkamer worden aangesloten. Een dergelijke objektkamer kan naast een objekttafel ook detektoren voor bijvoorbeeld het detekteren van in het objekt opgewekte straling bevatten. Hier bevat de kolom aan een van de bron afgekeerde uiteinde een objektruimte 12 met een objektdrager 11, een objekt 13 en detektoren 14. De objektruimte kan ook ergens tussen elektronen optische elementen zijn gelegen. De afbuigelementen bestaan bijvoorbeeld uit ringgeleiders 20 zoals aangegeven in figuur lb. Deze ringgeleiders zijn met hun windingsvlak parallel met de optische as 30 van de kolom gemonteerd. De ringgeleiders kunnen in een plat vlak liggen, bijvoorbeeld voor een kolom met een rechthoekige dwarsdoorsnede. Voor een kolom met een cirkelvormige dwarsdoorsnede zullen de wikkelvlakken bij voorkeur een cilindermanteldeel om de optische as 30 vormen. De ringgeleiders kunnen zowel los in de kolom zijn gemonteerd als op een binnenwand van de kolom zijn aangebracht. Het laatste is in het bijzonder gunstig als bij koeling ook het huis 8 tot een temperatuur onder het sprongpunt van de ringgeleiders wordt gekoeld. Deze methode van koeling is bijvoorbeeld praktisch indien meerdere kolommen op een gezamelijke objektkamer zijn aangesloten en gezamelijk bijvoorbeeld in een aansluitende behuizing zijn opgenomen. Door in de kolom een groot aantal optische elementen op te nemen die vormt een besturingssysteem gecoördineerd volgens vaste of instelbare programma’s kunnen worden geaktiveerd, kan de kolom sterk multi-funktioneel zijn zonder dat aan de geometrie iets behoeft te worden gewijzigd. Voor koeling is hier een koelreservoir 24 bijvoorbeeld een vloeibaar stikstofreservoir of een koelmachine opgenomen. Op dat koelreservoir is hier een langs de kolom verlopende koudeleider 31 met een retourleider 32 aangesloten. Via koelverbindingen 34 kunnen aldus alle daarvoor in aanmerking komende elementen worden gekoeld.

Overigens kan ook de kolom zelf als koelleider fungeren of kan de koelleider 32 bijvoorbeeld spiraalsgewijs om de kolom zijn gewikkeld en bijvoorbeeld ook een retourleider omvatten. Vooral daar waar meerdere minikolommen zijn samengevoegd, is het uit ruimte-overweging gunstig de kolommen, bijvoorbeeld vanaf een bronzijde daarvan te koelen en de wand van de kolom als koudeleider te gebruiken. Meerdere kolommen kunnen via een warmte-isolator op een objektkamter zijn aangesloten maar indien gewenst kan ook de objektkamer worden gekoeld. Door de geringe afmetingen en de uiterste stabiele opbouw van de minikolom volgens de uitvinding kan daarmee ook een mechanische aftasting worden doorgevoerd. De kolom kan daarbij zijn gemonteerd op een x-y bewegingsmechanisme of in een rotatiemechanisme zijn opgenomen voor het uitvoeren van bijvoorbeeld een titlbeweging over een gekozen koeltrajekt of een azimenthale beweging onder een vaste hoek van bijvoorbeeld donkerveldbelichting van een objekt.

Claims (20)

1. Geladen deeltjes bundel apparaat voorzien van een deeltjesbron en van een met een supergeleidende spoel uitgerust deeltjes optische element, met het kenmerk, dat een supergeleidende spoel van een deeltjes optisch element is opgebouwd uit een stroomgeleider uit hoge Tc supergeleidend materiaal dat is aangebracht op een drager met een relatief hoge warmte geleiding.

2. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stroomgeleiders bestaan uit een supergeleidend materiaal met een relatief hoge soortelijke warmte kapaciteit en/of een hoge weerstand tegen quenchen als gevolg van magnetische velden.

3. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat een met supergeleidende stroomgeleiders uitgeruste deeltjes optisch element een poolschoenloze objektieflens van een elektronen microscoop vormt.

4. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de objektieflens is uitgerust met een uit supergeleidende stroomgeleiders opgebouwde omschakelbare trimlens.

5. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat daarin meerdere geïntegreerde supergeleidende deeltjes optische elementen zijn opgenomen.

6. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat meerdere onderling ongelijke supergeleidende deeltjes optische elementen, om een gezamelijke optische as gerangschikt, tot een geïntegreerde deeltjes optische kolom zijn samengevoegd.

7. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat daarin zowel focusserende als afbuigende supergeleidende deeltjes optische elementen zijn opgenomen.

8. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 5, 6 of 7, met het kenmerk, dat een geladen deeltjes bron een niet thermische deeltjes emitter bevat.

9. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 5, 6, 7 of 8, met het kenmerk, dat daarin meerdere, op eenzelfde trefpunt instelbare geïntegreerde deeltjes optische kolommen zijn opgenomen.

10. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens één der conclusies 5 tot en met 9, met het kenmerk, dat een daarin optische kolom ten opzichte van een te bestralen objekt transleerbaar en/of kantelbaar is.

11. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens één der conclusies 8 tot en met 10, met het kenmerk, dat een daarin opgenomen geïntegreerde deeltjes optische kolom als geheel tot onder de sprong temperatuur Tc van het supergeleidende spoelmateriaal afkoelbaar is.

12. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat substantieel in een gemeenschappelijk vlak gelegen supergeleidende deeltjes optische elementen een geïntegreerde matrix van deeltjes optische elementen vormen.

13. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat meerdere, substantieel in een vlak gelegen supergeleidende deeltjes optische elementen met elk een dwars op een bundelbaan gelegen supergeleidende ringgeleider een matrix van deeltjes optische lenzen vormen.

14. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat meerdere substantieel in een vlak gelegen supergeleidende deeltjes optische elementen met elk een parallel met een bundelbaan gelegen ringgeleider een matrix van deeltjes optische bundel afbuigelementen vormen.

15. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens één der conclusies 5 tot en met 14, met het kenmerk, dat meerdere supergeleidende deeltjes optische elementen daarin onderling gecorreleerd instelbaar zijn.

16. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat aan meerdere supergeleidende deeltjes optische elementen daarin een gezamelijke bekrachtigingsstroom trimregelbaar is toegevoegd.

17. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat supergeleidende stroomgeleiders daarin zijn opgebouwd uit op een drager neergeslagen Y Ba2Cu307 supergeleidend materiaal.

18. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een deeltjesbron daarin een ionen emitter bevat en ijzerloze supergeleidende ionen optische elementen zijn ingericht voor het opwekken van magneetvelden met een lokale veldsterkte tot ongeveer 50 Tesla.

19. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat dragers voor supergeleidende geleiders uit een materiaal met een relatief hoge warmte geleiding en een beperkte elektrische geleiding bestaan.

20. Geladen deeltjes bundel apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat dragers voor supergeleidende geleiders uit een materiaal met nabij de sprongtemperatuur Tc van de supergeleidende geleiders een relatief hoge soortelijke warmte kapaciteit.