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Elektronenoptische Vorrichtung zur Betrachtung sehr kleiner Gegenstände.
Die Erfindung betrifft eine elektronenoptisehe Betrachtungsvorrichtung, welche zum Ersatz des sogenannten"Elektronenmikroskops"bestimmt ist, von dem beispielsweise Martin, Whelpton und Parmun eine Ausführungsform im Journal of Seientifie Instruments, Bd. XIV, Heft l, vom Januar 1937 auf S. 14-24 beschrieben haben.
Bei dem Bau der bisher bekannten Elektronenmikroskope ging man von der Erfahrung aus, dass man eine primäre oder auch eine sekundäre Elektronenquelle unter Benutzung von "elektrischen Linsen" oder von "magnetischen Linsen" in der Form eines Elektronenbildes genau so abbilden kann, wie man eine Lichtquelle oder einen beleuchteten bzw. einen durchleuchteten Gegenstand mit Hilfe von optischen Linsensystemen abzubilden vermag.
Jeder mikroskopischen Betrachtung von sehr kleinen Objekten ist bekanntlich durch Beugungserscheinungen insofern eine absolute Grenze gesetzt, als man nur solche Gegenstände bzw. solche Details abbilden kann, die im Verhältnis zur Wellenlänge des abbildenden Strahles eine ausreichende Grösse besitzen. Infolgedessen liegt die Grenze des Auflösungsvermögens für das optische Mikroskop in der Grössenordnung der Lichtwellenlängen. Beim Elektronenmikroskop hingegen ist eine Wellenlänge zugrunde zu legen, die mit der Elektronengeschwindigkeit durch die bekannte de-Broglie-Beziehung :
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verknüpft ist. Aus dieser Formel ergibt sich z. B. für einen Elektronenstrahl von 100 Kilovolt Geschwindigkeit eine Wellenlänge, die etwa zehntausendmal kürzer ist als die mittlere Wellenlänge des sichtbaren Lichtes.
Infolgedessen müsste es theoretisch möglich sein, ein Elektronenmikroskop zu bauen, dessen Auflösungsvermögen bei gleicher Apertur etwa um vier Zehnerpotenzen höher liegt als das Auflösungsvermögen des Liehtmikroskops.
In der Praxis konnte man mit dem Elektronenmikroskop bisher bei der Untersuchung von Objektschnitten nur an das Auflösungsvermögen des Lichtmikroskops herankommen. Auch dies gelang jedoch nur bei Benutzung des Durehstrahlungsverfahrens, während man mit dem Reflexionsverfahren nicht einmal diesen Wert zu erreichen vermochte. Der Grund hiefür liegt in der unvermeidlichen Geschwindigkeitsstreuung, mit der die Elektronen das Objekt verlassen. Diese Gesehwindigkeitsstreuung ist bei Anwendung der Reflexionsmethode vor allem dann besonders gross, wenn sich den reflektierten Elektronen Sekundärelektronen zugesellen.
Sie ist jedoch auch beim Durchstrahlungsverfahren nicht unerheblieh, weil die zu untersuchenden Objekte, insbesondere Objekte organischer Natur, stets eine gewisse Dicke besitzen, so dass die Elektronen in ihrem Innern eine merkliche und an verschiedenen Objektpunkten unterschiedliche Abbremsung erfahren.
Es geht somit von dem abzubildenden Objekt stets ein Strahlenbündel mit verhältnismässig breitem Geschwindigkeitsspektrum aus, und da es bisher nicht möglich ist, ausreichend achromatisierte Elektronenobjektive zu bauen, gelingt es auch nicht, mit einem inhomogenen Strahlenbündel dieser Art die theoretisch vorgegebene Grenze des Auflösungsvermögens auch nur angenähert zu erreichen.
Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten dadurch, dass das Objekt nicht abgebildet, sondern Punkt für Punkt mit Hilfe eines Elektronenstrahlbrennfleckes abgetastet wird, dessen Durchmesser unter einem Tausendstelmillimeter liegt. Werden hiebei die vom elektronenoptisch"beleuchteten"
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Bildelement ausgehenden Elektronen registriert, so gibt diese Registrierung die Grundlage für den Aufbau eines elektronenoptischen Bildes des Objektes, u. zw. mit einer Auflösung, welche lediglich von der Punktschärfe des abtastenden Brennfleekes in der zu untersuchenden Objektebene abhängt.
Für die Registrierung der Elektronen, die von dem Objektpunkt ausgehen, welcher jeweils von dem Elektronenstrahlbrennfleek getroffen wird, kann jede beliebige Indikatormethode angewendet werden. Man kann, diese Elektronen entweder einzeln zählen und sich hiezu beispielsweise einer elektrometrischen Anordnung bzw. einer Geigerschen Zählkammer bedienen oder man kann mit Hilfe einer integrierend wirkenden Vorrichtung den Mittelwert des entstehenden Elektronenstromes messen bzw. aufzeichnen. Verschiedene derartige Methoden sind in den nachstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Der Fachmann übersieht jedoch sofort, dass ausser diesen Ausführungsbeispielen noch viele andere Methoden zur Feststellung oder Registrierung derjenigen Elektronenmenge möglich sind. welche in der Zeiteinheit von einem vorgegebenen Punkte ausgehen.
Die Punktschärfe des Elektronenbrennfleckes, mit dem das Objekt abgetastet wird und die das erzielbare Auflösungsvermögen bestimmt, lässt sich, wie im folgenden gezeigt werden soll, auf ausserordentlich hohe Werte steigern. Da nur diese Punktsehärfe für das Auflösungsvermögen massgebend ist, ermöglicht es die Erfindung selbst bei Objekten, deren Dicke einem Mikrotomschnitt ent- spricht, erheblich über das Auflösungsvermögen des Lichtmikroskops hinauszukommen. Durch die Erfindung wird es also möglich, Objekte der mikroskopischen Betrachtung zu unterwerfen, die bisher mit keinen Mitteln sichtbar gemacht werden konnten.
Darüber hinaus bringt die Erfindung den Vorteil. dass die zu untersuchenden Objekte einer wesentlich geringeren Belastung durch Elektronenaufprall unterliegen wie beim normalen Elektronenmikroskop sowie dass die Objekte zur Untersuchung nicht unbedingt in einen Vakuumraum eingebracht zu werden brauchen. Diese Vorteile sind so erheblich. dass man die erfindungsgemässen Mittel auch dann anwenden wird, wenn man das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops nicht höher treiben will, als dies bereits mit den bisher bekannten Mitteln
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In den Figuren, die zur Erläuterung der Erfindung dienen, stellt Fig. 1 ein elektronenoptisches System zur Erzeugung eines kleinen Elektronenbrennfleekes dar. mit dem das Objekt erfindungsgemäss abgetastet wird.
Fig. 2 zeigt eine Aufzeichnungsvorrichtung zur Registrierung des entstehenden Bildes. Fig. 3 zeigt ein Abtastfeld, Fig. 4 eine Vorrichtung zur Zählung der vom Objekt ausgehenden Elektronen, Fig. 5 gibt eine andere Aufzeichnungsvorrichtung wieder, die es ermöglicht, das elektronenoptiseh gewonnene Bild in entsprechender Vergrösserung unmittelbar sichtbar zu machen.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung eines besonders kleinen Elektronenbrennfleekes für die Abtastung des Objektes in Verbindung mit einer Anordnung zur Betrachtung von Objekten in freier Luft. Fig. 7 zeigt einen besondersartigen Selundäremissionsverstärker". Fig. 8-10 zeigen verschiedenartige Gestaltungen für die Elektroden, welche zum Auffangen der vom abgetasteten Objekt ausgehenden Elektronen dienen.
Das in Fig. 1 dargestellte hochevakuierte Glasrohr 1 enthält eine GlÜhkathode : 2, die in einem
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auf dem zu betrachtenden Objekt abgebildet wird.
Um diesen Elektronenquellpunkt in verkleinertem Massstab auf dem Objekt abzubilden, kann
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die aus einer eingekapselten Ringspule mit innerem, eisenfreiem Spalt bestehen. Mit einem derartigen Objektiv lassen sich Brennweiten bis zu wenigen Millimetern herab erzielen. Man kann mit ihrer Hilfe demnach zu sehr hohen Verkleinerungsmassstäben übergehen und muss nur dafür Sorge tragen, dass der Elektronenstrahl möglichst genau in die zugehörige Objektivblende einfällt.
Gemäss Fig. 1 werden daher die von der Blendenöffnung 6 ausgehenden Elektronenstrahlen mit Hilfe einer magnetischen Justiervorriehtung, welche aus den senkrecht zueinander angeordneten Spulen 7 und 8 mit den zugehörigen Batterien und Einstellwiderständen besteht, möglichst genau auf die Durchtrittsöffnung der Objektivblende 9 des magnetischen Elektronenobjektivs. 10 gelenkt. Das Elektronenobjektiv 10 besitzt eine sehr kleine Brennweite und bildet daher die Durchtrittsöffnung der Blende 6 in etwa fünfzigfacher Verkleinerung auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes n ab. Es entsteht dort also ein Abtastbrennfleck mit nur 5. 10-3 mm Durchmesser.
Für die Abtastung ist dann ein Auflösungsvermögen von 5. 10-5 mm gewährleistet.
Die von dem Objekt 11 ausgehenden Elektronen werden von einer Elektrode l' ? aufgefangen. die man zweckmässig im Innern eines geerdeten Faradayschen Käfigs 13 anordnet. Der Käfig 13 besitzt nur ein verhältnismässig kleines Fenster und wirkt infolgedessen gleichzeitig als Blende. Die Zahl der zur Auffangelektrode f ? gelangenden Elektronen ist offenbar in jedem Augenblick von der Elektronenstreuung und der Elektronendurehlilssigkeit des Objektes 11 an demjenigen Punkte abhängig, auf
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dem der Elektronenbrennfleek jeweils liegt.
Bewegt man das Objekt J7 in derjenigen Ebene. in welcher der Elektronenbrennfleck entsteht, und führt man diese Bewegung derart durch, dass das zu untersuchende kleine Feld des Objektes 11 hiebei von dem genannten Elektronenbrennfleck abgerastert wird, so schwankt die Zahl der Elektronen, welche die Fangelektrode 12 erreichen, entsprechend der von Punkt zu Punkt verschiedenen Elektronendurchlässigkeit des Objektes 11. 1'111 hiebei Fehler durch Reflexion und Sekundäremission an der Fangelektrode 12 zu vermeiden, wird deren Oberfläche
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Objektträger 11 und Fangelektrode 12 herabsetzen.
Um die von der Fangelektrode 12 aufgenommenen Elektronen zu registrieren, kann man die Fangelektrode 12 gemäss Fig. l mit dem Eingallgskreise eines Verstärkers 14 verbinden.
Gemäss Fig. 2 werden diese Stromschwankungen nach ausreichender Verstärkung auf ein Bildaufzeichnungsgerät übertragen. Zu diesem Zweck ist der Ausgangskreis des Verstärkers 14 mit einer Glimmlampe 15 verbunden, deren Leuehtfiäehe von einem Objektiv 16 auf der lichtempfindlichen Oberfläche der Bildwalze 17 abgebildet wird.
Die Bildwalze 17 dreht sich in üblicher Weise unter der Glimmlampe 15 hinweg und verschiebt sieh hiebei gleichzeitig langsam in Richtung des Pfeiles M.
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widerstand 19 durchläuft bei jeder Umdrehung der Walze 17 seinen vollen Widerstandsbereich von Null bis zum Höchstwert und liegt gemäss Fig. 1 im Stromkreis einer magnetischen Ablenkvorrichtung. die aus zwei Spulen 21 und 22 mit entgegengesetztem Wicklungssinn besteht und periodisch den Winkel ändert, unter welchem der Elektronenstrahl in der punktiert angedeuteten Weise in die Objektivblende 9 einfällt. Hiedurch wird die erforderliche Zeilenablenkung erzielt, durch welche das Bildfeld J gemäss Fig. 3 in Richtung des Pfeiles Al abgetastet wird.
Die Bild ablenkung in Richtung des Pfeiles A2 kann mittels einer entsprechend ausgebildeten, vom Widerstand 20 gesteuerten Spulenanordnung herbeigeführt werden. Ein anderes Hilfsmittel, das in Fig. 1 dargestellt ist, besteht in der Anbringung des Objektträgers 11 an einem kräftigen Bimetallstab 23. der von einem bifilar gewickelten Widerstand 24 beheizt wird, welcher im Kreise des Schiebewiderstandes 20 liegt. Man erreicht auf diesem Wege, dass im Gleichtakt mit der fortlaufenden Registrierung der bei 12 aufgefangenen Elektronen in Bildfeld J (Fig. 3) eine zeilenmässige Abtastung des Objektes 11 erfolgt. hiebei lässt sich z.
B. erreichen. dass ein Bildfeld (J), welches auf dem Objekt 11 nur 2.10-2 mm im Quadrat umfasst, mit einem Elektronenbrennfleck von 5. 10- mm Durchmesser abgerastert und auf der Walze 17 in der Grösse von 10#10 cm aufgezeichnet wird. Das entstehende Aufzeiehnungbild lässt dann in fünftausendfacher Vergrösserung Einzelheiten erkennen, welche kein Lichtmikroskop erkennbar zu machen vermag.
In der Praxis ist es natürlich keineswegs notwendig, in jedem Falle ein volles Bild aufzuzeichnen.
Vielmehr genügt es in vielen Fällen, zur Beantwortung einer bestimmten Fragestellung über die Natur und über die Eigenschaften des Objektes nur eine einzige Abtastzeile aufzuzeichnen. In diesen Fällen ist es meist zweckmässiger, die Aufzeichnung auf einem Bande vorzunehmen, n. zw. beispielsweise mittels eines unmittelbar mit der Fangelektrode 12 verbundenen Registrierelektrometers oder mittels eines an den Verstärker 14 angeschlossenen registrierenden Galvanometers (Schleifenoszillograph).
Die Elektronenströme, welche die Elektrode 72 erreichen. sind natürlich ausserordentlich klein.
Ihre Verstärkung bereitet um so grössere Schwierigkeiten, je höher man das Auflösungsvermögen, d. h. je kleiner man den Elektronenbrennfleek wählt, der das Objekt 11 abrastert. Bei Benutzung von sehr kleinen Elektronenbrennflecken (Grössenordnung von 10-6 bis 10-7 mm) empfiehlt es sich daher. das Elektrodensystem 72/73 durch eine besonders empfindliche Anordnung, nämlich einen Sckundäremissionsverstärker oder eine Geigersche Zählkammer, zn ersetzen. Letztere kann aus einem vakuum- dicht abgeschlossenen zylindrischen Gehäuse 25 bestehen. in dessen Achse die präparierte Fadenelek- trode 26 ausgespannt ist und das dem Objekt 11 ein Lenardfenster 25a zuwendet.
Wird die Kammer 25lys mit verdünntem Gas gefüllt und eine ausreichende Spannungsdifferenz zwischen ihre Wandung 25 und die Fadenelektrode 26 gelegt, so verursacht bekanntlich jedes in die Kammer eindringende Elektron einen Entladungsstromstoss zwischen den Elektroden 25 und 26. Diese Entladungsstromstösse können einzeln ausgezählt oder einzeln registriert werden. Um die Sicherheit zu gewinnen, dass alle vom Objekt ausgehenden Elektronen das Lenardfenster 25a tatsächlich durchdringen, empfiehlt es sich. zwischen den Objektträger 11 und die Kammerelektrode 25 eine Beschleunigungsspannung zu legen.
Ausserdem kann man die innere Oberfläche der Kammerelektrode 25 mit einem Überzug verseilen, der beim Aufprall der Elektronen eine hohe Sekundärelektronenemission ergibt und hiedurch den Entladungs- durchbruch erleichtert.
Die Zählkammer 25,'. 26 wird vorzugsweise mit einer integrierend wirkenden Verstärkervorrichtung verbunden. Diese kann nach Fig. 4 aus der Elektronenröhre 27 bestehen, mit deren Gitter die Fadenelektrode 26 der Zählkammer über den Widerstand 28 und den Kondensator 29 gekoppelt ist.
Wählt man den Gitterableitungswiderstand 30 ausreichend hoch, so ruft jeder Stromstoss, der die Zählkammer 25, 26 durchfliesst, eine vorübergehende Blockierung der Röhre 27 hervor. Der mittlere Anodenstrom, der in der Röhre 27 fliesst, ist somit eine Funktion von der Zahl der Stromstosse, welche die Zählkammer 25, 26 in der Zeiteinheit durchfliessen. Er erzeugt an dem Widerstand 31, welcher den grossen Kondensator 32 überbrückt, einen Spannungsabfall, durch den das Gitter der Röhre 33
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gesteuert wird. Das Rohr 33 führt infolgedessen einen Strom, der dem Zeitintegral der bis in die Zählkammer vordringenden Elektronen entspricht. Dieser Strom kann also zur Aufzeichnung eines Bildes herangezogen werden.
Wird das Auflösungsvermögen nicht bis an die Grenze des Möglichen getrieben, so kann man
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In diesem Falle wird es möglich, sich einer schnell arbeitenden Bildaufzeichnungsvorrichtung zu bedienen, die der Technik des Fernsehens entnommen ist. Die Ablenkung des abtastenden Elektronenbündels wird dann zweckmässig in beiden Koordinaten auf elektrischem oder magnetischem Wege herbeigeführt, so dass man den Objektträger 11 unbewegt lassen kann.
Fig. 5 zeigt eine Kathodenstrahlröhre derjenigen Bauart, wie man sie heute für Fernsehempfänger
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von den Elektroden 36 und 37 beschleunigt und in der Ebene des Fluoreszenzschiimes. ? in einem Brennfleck vereinigt. Die Intensität des Kathodenstrahles 35 wird mit Hilfe des Wehneltzylinders 39 gesteuert.
Zu seiner Ablenkung dienen zwei senkrecht zueinander angeordnete Spulen 40 und 41, welche von den Kippschwingungsgeneratoren 42 und 43 gesteuert werden. An den Kippsehwingungsgenerator 42. der die Zeilenfrequenz liefert, sind gleichzeitig die beiden Spulen 21 und 22 (Fig. 1) angeschlossen. Parallel zur Spule 41 liegen die Spulen 44 und 45, welche senkrecht zu den Spulen ; M, am Kopfende der Röhre 1 angebracht zu denken sind und welche die Bildablenkung auf den Elektronenstrahl der elektronenoptischen Anordnung der Fig. 1 übertragen.
Wird der Wehneltzylinder 39 gemäss Fig. 5 mit dem Ausgangskreise des Trägerwellenverstärkers 14a verbunden, so wird der Kathodenstrahl 35, welcher den Fluoreszenzschirm 38 im Gleichtakt mit dem Elektronenbrennfleck bestreicht, der das Objekt 11 abrastert, entsprechend der von Punkt zu Punkt wechselnden Elektronendurchlässigkeit des Objektes 11 moduliert. Man erhält also auf dem Fluoreszenzschirm.'38 unmittelbar ein Elektronenbild des Objektes 11.
Die erzielte Vergrösserung entspricht hiebei dem Verhältnis zwischen den Rasterwegen, welche die beiden Elektronenstrahlen auf der Oberfläche des Objektes 11 bzw. des Fluoreszenz-
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Eine Ausgangsblende (6) mit dem angefiihrten Öffnungsdurchmesser von 0#01 mm lässt sich nur schwer exakt herstellen. Es empfiehlt sich daher, an Stelle einer reellen Blende eine sogenannte Potentialblende als primären Elektronenquellpunkt zu benutzen, der dann verkleinert abgebildet wird.
Die Potentialblende kann hiebei durch die Zusammenwirkung von Anode und Wehneltzylinder erzeugt werden. Bei einem in dieser Weise praktisch ausgeführten Gerät lag die flache Oxydkathode in einem Abstande von 0-3 mm hinter der 0'6 mm grossen Öffnung des Wehneltzylinders. Dieser stand der auf 25.000 Volt befindlichen Anode im Abstande von 3 mm gegenüber. Mit dieser Anordnung liess sich im Innern der l mm grossen Durchtrittsöffnung der Anode ein Elektronenbrennpunkt erzielen, dessen Durchmesser wesentlich unter 0#1 mm lag und von dem aus die Elektronen mit sehr geringer Divergenz zum Verkleinerlngsobjektiv wanderten.
Die Benutzung einer Potentialblende fiihrt also gleichzeitig zu einer erheblichen Abkiirzung der Baulänge der elektronenoptischen Vorrichtung gegenüber Anordnungen nach Fig. 1.
Um eine möglichst starke Verkleinerung zu gewinnen, muss der Abstand zwischen Elektronenquellpunkt und elektronenoptischem Objektiv möglichst gross gewählt werden. Hiebei macht sich bereits das erdmagnetisehe Feld insofern störend bemerkbar, als es den Elektronenstrahl krümmt.
Diese Krümmung lässt sich zwar beim Bau bzw. bei der Einjustierung der elektronenoptisehen Vor-
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hervor. Um diese Störungen zu vermeiden, legt man den Elektronenstrahl entweder in die Richtung der erdmagnetischen Kraftlinien oder schirmt seinen Weg mit einem entsprechenden Eisenpanzer ab.
Gegebenenfalls kann man das erdmagnetische Feld auch durch ein entsprechendes magnetisches Gegenfeld kompensieren, das zweckmässig durch zwei koaxial zum Entladungsrohr in ausreichendem Abstande angeordnete Flachspulen (sogenannte Helmholtzsehe Spulen) erzeugt wird. Der Stromdurchgang durch diese Spulen wird dann den jeweils gemessenen Änderungen des erdmagnetischen Feldes entsprechend nathgestellt.
Ein besonders wichtiges Mittel zur Erhöhung der Schärfe des auf dem Untersuehungsobjekt entstehenden Elektronenbrennfleckes besteht darin, dass man die Abbildung des ursprünglichen Elektronenquellpunktes einer mehrstufigen Verkleinerung unterzieht. Eine Anordnung dieser Art zeigt Fig. 6. Die von der Kathode 46 ausgehenden Elektronen werden in der besprochenen Weise durch die Zusammenwirkung des Wehneltzylinders 47 und der Anode 48 in einem Elektronenbrennpunkt P1 vereinigt, von dem aus sich die Elektronen durch ein magnetisches Absehirmrohr 49 auf das magnetische Objektiv 50 zu bewegen. Das eisengepanzerte Objektiv 50 erzeugt durch das in seinem eisenfreien Spalt entstehende magnetische Feld im Punkte Pa ein stark verkleinertes reelles Bild des Elektronenbrennpunktes P1.
Vom Punkte P2 aus bewegen sich die Elektronen durch ein zweites, besonders wirksames Absehirmrohr 51 auf ein zweites magnetisches Objektiv ? gleicher Art zu. Vor dem Objektiv 52 sind die Ablenkspulen 53 und 54 angeordnet. Das Objektiv 52 bildet den Elektronenbrennpunkt P2 in nochmaliger Verkleinerung auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes ab.
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Gemäss Fig. 6 ist das zu untersuchende Objektiv nicht im Innern der extrem evakuierten Elektronenstrahlanordnung 49, 51 untergebracht, sondern befindet sich an freier Luft. Um dies zu ermöglichen, ist die Elektronenstrahlanordnung durch eine Scheibe 53a abgeschlossen, die ein feines, von einem Lenardfenster 54a abgeschlossenes Loch besitzt. Das Lenardfenster 54a braucht dabei nicht aus Metall zu bestehen, sondern kann wegen des geringen Gesamtstromes der abtastenden Elektronensonde ohne weiteres aus Kollodium od. dgl. in Dicken bis herab zu 5. dz mm durch Verdampfen eines Lösungsmittels hergestellt werden. Es dient erfindungsgemäss gleichzeitig als Unterlage für das zu untersuchende Objekt.
In einem möglichst geringen Abstande von dem Lenardfenster 54a ist die Fangelektrode 55 angeordnet, welche unmittelbar mit dem Gitter der Röhre 56 in Verbindung steht.
Ein besonders wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass man bei ihrer Anwendung einwandfrei auch solche Objekte elektronenoptisch untersuchen kann, die nicht in das Hochvakuum der Elektronenstrahlröhre eingebracht sind. Es ist zwar schon eine Anordnung bekannt, bei der das Objekt ausserhalb des Vakuums zwischen zwei Lenardfenstern angeordnet ist. Bei der bekannten Anordnung handelt es sich um ein Elektronenmikroskop, bei dem alle Bildpunkte gleichzeitig mit Hilfe von elektronenoptischen Vergrösserungslinsen abgebildet werden.
Bei dieser bekannten Anordnung treten durch die Notwendigkeit, zwei Lenardfenster benutzen zu müssen, und deshalb, weil der Elektronenstrahl eine grössere Strecke durch die Luft verläuft, zusätzliche Gesehwindigkeits- streuungen auf, die hier besonders unangenehm sind, weil die Geschwindigkeitsstreuungen zu einer Abbildungsunschärfe führen. Das ist bei der Erfindung nicht zu befürchten. Hier ist nicht einmal die Geschwindigkeitsstreuung im Objekt und in dem einen hier benötigten Lenardfenster kritisch für die Abbildung.
Es wurde bereits oben darauf hingewiesen, dass man die vom Abtastpunkt der Objektoberfläche ausgehenden Elektronen auch in einem Sekundäremissionsverstärker auffangen kann. Eine besonders günstige Ausführungsform, die sich durch einen verschwindend kleinen Anfangsstrom auszeichnet, stellt Fig. 7 dar. Dieser Sekundäremissionsverstärker besteht aus einem Vakuumgefäss 57, in dessen Innerem die präparierten Gitter 58-fj1 sowie die Absehlussplatte 62 vorgesehen sind, deren Durchmesser von Stufe zu Stufe steigt. Vor dem ersten Gitter 58 steht die Blende 63, über deren Öffnung
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bzw. 55 (Fig. 6) gebracht. Die Prallel !'ktroden 58-ü2 sind mit steigenden positiven Spannungsabgriffen der Batterie 65 verbunden.
In der Zuleitung zur letzten Elektrode 62 liegt ein Widerstand 66, dessen
Spannungsabfall den Verstärker 14 steuert. Es hat sich gezeigt, dass bei Benutzung eines solchen Sekundäremissionsverstärkers für die Abrasterung des zu untersuchenden Objektes etwa 20 Elektronen pro Bildelement genügen, um den Verstärker 14 noch einwandfrei durchzusteuern.
In den vorangehenden Beispielen wurde die praktische Verwendung der Erfindung in erster Linie an Hand des sogenannten"Durehstrahlungsverfahrens"beschrieben. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Elektronenmikroskopen lässt der Erfindungsgegenstand aber nicht nur bei der Untersuchung von sehr dünnen Objektschichten nach dem Durehstrahlungsverfahren eine hohe Auflösung erzielen, sondern ermöglicht es, unter voller Erhaltung des Auflösungsvermögens auch eine elektronenmikroskopisehe Betrachtung in der Aufsicht (ausschliessliche Beobachtung mit zurückkommenden Elektronen) sowie eine elektronenmikroskopische Betrachtung nach der sogenannten Dunkelfeldmethode" (ausschliessliche Beobachtung der seitlich gestreuten Elektronen) durchzuführen.
Die hiebei zur Nachahmung der bekannten"Beleuchtungsarten"des Lichtmikroskops geeigneten Ausbildungen für die als"Registrierfläehe"dienenden Fangelektroden sind in Fig. 8-10 dargestellt.
Fig. 8 zeigt vergrössert das Lenardfenster 54 et, auf das der abtastende Elektronenstrahl 66a unter einem sehr engen Konvergenzwinkel fällt. Das Lenardfenster 54a trägt das Untersuehungsobjekt 67. Stellt man diesem Untersuehungsobjekt 67 in Analogie zu Fig. 1 eine Auffangelektrode 68 gegenüber, die in einem geerdeten Käfig 69 mit engem Fenster steht, so gelangen offenbar sowohl diejenigen Elektronen, welche das Objekt 67 unabgelenkt durchstossen, als auch ein begrenzter Teil der im Objekt 67 seitlich gestreuten Elektronen zur Fangelektrode 68. Diese Anordnung entspricht also der Hellfelddurchsichtbeobachtung beim Lichtmikroskop.
Gemäss Fig. 9 ist vor dem Lenardfenster 54a eine ringförmige Fangelektrode 70 vorgesehen, welche ausschliesslich zurückkommende Elektronen auffängt. Dieser Beobaehtungsmethode, welche z. B. zur Untersuchung der Oberflächenstruktur von Metallsehliffen in Frage kommt, entspricht beim Lichtmikroskop die Beobachtung im auffallenden Lieht. Um die Fangelektrode 70 vor dem Aufprall von Elektronen zu schützen, die nicht vom Lenardfenster 54a zurückkommen, ist vor der Fangelektrode 70 eine geerdete Ringblende 71 vorgesehen, welche die Elektronensonde 66a umgreift.
Fig. 10 zeigt schliesslich die Elektrodenanordnung für eine Beobachtungsmethode, welche der "Dunkelfeldbeobaehtung"des optischen Mikroskops entspricht. Diejenigen Elektronen, welche das Untersuchungsobjekt 67 unabgelenkt durchstossen, werden von der geerdeten Kreisseheibe 72 aufgefangen. Als Registrierfläche dient infolgedessen nur die Ringfläche, welche zwischen dieser Kreisscheibe 73 und der Käfigelektrode 73 freibleibt. Auf die Fangelektrode 74 gelangen daher nur diejenigen gestreuten oder abgebeugten Elektronen, die innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereiches vom Objekt ausgehen.
Es liegt auf der Hand, dass diese Methode schon bei äusserst dünnen Objektsehichten
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geometrische Gestalt geben, dass nur diejenigen Elektronen sieh bei der Abbildung auswirken, die bestimmten Beugungsfiguren entsprechen. Auf diese Weise kann die Verteilung von mikrokristallinen Partikeln im Objekt sichtbar gemacht werden.
Schliesslich ist noch eine weitere Beobachtungsart durch die Möglichkeit gegeben, die Objektunterlage selbst (Objektträger 11, Lenardfenster 54a) als Fangelektrode zu verwenden. Man erhält dann bei der Aufzeichnung ein reines Elektronenabsorptionsbild. Zur Durchführung dieses Verfahrens braucht man sieh lediglieh einer leitenden Objektunterlage zu bedienen, welche gegen die übrigen Teile der Anordnung ausreichend isoliert ist. Die Herstellung leitender Objektunterlagen kann z. B. durch Kathodenzerstäubung erfolgen. Ihre Benutzung empfiehlt sieh bei Verwendung gesonderter Fangelektroden auch dann, wenn es wünschenswert erscheint, zwischen Fangelektrode und Objekt ein Beschleunigungspotential (z. B. für die Beschleunigung von Sekundärelektronen) oder auch eine Bremsspannung zu legen, wie man sie z.
B. dazu benutzen kann, um alle unter einer bestimmten Gesehwindig- keit liegenden Elektronen von der Fangelektrode fernzuhalten.
Ein sehr wichtiger Vorteil der Erfindung, den man besonders deutlich aus Fig. 8-10 erkennt, beruht auf dem engen Konvergenzwinkel der abrasternden Elektronensonde. durch welchen eine sehr grosse Tiefenschärfe gewährleistet wird. Bekanntlich liegt bei einem Mikroskop die Tiefenschärfe in der Grössenordnung des Auflösungsvermögens. Bei starken Lichtmikroskopen pflegt man Aperturwerte zu verwenden, die dem Werte Eins"nahekommen. Wollte man ebenso grosse Aperturen bei einem erfindungsgemässen Elektronenmikroskop verwenden, dessen Auflösungsvermögen 10-10 MMo erreicht, so müsste man die Ebene, in welcher sich der Elektronenbrennfleck beim Abrastern des Objektes bewegt, mit der zu untersuchenden Objektsehieht auf 10-10" mm genau zum Zusammenfallen bringen.
Werden jedoch-auf magnetischem Wege verhältnismässig leicht herstellbare-Elektronenobjektive mit einer Apertur von etwa 0-01 benutzt, so steigt die Tiefenschärfe um zwei Zehnerpotenzen, und es genügt, die abzurasternde Ebene des Objektes auf 10-1-10-3 mm genau mit der Beobachtungsebene zum Zusammenfallen zu bringen. Diese Genauigkeit liegt noch im Rahmen dessen, was sich mit elektrischen oder mechanischen Hilfsmitteln erreichen lässt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektronenstrahl-Rastermikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenfleck von. weniger als 10 mmn Durchmesser die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes abrastert und dass die vom Objekt hindurehgelassenen oder am Objekt gebeugten, gestreuten, reflektierten bzw. sekundär ausgelösten Elektronen dazu benutzt werden, um den Bildinhalt einer synchron abgerasterten Bild- fläche zu steuern.