DE927524C - Polschuh fuer magnetische Elektronenlinsen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung einer magnetischen Elektronenlinse, die in Elektronenmikroskopen und ähnlichen Instrumenten verwendet wird, sowie auf ein Elektronenmikroskop mit solchen Linsen.

Verringerung der Brennweite einer magnetischen Elektronenlinse fördert die Güte der Linse, da die chromatische Aberration dadurch geringer wird. Einer der daraus folgenden Vorteile ist der, daß die durch Schwankungen der Beschleunigungsspannung der Elektronen oder des Erregerstroms der Linse hervorgerufene Unscharfe geringer wird, so daß die Stabilisierung der erwähnten elektrischen Größen weniger hohe Anforderungen zu erfüllen braucht. Die Erfindung bezweckt, eine magnetische Elektronenlinse zu schaffen, die eine kleine Brennweite hat, und ermöglicht, auch weitere Vorteile zu erzielen.

Das magnetische Feld zwischen den Polen einer Elektronenlinse dringt in die Bohrung der Polschuhe hinein, besonders wenn letztere dem magnetischen Sättigungszustand nahekommen. Die Feldkurve, d. h. die Kurve, welche die magnetische Feldstärke H in der Linsenachse als Funktion des Abstandst längs dieser Achse darstellt, weist Ausläufer auf. Dies ist ein Nachteil, denn infolgedessen wird die Brennweite größer und die Linse somit schwächer.

Dieser Nachteil wird bei dem vorliegenden Polschuh für eine magnetische Elektronenlinse dadurch verringert, daß erfindungsgemäß seine Magnetisierbarkeit in der Umgebung der Bohrung in der Achsenrichtung größer ist als in einer zu dieser Achse senkrechten Richtung.

Dies kann durch eine besondere Eigenschaft des Materials der Polschuhe (materielle Anisotropie)

oder durch eine besondere Bauart der Polschuhe (geometrische Anisotropie) vermittelt werden. Auch können beide Mittel zugleich angewandt werden.

Materielle Anisotropie kann z. B. dadurch erzielt werden, daß die Polschuhe aus einer Legierung hergestellt werden, die im wesentlichen aus nahezu gleichen Prozentsätzen Eisen und Kobalt besteht. Wird eine solche Legierung in einem magnetischen Feld gekühlt, so wird die magnetische Permeabilitat in der Richtung der magnetischen Feldstärke wesentlich größer als in einer zu dieser Feldstärke senkrechten Richtung.

Geometrische Anisotropie läßt sich erzielen, indem in dem Polschuh ein wendeiförmiger Spalt oder mindestens ein geschlossener zylinderförmiger Spalt vorgesehen wird, der .die Achse der Polschuhe umgibt. Diese Spalte sind gegebenenfalls ganz oder teilweise mit nicht magnetisierbarem Stoff ausgefüllt. Die Spalte brauchen im allgemeinen nicht tiefer als der Polabstand (der Abstand zwischen den Polen der Linse) zu sein.

Dazu kann der Polschuh ausgebohrt werden, oder

es kann auch ein gesondertes ferromagnetiedhes Einsatzstück, das nicht zu dem eigentlichen magnetischen Kreis gehört, in die Bohrung des Polschuhs eingeführt werden. In seiner einfachsten Form ist dieses Einsatzstück ein Röhrchen aus ferromagnetischem Material, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung. Das Röhrchen braucht nur eine geringe Wandstärke zu haben und kann mittels mindestens eines nicht magnetisierrbaren Füllstücks gehaltert werden. Zur Steigerung der Wirkung können zwei oder mehr solcher Zylinder konzentrisch vorgesehen werden.

Die gewünschte Wirkung läßt sich auch durch ein Einsatzstück erzielen, dessen Außendurchmesser gleich dem Durchmesser der Bohrung ist, wenn magnetisch anisotropes Material verwendet werden soll, ohne daß der ganze Polschuh aus diesem Material hergestellt wird.

Ein anderes Verfahren zur Erzielung der gewünschten geometrischen Anisotropie besteht darin, ■ daß der Teil des Polschuhs, von dem die wirksamen Kraftlinien ausgehen, aus einem Streifen ferromagnetischen Materials gewickelt wird, wobei die Windungen durch eine Schicht aus "nicht magnetisierbarem Material getrennt werden.

Die Zwischenschicht erübrigt sich, wenn ein magnetisch anisotroper- Wickelstreifen' verwendet wird. Zu diesem Zweck eignet sich das bekannte Nickeleisenband, aus dem Pupinspulenkerne hergestellt werden. In der zur Oberfläche senkrechten Richtung und in der Längsrichtung ist dieses Band weniger stark magnetisierbar als in der Breiterichtung.

Die Erfindung wird an-Hand der Zeichnung-näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 5 dieser Zeichnung zeigen schematische Ausführungsformen von Polschuhen nach der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 beziehen sich auf eine Linse mit in den Polschuhen ausgebohrten Spalten. Fig. I ist ein Schnitt in einer Ebene durch die Linsehachse.

Sie zeigt einen Teil der Linse, der ein Gebiet umfaßt, in dem die Elektronen der Einwirkung des magnetischen Feldes unterliegen. Fig. 2 zeigt den zentralen Teil einer der Polschuhe derselben Linse, in der Richtung der Achse gesehen. ,

Die Fig. 3 und 4 sind auch Schnitte in einer Ebene durch die Linsenachse. Fig. 3 zeigt einen Teil eines Polschufas, bei diem ein in sich geschlossener Spalt mit Hilfe eines Einsatzzylinders gebildet ist, und Fig. 4 stellt einen Teil eines Polschuhs dar, der eine wendeiförmige, mittels eines aufgewickelten Streifens gebildete Rille aufweist.

Fig. 5 zeigt den zentralen Teil des Polschuhs nach Fdg. 4, in der Adfasenrichtang gesehen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Feldkurven magnetischer Elektronenlinsen und dienen dazu, die durch die magnetische Anisotropie erzielte Wirkung deutlicher hervorzuheben.

Die in Fig. 1 dargestellte Linse hat zwei Polschuhe ι und 2. Diese haben eine Bohrung 3 bzw. 4 mit kreisförmigem Querschnitt. Die Polschuhe sind derart einander gegenüber angeordnet, daß die Achsen der Bohrungen 3- und 4 sich decken. Beim Betrieb der Linse wandern die Elektronen in der Umgebung der Achse 5 durch die Bohrung 3 nach der Bohrung 4. Diese Elektronen wandern durch einen entlüfteten Raum, der von der Innenwand der Polschuhe, aber auch von einem in die Bohrung der Polschuhe eingeführten Röhrchen nicht ferromaginetischen Stoffes¹ begrenzt werden kainn'.· Mittels einer nicht dargestellten Feldwicklung oder eines dauermagnetischen Systems werden die Polschuhe derart magnetisiert, daß an den Polflächen 6 und 7 entgegengesetzte Pole entstehen und im Raum zwischen diesen Flächen ein magnetisches Feld erzeugt wird, dessen Kraftlinien im wesentlichen in der Richtung der Achse 5 liegen. Dieses Feld übt eine fokussierende Wirkung auf die Elektronenbahn aus. . -

Gemäß der Erfindung sind in den Polschuhen zylindrische Spalte 8 und 9 vorgesehen. Solange keine magnetische Sättigung eintritt, üben diese Spalte wenig Einfluß auf das wirksame Feld aus. Bei einem Polschuh ohne Spalt hat magnetische Sättigung zur Folge, daß das an der Bohrung liegende Material mit gesättigt wird und daß eine größere Menge Kraftlinien aus diesem heraustreten, wodurch die vorerwähnten Ausläufer entstehen. Bei nicht zu starker Erregung verhüten die Spalte die Sättigung des von ihnen umgebenen Materials, das infolgedessen den Raum in der Bohrung gleichsam magnetisch abschirmt und somit das Feld in diesem Raum unterdrückt. Die Feldstärke in der Umebung der Achse 5 in dem zwischen den PoI-flächen 6 und 7 liegenden Gebiet wird hingegen größer. Die Weite des Spalts kann 1,5 mm und die Stärke der von ihm umgebenen· Wand 121 mm bei einem Bohrungsdurchmesser von 6 mm "betragen. Die Tiefe der Spalte 8 und 9 ist ζ. Β. ΐζ mm hei ■inem Polabstand von 11 mm. ' - - -

Eine gleiche Wirkung wird bei den Polschuhen nach Fig. 3 dadurch erzielt, daß die Bohrung 3 mit einer Aufweitung 13 versehen und in dieser ein

gesonderter Zylinder 14 aus ferromagnetischem Material angeordnet wird, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der lichte Durchmesser der Aufweitung 13. Es bleibt also ein Zwischenraum 15 übrig zwischen dem Einsatzröhrchen 14 und der dieses umgebenden Wand. Das Röhrchen 14 ist derart angeordnet, daß seine Achse sich mit der Achse 5 deckt, und wird mittels eines Zwischenstücks 16 gehalten, das den Raum 15 teilweise ausfüllt. Dieses Zwischenstück ist aus einem nicht magnetisierbaren und zum Verhüten hinderlicher Ladungen vorzugsweise leitenden Material, z. B. Kupfer oder Aluminium, hergestellt.

Es können auch zwei oder mehr Spalte wie die der Linse nach Fig. 1 umeinander vorgesehen oder auch zwei oder mehr Zylinder wie bei dem Polschuh nach Fig. 3 gleichachsig angebracht werden. Bei dem Polschuh nach Fig. 4 hat die Aufweitung 17 bei der Mündung des Kanals 3 einen größeren Durchmesser als die Aufweitung 13 nach Fig. 3. In der Aufweitung 17 ist ein Ring 18 vorgesehen, der aus einem aufgewickelten Streifen aus ferromagnetischem Material 19 hergestellt ist, der einen Streifen aus nicht magnetisierbarem Material 20, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, berührt. Diese Streifen haben z. B. eine Stärke von 0,2 bzw. 0,1 mm. Die Tiefe der Spalte 8 und 9, die Länge des Röhrchens 14 und die Höhe des Rings 18 können verhältnismäßig beliebig gewählt werden. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß sie vorzugsweise nicht kleiner als der Polabstand der Linse, d. h. der Abstand zwischen den Flächen 6 und 7, sein sollen. Es ist auch nicht erforderlich, daß der Rand des Zylinders 14 in der Fläche 6 liegt.

Eine ähnliche Wirkung wie die mittels der Bauarten nach den Fig. 1 bis 5 erzielte Wirkung läßt sich erzielen, indem der dargestellte Teil der Polschuhe aus magnetisch anisotropem Material hergestellt wird, das in der Richtung der Achse 5 (in axialer Richtung) eine größere magnetische Permeabilität aufweist als in einer zu dieser Achse senkrechten Richtung (in radialer Richtung). Ein Beispieleines Polschuhs mit dieser Eigenschaf t ist nicht dargestellt, da die Form und die Bemessung eines solchen Polschuhs sich nicht von denen der bekannten Arten zu unterscheiden brauchen. Der Polschuh muß aus einer besonderenArt magnetisierbaren Materials hergestellt sein, z. B. aus einer Legierung, die im wesentlichen aus annähernd gleichen Prozentsätzen Eisen und Kobalt besteht. Um einen aus diesem Material hergestellten Polschuh magnetisch anisotrop zu machen, wird er auf z. B. 8oo° C erhitzt, worauf er langsam in einem magnetischen Feld gekühlt wird, dessen Kraftlinien parallel zur Achse S des Polschuhs sind.

Es ist selbstverständlich, daß bei der Linse nach Fig. ι die Polschuhe 1 und 2 auch aus magnetisch anisotropem Material hergestellt werden können. Dies trifft auch zu bei dem Ring 14 nach Fig. 3 und bei den weiteren Ringen, die in diesem Fall vorgesehen werden können, aber im allgemeinen werden bei Verwendung von anisotropem Material die Bauarten nach den Fig. 1, 2 und 3 nicht mehr erforderlich sein, um außer der dem Material innewohnenden Anisotropie noch eine geometrische Anisotropie zu erzielen.

Die Verhältnisse sind jedoch anders bei der Bauart nach Fig. 4. In der Technik steht nämlich bandförmiges Material mit anisotropen magnetischen Eigenschaften zur Verfügung. Dieses Material, das unter anderem zur Herstellung von Pupinspulenkernen verwendet wird, besteht aus einer Legierung, die im wesentlichen aus Eisen und Nickel besteht und die einer solchen Bearbeitung (Glühen und Kühlen in einem magnetischen Feld) unterworfen wird, daß die Magnetisierbarkeit in der Längsrichtung des Bandes (in der Walzrichtung) und in der zur Oberfläche senkrechten Richtung geringer ist als in der Breiterichtung des Bandes. Diese magnetische Anisotropie wäre an sich meistens genügend, um die durch die Erfindung angestrebte Wirkung zu erzielen, so daß eine zweite Schicht zum Getrennthalten der aufeinanderfolgenden Windungen sich bei Verwendung dieses Materials erübrigt.

Naturgemäß stört das innere Ende eines wendelförmig gewickelten Streifens die radiale Symmetrie der Linse, was die Güte beeinträchtigt. Diese Erscheinung kann ausreichend dadurch unterdrückt werden, daß in dem von den aufgewickelten Streifen gebildeten Ring ein geschlossener Zylinder aus ferromagnetischem Material gleichachsig angebracht wird.

In Fig. 6 stellt die Kurve 21 die magnetische Feldstärke// als Funktion des Abstandst von der Symmetriefläche zwischen den Polschuhen einer Linse bekannter Bauart in dem magnetischen Sättigungszustand dar. Die Feldstärke hat ein Maximum im Punkt, wo die Achse 5 die Ebene 22 schneidet. Durch Verbesserung der Linse gemäß der Erfindung wird die Kurve in dem Sinne geändert, daß die Flanken steiler werden und das Maximum höher wird. Sie nimmt z. B. die Gestalt der Kurve 23 an. Wenn die Abmessungen der Linse und auch die Erregung (magnetomotorische Kraft) gleichbleiben, wird die Oberfläche/ HdI der Figur zwischen der Feldkurve und der s-Achse sich nicht ändern. Die Stärke der Linse ist jedoch proportional mit/ H²dz, und dieser Wert nimmt zu in dem Maße, wie die Kurve bei gleichbleibender Oberfläche einen höheren Maximalwert für H aufweist.

Es kann in gewissen Fällen nützlich sein, nur bei dem auf der Bildseite liegenden Polschuh die Maßnahme nach der" Erfindung durchzuführen "oder diesem Polschuh eine stärkere magnetische Anisotropie zu erteilen als dem Polschuh auf der Seite des Gegenstands. In diesem Fall entsteht nicht eine symmetrische Feldkurve, wie in Fig. 6 dargestellt ist, sondern eine asymmetrische, von der in Fig. 7 ein Beispiel angegeben ist. Die Feldstärke nimmt dabei auf der Bildseite schneller ab als auf der Seite des Gegenstands. Es wurde festgestellt, daß ein solcher Verlauf der Feldstärke in bezug auf die sphärische Aberration der Linse vorteilhaft ist. Umgekehrt kann es auch vorkommen, daß man gerade auf der Seite des Gegenstands die Feldkurve steller zu machen wünscht, um die Fläche des

Gegenstands außerhalb des Feldes zu halten, während auf der Bildseite eher ein Ausläufer zugelassen wird, um die Kontrastwirkung auszunutzen, die infolge Hintergrundbildung bei einem gewissen Maß sphärischer Aberration auftritt.

Die Erfindung ist nicht nur von Bedeutung für die Herstellung von Objektivlinsen mit kleiner Brennweite, sondern auch für Projektionslinsen. Die durch solcheLinsen erzeugte Vergrößerung wird

ίο meistens durch Änderung des Erregerstroms geregelt. Es kommt jedoch auch vor, daß eine gesteigerte Erregung nicht die angestrebte stärkere Vergrößerung liefert. Die Vergrößerung kamin sogar bei zunehmender Stärke der Erregung geringer werden. Diese Erscheinung wird dadurch hervorgerufen, daß bei einer stark erregten Linse Elektronenbahnen die Achse in einem Punkt schneiden, der noch innerhalb des Wirkungsgebiets der Linse liegt. Über diesen Punkt hinaus unterliegen die Strahlen infolgedessen einer Biegungskraft in der entgegengesetzten Richtung. Sie werden also wieder nach der Achse abgebogen, was eine Verringerung der Vergrößerung mit sich bringt.

Durch die vorliegende Maßnahme wird die wirksame Strecke des magnetischen Feldes eingeschränkt, so daß die Möglichkeit, daß der Schnittpunkt der Kathodenstrahlen mit der Achse innerhalb dieser Strecke liegt, kleiner wird.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Polschuh für eine magnetische Elektronenlinse, dadurch gekennzeichnet, daß seine Magnetisierbarkeit in der Umgebung der Bohrung in der Achsenrichtung größer ist als in einer zu dieser Achse senkrechten Richtung.

2. Polschuh nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in der Umgebung der Bohrung aus einem Material besteht, das in der Achsenrichtung eine größere magnetische Permeabilität hat als in einer zur Achse senkrechten Richtung.

3. Polschuh nach Anspruch 2, dadurch ge-, kennzeichnet, daß das Material eine Legierung im wesentlichen aus etwa gleichen Prozentsätzen Eisen und Kobalt ist.

4. Polschuh nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er wendeiförmige oder einen oder mehrere in sidh geschlossene, zyliiiderförmige, die Achse umgebende Spalte aufweist, die ' . gegebenenfalls ganz oder teilweise mit nicht magnetisierbarem festem Stoff ausgefüllt sind.

5. Polschuh nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spalt dadurch gebildet ist, daß ein Raum zwischen der Innenwand der Bohrung und einem in der Bohrung angebrachten Einsatzzylinder aus ferromagnetischem Stoff vorgesehen ist.

6. Polschuh nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des erwähnten Einsatzzylinders noch mindestens ein weiterer Einsatzzylinder mit einem Zwischenraum gleichachsig angebracht ist.

7. Polschuh nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring, der aus einem Streifen aiu® ferromagnetiisdhem Material gebildet ist, der gemeinsam mit einem Streifen aus nidht magnetisierbarem Material aufgewickelt ist, in die Bohrung des Polschuh« ekl·- geführt ist.

8. Polschuh nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen ringförmigen Teil aufweist, von dem eine der Vorderflächen die Polfläche und von dem die öffnung die Bohrung des Polschuhs bildet, welcher Teil aus einem aufgewickelten Streifen aus einem ferromagnetischen Material besteht, der in der Breiterichtung eine größere Permeabilität aufweist als in der zur Oberfläche senkrechten Richtung.

9. Polschuh nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material eine Legierung ist, die im wesentlichen Eisen und Nickel enthält.

10. Polschuh nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des aufgewickelten Streifens ein Zylinder aus ferromagnetischem Material gleichachsig angebracht ist, der die Störung der von dem inneren Ende des Streifens hervorgerufenen radialen Symmetrie beseitigt.

11. Elektronenmikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine magnetische Elektronenlinse mit Polschuhen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 enthält.

12. Elektronenmikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine magnetische Elektronenlinse enthält, von der nur einer der Polschuhe einem der Ansprüche 1 bis 10 entspricht oder von der der eine Polschuh den Unterschied in Magnetisierbarkeit in der Achsenrichtung und in der zur Achse senkrechten Richtung stärker hervorhebt 'als der andere.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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