SU1008816A1

SU1008816A1 - Magnetic optronic device dvwith corrected spheric awerration

Info

Publication number: SU1008816A1
Application number: SU813299531A
Authority: SU
Inventors: Василий Петрович Афанасьев; Евгения Владимировна Шпак
Original assignee: Ордена Ленина физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе
Priority date: 1981-06-11
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1983-03-30

Abstract

1. МАГНИТНОЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО CO СКОРРЕКТИРОВАННОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ АВЕРРАЦИЕЙ, содержащее линзу с магнитами, расположенными симметрично относительно двух взаимно перпендикул рных плоскостей, проход гдих через оптическую ось устройства, совпад ющую с осью электронного пучка, причем симметричные магниты имеют одинаковую величину намагниченности и обращены к оси устройства разноименными полюсами, отличающеес тем, что, с целью упрощени конструкции и юстировки, магниты расположены в параллельных оптической оси плоскост х группами, включающими не менее двух магнитов, намагниченных в направлении,, перпендикул рном указанным паргшлельным плоскост м . с 2. Устройство по п. 1, о т л и (О чающеес тем, что магниты выполнены в виде плоских электромагнитных катушек. 00 00 о 1. MAGNETIC ELECTRON-OPTICAL DEVICE CO CORRECTED SPHERICAL AVERRATSIEY comprising lens with magnets disposed symmetrically relative to two mutually perpendicular planes passing through the optical device gdih axis coinciding with the guide of the electron beam axis, wherein the symmetric magnets have the same magnitude of magnetization and directed to The device axes have opposite poles, characterized in that, in order to simplify the construction and alignment, the magnets are arranged in parallel to the optical axis of the field. Bone groups containing at least two magnets magnetized in the direction perpendicular to the specified parcel planes. с 2. The device according to p. 1, l t l and (About that the magnets are made in the form of flat electromagnetic coils. 00 00 o

Description

Изобретение отноритс к электронно-оптическим устройствам со скорректированной сферической аберрацией дл фокусировки и отклонени пучков зар женных частиц и может примен тьс в различных электронно-оптических приборах, например в электронно-лучевых трубках, спектрометрах, микроскопах , в транспортирующих каналах ускорителей.The invention relates to electron-optical devices with corrected spherical aberration for focusing and deflecting beams of charged particles and can be used in various electron-optical devices, for example in cathode-ray tubes, spectrometers, microscopes, in accelerator transport channels.

Известны устройства со скорректированной сферической аберрацией, состо щие из осемметричных линз, корректоров сферической аберрации, содержащих квадрупольные и октупольные линзы,а также совмещенные квадрупрльные и октупольные линзы. Devices with corrected spherical aberration are known, consisting of axially shaped lenses, correctors for spherical aberration, containing quadrupole and octupole lenses, as well as combined quadrupole and octupole lenses.

, Магниты указанных устройств расположены симметрично относительно двух плоскостей симметрии, перпендикул рных между собой и проход щих через оптическую ось устройства, совпадающую с осью пучка l .The magnets of these devices are arranged symmetrically with respect to two planes of symmetry, perpendicular to each other and passing through the optical axis of the device coinciding with the beam axis l.

Недостатком указанных устройств вл етс невысокое качество изображени из-за чрезвычайно сложной юсти ровки большого количества магнитов квадрупольных и октупольных линз корректоров.The disadvantage of these devices is the low image quality due to the extremely complex alignment of a large number of quadrupole and octupole magnet magnets of the correctors.

. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности вл етс электронно-оптическое устройство, состо щее из четырех квадрупольных и трех октупольных магнитных линз, примен емое в сканирующем электронном микроскопе.. The closest to the proposed technical entity is an electron-optical device consisting of four quadrupole and three octupole magnetic lenses, used in a scanning electron microscope.

Данное устройство содержит 40 магнитов , -которые расположены симметрично относительно двух плоскостей симметрии , перпендикул рных между собой и. проход щих через оптическую ось системы, совпадающую с осью пучка , причем магниты расположены таким образом, что создают магнитное поле, антисимметричное относительно этих плоскостей симметрии. Четыре квадруполЬные линзы создают правильное электронно-оптическое изображение, а три октупол полностью корректируют сферическую аббераедю третьего пор дка системы 2 .This device contains 40 magnets, - which are arranged symmetrically with respect to two planes of symmetry, perpendicular to each other and. passing through the optical axis of the system, which coincides with the axis of the beam, and the magnets are arranged in such a way that they create a magnetic field antisymmetric with respect to these planes of symmetry. Four quadrupole lenses create the correct electron-optical image, and the three octupoles completely correct the spherical third-order abberade of the system 2.

Однако данное устройство обладает недостаточно хорошим качеством изображени из-за весьма трудоемкой юстировки, что обусловлено сложной конструкцией и наличием большого числа магнитов, подлежащих сборке и юстировке.However, this device has an insufficiently good image quality due to the very laborious alignment, which is due to the complex design and the large number of magnets to be assembled and adjusted.

Цель -Изобретени - упрощение конструкции и юстировки.The purpose of the Invention is to simplify the design and alignment.

Указанна цель достигаетс тем, что в магнитном электронно-оптическом устройстве со скорректированной сферической аберрацией, содержащем линзу с магнита1 1и, расположенными симметрично относительно двух взаимно перпендикул рных плоскостей, проход щих через оптическую ось устройства , совпадающую с осью электронного пучка, причем симметричные магниты имеют одинаковую величину намагниченности и обращены к оси устройства разноименными полюсами, последние расположены в параллельных оптической оси плоскост х группами, включающими не менее двух магнитов, намагниченных в направлении, перпендикул рном указанным параллельным плоскост м.This goal is achieved by the fact that in a magnetic electron-optical device with corrected spherical aberration, containing a lens with a magnet1 and located symmetrically relative to two mutually perpendicular planes passing through the optical axis of the device, coinciding with the axis of the electron beam, and symmetric magnets have the same the magnitude of the magnetization and facing the axis of the device opposite poles, the latter are located in parallel planes parallel to the optical axis by groups including at least two magnets magnetized in the direction perpendicular to the indicated parallel planes.

Магниты могут быть выполнены в виде плоских электромагнитных катушек , а также, например, в виде набора ферритовых пластин, укрепленных на немагнитных пластинах . ,The magnets can be made in the form of flat electromagnetic coils, as well as, for example, in the form of a set of ferrite plates mounted on non-magnetic plates. ,

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.The drawing shows a diagram of the proposed device.

Устройство содержит линзу, состо щую из двух немагнитных пластин 1, параллельных между собрй и оптической оси Z устройства, совпадающей с осью пучка, на которые нанесены магниты в виде плоских электромагнитшлх катушек, сгруппированны в группы 2-9. Катушки каждой пары групп (2-3, 4-5, 6-7, 8-9) расположены симметрично относительно плоскостей XOZ, OZ . Катушки соединены гальванически с источниками посто нного тока.The device contains a lens consisting of two non-magnetic plates 1 parallel between the assembly and the optical axis Z of the device, coinciding with the axis of the beam, on which magnets in the form of flat electromagnetic coils are applied, are grouped into groups 2-9. The coils of each pair of groups (2-3, 4-5, 6-7, 8-9) are located symmetrically with respect to the XOZ, OZ planes. The coils are galvanically connected to direct current sources.

Устройство работает следующим :образом.The device works as follows:

Через симметричные катушки каждой пары групп (2-3, 4-5, 6-7, 8-9) пропускаетс один и тот же по величине ток. Поэтому магнитные пол от соответствующих катушек в симметричных точках равны между собой. При этом направление тока в каждой из катушек таково, что направлени силовых линий в симметричных точках противоположны друг другу.Through the symmetrical coils of each pair of groups (2-3, 4-5, 6-7, 8-9), the same current flows through. Therefore, the magnetic fields from the corresponding coils at symmetrical points are equal to each other. In this case, the direction of the current in each of the coils is such that the directions of the power lines at symmetrical points are opposite to each other.

Таким образом, создаетс магнитное поле, антисимметричное относительно плоскостей симметрии линзы. Пучок зар женных частиц из источника последовательно подвергаетс действию осесимметричной, квадрупольной и октупольной составл ющих пол катушек каждой пары групп, причем выбором токов в катушках добиваютс того, чтобы суммарное действие осесимметричной и квадрупольной срставл квдих пол всех групп было фокусирующим , а суммарное действие октупольных составл к циж корректировало сферическую аберрацию устройства.Thus, a magnetic field is created that is antisymmetric with respect to the planes of symmetry of the lens. The beam of charged particles from the source is successively subjected to the action of the axisymmetric, quadrupole and octupole components of the field of the coils of each pair of groups, and the choice of currents in the coils ensures that the total action of the axisymmetric and quadrupole fields of the fields of all groups is focusing, and the total action of the octupole components Cyg corrected the spherical aberration of the device.

Предлагаема конструкци позвол е добитьс этого. Действительно, если магниты расположены симметрично относительно плоскостей XOZ и VOS , а пол рность их относительно этих плоскостей антисимметрична, то разложение магнитного скал рного потенциала вблизи оси симметрии имеет видThe proposed design allows you to achieve this. Indeed, if the magnets are arranged symmetrically with respect to the XOZ and VOS planes, and their polarity relative to these planes is antisymmetric, then the decomposition of the magnetic scalar potential near the axis of symmetry has the form

-са(Х2,)«ио(г.)идг1ху+и(г)ху(хПу2) где U,XY - квадрупольна составл ю ща пол { U2XY{x-v f )- октупольна , функции U, и Ц 2 определ ют .фо;кусирую1цие свойства и аберрации третьего пор дка соответственно и, свою очереда, определ ютс силой и взаимным расположением магнитов. Функции О и U2 завис т от силы маг нитов поразнрму, поэтому оказываетс возможным выбрать силы магнитов так, чтобы добитьс необходимого фо кусирующего действи устройства при одновременной коррекции сферической абберации.третьего пор дка. . На электронно-оптической скамье макет СОСТОЯ1ЦИЙ из двух секций, по .четыре плоских электромагнитных катушки, и каждой секции изготовлен и испытан. Секции изготовлены из фольгированного гетинакса (120К50 мм), катушки получены фотозсимическим способом. Длина катушек вдоль оси системы равна 100 мм , шир на средних катушек - 20 мм, крайних - 10 мм. Катушки выполнены пр моугольными со спиральной намоткой. Число витков в средних катушках - 1 в крайних - 7. Средние катушки обеи секций и раздельно крайние соединены между собой последовательно так, что направлени токов в симметричны катушках противоположны друг другу, причем и магнитные пол в симметрич ных катушках равны между собой, а направлени силовых линий в них про воположны друг другу. При этом форм руетс магнитное поле, антисимметр ич ное относительно плоскостей симметрии . Таким образом, магнитное поле линзы управл етс двум токами - по .средним и крайним катушкам. Секции скреплены между собой болтами по углам пластин через отверсти в них, причем между пластинами вставлены калиброванные столбики, а отверсти дл болтов в пластинах распологают одинаково, что обеспечивает параллельность пластин и совмещение плоскостей симметрии линзы. Линзу креп т в трубу 51 мм так, что она входит в трубу с трением, причем ось ее совмещают с осью трубы, выставленной по оси электронно-оптической скамьи. Методом двух сеток измер ют фокусирующие свойства и сферическую аберрацию.третьего пор дка. Обработка экспериментальных результатов показывает, что линза действует как суперпозици совмещенных квадрупольной и октупольной линз, длинй которых равна 100 мм, а возбуждение квадрупольной и октупольной составл ющих определ етс линейной комбинацией токов в средних и.крайних катушках. Использование предлагаемо устройства по сравнению с известным предоставл ет большую гибкость в достижении необходимых функциональных характеристик , позвол ет упростить конструкцию устройства в целом, значительно облегчить юстировку-и, как следствие, улучшить качество изображени . Эффективность юстировки предлагаемого устройства по сравнению с известным достигает 96,5%. Предлагаемое устройство предполагает лишь семь юстировок {вместе 200 у прототипа) двух цельноизготовленных пластин с электромагнитными катушками: по одному параллельному переносу и двум поворотам на каждую пластину и установку в необходимое положение вдоль оптической оси. С ростом сложности функциональной задачи, сто щей перед устройством, и соответственно числа магнитов эффективность изготовлени и юстировки предлагаемого устройства увеличиваетс . Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным имеет более гибкие функциональные возможности и обладает более простой конструкцией.-ca (X2,) «io (r) idg1xu + and (r) xy (xpu2) where U, XY is the quadrupole component field {U2XY {xv f) is octupole, the functions U, and q2 are determined. the photocrossed properties and third order aberrations, respectively, and, in turn, are determined by the strength and mutual arrangement of the magnets. The functions O and U2 depend on the magnitude of the magnitude of the ipods, so it is possible to choose the strengths of the magnets in order to achieve the required focusing effect of the device while simultaneously correcting the spherical aberration of the third order. . On an electron-optical bench, the layout of the STATES of two sections, four flat electromagnetic coils, and each section are made and tested. The sections are made of foil getinax (120K50 mm), the coils are obtained by the photo-maximizing method. The length of the coils along the axis of the system is 100 mm, the width of the middle coils is 20 mm, and the outermost is 10 mm. The coils are rectangular with spiral winding. The number of turns in the middle coils is 1 in the outermost - 7. The middle coils of both sections and the extreme ends are connected in series so that the directions of the currents in the symmetric coils are opposite to each other, and the magnetic fields in the symmetric coils are equal to each other, and the directions of the power lines in them are opposite to each other. In this case, a magnetic field antisymmetrical with respect to the planes of symmetry is formed. Thus, the magnetic field of the lens is controlled by two currents — along the middle and outer coils. The sections are bolted together at the corners of the plates through the holes in them, with calibrated posts inserted between the plates, and the bolt holes in the plates are arranged in the same way, which ensures the parallelism of the plates and the alignment of the planes of symmetry of the lens. The lens is attached to a 51 mm tube so that it enters the tube with friction, and its axis is aligned with the axis of the tube, which is aligned with the axis of the electron-optical bench. The two-grid method measures the focusing properties and spherical aberration. A third order. Processing the experimental results shows that the lens acts as a superposition of superimposed quadrupole and octupole lenses, the length of which is 100 mm, and the excitation of the quadrupole and octupole components is determined by the linear combination of currents in the middle and outer coils. The use of the proposed device as compared with the known one provides greater flexibility in achieving the required functional characteristics, allows to simplify the design of the device as a whole, greatly simplifies the alignment and, as a result, improves the image quality. The efficiency of the adjustment of the proposed device in comparison with the known reaches 96.5%. The proposed device assumes only seven adjustments (together with 200 of the prototype) of two whole-made plates with electromagnetic coils: one parallel transfer and two turns on each plate and set to the required position along the optical axis. With increasing complexity of the functional task facing the device, and accordingly the number of magnets, the efficiency of manufacturing and alignment of the proposed device increases. Thus, the proposed device in comparison with the known has more flexible functionality and has a simpler design.

Claims

1. A MAGNETIC ELECTRON-OPTICAL DEVICE WITH A CORRECTED-WIRE SPHERICAL ABERRACTION, containing a lens with magnets symmetrically relative to two mutually perpendicular planes passing through the optical axis of the device, which coincide with the axis of symmetry of the electron beam, and the magnets have the same symmetry to the device axis with opposite poles, characterized in that, in order to simplify the design and alignment, the magnets are located parallel to the optical axis of the plane groups comprising at least two magnets magnetized in a direction perpendicular ,, said parallel planes.

2. The device according to claim 1, characterized in that the magnets are made in the form of flat electromagnetic coils.

X