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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung,
und insbesondere ein Elektronenmikroskop, mit einer Magnetanordnung.
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Bei
einem Elektronenmikroskop wird zur Untersuchung eines Objektes ein
Primärelektronenstrahl
auf ein zu untersuchendes Objekt gerichtet, und von dem Objekt ausgehende
Elektronen werden als Sekundärelektronenstrahl
zu einem Detektor geführt
und nachgewiesen.
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Bei
Elektronenmikroskopen besteht ein Bedarf danach, einen Primär- und/oder
Sekundärelektronenstrahl
in präziser
Weise abzulenken, z. B. um einen Winkel von 10° oder größer; oder einen Elektronenstrahl
von einem entgegenlaufenden Elektronenstrahl zu separieren, um diese
Strahlen unabhängig
voneinander manipulieren zu können.
Bei einem in 180°-Reflexion arbeitenden
Elektronenmikroskop, oder einem Elektronenmikroskop mit Spiegelkorrektor
bedeutet das, dass beide Strahlen ein umlenkendes Feld einer Strahlweiche
passieren müssen.
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Zur
Strahlführung
werden Magnetfelder eingesetzt, an die bei Präzisionsgeräten hohe Anforderungen hinsichtlich
ihrer Homogenität,
Stabilität
und Randeffekte gestellt werden. Zur Erzeugung dieser Magnetfelder
können
Metallplatten mit hoher magnetischer Leitfähigkeit, meist aus Eisen-Nickel-Legierung, in einem
festen Abstand als Polplatten einander gegenübergestellt werden. In die
Oberflächen
der Polplatten sind Spulen eingelassen, die mit einem Stromfluss
erregbar sind. Auf den von den Spulendrähten umschlossenen Flächen entsteht
dann zwischen den Polplatten ein in guter Näherung homogenes Magnetfeld.
Eine solche Vorrichtung ist aus der Deutschen Patentschrift
DE 102 35 981 B4 bekannt.
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Die
Anforderungen an die Stabilität
und Genauigkeit der Polplattengeometrie sind enorm, insbesondere
für die
oben erwähnten
Elektronenmikroskope mit Spiegelkorrektor.
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Aus
der Druckschrift
US
6,483,110 B1 ist eine Magnetanordnung mit zwei Polschuhen
bekannt, in deren Oberflächen
Spulengräben
mit darin angeordneten Spulendrähten
ausgebildet sind. Diese bekannte Anordnung ist gattungsgemäß.
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Die
Druckschrift
US
2004/084629 A1 offenbart eine magnetische und elektrostatische
Fokussierlinse mit zwei konischen Polschuhen, zwischen denen ein
enger Ringspalt vorhanden ist.
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Aus
der Druckschrift
US
5,736,743 A ist ein Ionenimplantationssystem mit einem
zwischen zwei Magnet-Polschuhen
angeordneten Aluminiumrohr als Ionenstrahlführung und -filter bekannt.
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Die
Druckschrift
US 3,394,254 offenbart
eine röhrenförmige Magnetlinse
mit einer von einer Spule umhüllten
Kupferröhre.
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Aus
der Druckschrift
JP
11-54080 A ist ein Ionenimplantationssystem mit einem Permanentmagneten
und einem Elektromagneten mit zwei Polplatten bekannt.
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Die
Druckschrift
US
2004/211914 A1 offenbart eine permanentmagnetisch unterstützte elektrostatische
Linse für
einen Strahl geladener Teilchen.
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Die
bei der Erregung der Spulen entstehende Wärme wird herkömmlich durch
die Polplatten abgeführt.
Es wurde nun gefunden, dass dadurch dort Temperaturgradienten auftreten,
die die Geometrie der Polplatten beeinflussen. Zudem können Temperaturdriften
entstehen, wenn die Erregungsstärke
der Spulen geändert
werden muss. Durch diese Einflüsse
treten unerwünschte
Variationen des Ablenkfeldes auf.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine teilchenoptische
Vorrichtung bereitzustellen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen
vermeidet.
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Die
Erfindung geht aus von einer teilchenoptischen Vorrichtung, welche
umfasst:
- – eine
Teilchenquelle zur Erzeugung wenigstens eines Strahls geladener
Teilchen, und
- – eine
Magnetanordnung mit zwei Polplatten, welche mit Abstand voneinander
angeordnet sind, so dass der Strahl geladener Teilchen im Betrieb
zwischen den beiden Polplatten hindurchtritt, wobei in den Polplatten
Gräben
vorgesehen sind, in welchen Spulendrähte angeordnet sind.
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Allgemein
beruht das hier vorgestellte Konzept darauf, die Wärmeentwicklung
in den Spulen zu verringern und/oder zu stabilisieren und/oder den Wärmeübergang
von den Spulen in die Polplatten zu verringern.
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Unter
einem ersten Aspekt wird eine teilchenoptische Vorrichtung gemäß Anspruch
1 vorgeschlagen.
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Hierdurch
steht für
den Gesamt-Leiterquerschnitt der Spulendrähte mehr Platz zur Verfügung, ohne
dass die teilchenoptischen Eigenschaften der Polplatten, die wesentlich
durch deren Oberflächenkontur
bestimmt werden, merklich verschlechtert sind. Für denselben Erregerstrom reduziert
sich durch den größeren Leiterquerschnitt
und den entsprechend geringeren Widerstand die Wärmeentwicklung.
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Die
Erweiterung des Grabenquerschnitts kann in Ausführungsformen nach innen, nach
außen oder
zu beiden radialen Richtungen in Bezug auf die Leiterschleife erfolgen.
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Unter
einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 vorgeschlagen.
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Diese
Anordnung verringert den Wärmeübergang
von den Spulendrähten
auf die Polplatten durch Wärmeleitung,
vor allem dann, wenn sich die Polplatten und die Spulen im Vakuum
befinden. Die Wärmeabfuhr
von den Spulen kann an den Polplatten vorbei bzw. durch in ihnen
ausgebildete Löcher hindurch
erfolgen, z. B. mittels sich durch die Löcher erstreckende Säulen aus
wärmeleitendem
Material.
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Mit
einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass die entstehende
Wärme unter
Umgehung der Polplatten zu einer Kühleinrichtung geleitet wird.
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Unter
einem dritten Aspekt wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 vorgeschlagen.
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Damit
kann für
den Teilchenstrahl eine Umgebung bereitgestellt werden, die auf
Hochspannung legbar ist, während
die Probe und die Spulen auf Erd- oder erdnahem Potenzial liegen.
Bei einfacher Stromversorgung der Spulen können z. B. Teile der Probe
während
des Betriebs mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden,
und die Elektronenenergie an der Probe ist variabel. Die nominale
Elektronenenergie zwischen den Polplatten bleibt aber konstant,
mithin auch das zur Ablenkung erforderliche Magnetfeld und damit
der Erregerstrom der Spulen. Daraus folgt, dass der restliche Wärmeeintrag durch
Verlustwärme
der Spulen in die Polplatten (z. B. durch Wärmestrahlung) konstant bleibt
und somit Temperaturdriften reduziert sind.
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Als
bevorzugte Weiterbildung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei
der ferner die Spulendrähte
gegenüber
den Polplatten hochspannungs- und wärmeisoliert und letztere auf
höherem
elektrischem Potenzial liegen als die Spulendrähte.
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Durch
diese Maßnahme
wird erreicht, dass einerseits die Spulendrähte keinen thermischen Schwankungen
unterliegen, andererseits der Wärmeeintrag
in die Polplatten gering ist. In Ausführungsformen kann diese Ausgestaltung
mit der Maßnahme
nach dem ersten Aspekt kombiniert sein, so dass der vermehrte Platzbedarf
im Spulengraben nicht zu einer Querschnittsverminderung der Spulendrähte führt.
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Allgemein
können
alle hier vorgeschlagenen Maßnahmen
untereinander kombiniert werden.
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Unter
einem vierten Aspekt wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16 vorgeschlagen,
welcher innerhalb der auf die Strahlebene projizierten Spulenanordnung
angeordnet ist.
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Mit
einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass der Hauptanteil
des zu erzeugenden Magnetfelds durch den Dauermagneten bereitgestellt
wird, während
nur ein vergleichsweise geringerer Teil durch die Spulenanordnung
bereitgestellt wird. Damit reduziert sich der Stromfluss durch die Spulen
und somit auch der Wärmeeintrag
in die Polplatten, und demzufolge auch der Einfluss auf die Polplattengeometrie.
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In
Ausführungsformen
wird ein Material für den
Dauermagneten benutzt, dessen magnetische Flussdichte besonders
wenig von der Temperatur abhängt.
Diese geringe Temperaturabhängigkeit
kann in Ausführungsformen
mittels einer Steuerung kompensiert werden, die z. B. die Temperatur
misst und die Spulen mit einem entsprechenden Korrekturstrom beaufschlagt,
wie es z. B. in dem
Deutschen Patent
Nr. 102 35 455 beschrieben wird.
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Die
teilchenoptische Vorrichtung ist hierbei nicht auf Elektronen beschränkt, vielmehr
können
als geladene Teilchen auch Ionen, Myonen oder andere zum Einsatz
kommen. Eine bevorzugte Anwendung der teilchenoptischen Vorrichtung
liegt allerdings im Bereich der Elektronenmikroskopie.
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Hier
kann die teilchenoptische Vorrichtung in verschiedenen Typen von
Elektronenmikroskopen eingesetzt werden. Diese umfassen zum einen
solche, bei denen der Primärelektronenstrahl
ein sondenformender Strahl ist, welcher auf vorbestimmte Orte des
Objekts fokussiert wird, insbesondere auf in zeitlicher Folge verschiedene
Orte, und bei denen eine Sekundärelektronenintensität integral,
d. h. nicht örtlich
aufgelöst
erfasst wird. Diese Mikroskoptypen sind in der Fachwelt als SEM
(”scanning
electron microscope”)
bekannt. Zum anderen umfassen diese Typen Elektronenmikroskope mit
einem ortsauflösenden
Detektor, auf welchen ein ausgedehnter Bereich des Objekts, der
simultan und im Wesentlichen gleichmäßig von dem Primärelektronenstrahl
ausgeleuchtet wird, abgebildet wird. Diese Mikroskoptypen sind in
der Fachwelt unter anderem als LEEM (”low-energy electron microscope”), SEEM
(”secondary
electron emission microscope”)
oder TEM (”transmission
electron microscope”)
bekannt.
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Nachfolgend
werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele
erläutert:
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1 zeigt
schematisch ein bekanntes Elektronenmikroskop vom SEM-Typ;
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2 zeigt
schematisch eine Anordnung von Feldbereichen der Strahlweiche gemäß 1;
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3 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch einen Feldbereich der in den 1 und 2 gezeigten
Strahlweiche mit einem Beispiel einer Stromleiteranordnung;
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4 zeigt
schematisch zwei weitere mögliche
Magnet- und Spulenanordnungen;
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5a zeigt
schematisch eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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5b zeigt
schematisch eine zu der Magnetanordnung der
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5a ähnliche
Anordnung;
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5c zeigt
schematisch eine zu den Magnetanordnungen der 5a und 5b ähnliche Anordnung;
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6a zeigt
schematisch eine Aufsicht auf eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische
Vorrichtung gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel;
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6b zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht zu der Aufsicht von 6a entlang
der Linie A-A;
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7 zeigt
schematisch eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel;
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8 zeigt
schematisch eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel;
und
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9 zeigt
schematisch eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung
gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
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Die
in den 5 bis 9 gezeigten
Maßnahmen
können
in Ausführungsformen
miteinander kombiniert sein.
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Die
Funktionsweise eines Elektronenmikroskops vom SEM-Typ wird in 1 veranschaulicht. Das
Elektronenmikroskop 100 weist eine Teilchenquelle 1 mit
einem der Teilchenquelle 1 in Strahlrichtung nachfolgenden
Strahlbeschleuniger 2 auf. Nach Passieren des Strahlbeschleunigers
werden die Teilchen auf das Potenzial des äußeren Strahlführungsrohrs 3 beschleunigt.
In diesem Bereich sind eine magnetische Kondensorlinse 4 und
ein dieser nachfolgender Stigmator 5 vorgesehen. Auf den
Stigmator 5 folgt eine erste elektrostatische Immersionslinse 6a,
durch die die Elektronen auf eine andere kinetische Energie, die
des inneren Strahlführungsrohrs 7, beschleunigt
bzw. abgebremst werden können.
Im Bereich des inneren Strahlführungsrohrs 7 ist
die Strahlweiche 8 mit den Magnetsektoren 8a bis 8c angeordnet.
Der Strahlweiche 8 folgt eine zweite elektrostatische Immersionslinse 6b,
durch die die Elektronen auf die Energie des Objektiv-Strahlrohrs 9 abgebremst
oder beschleunigt werden. Daran anschließend folgt in Strahlrichtung
ein Multipol-System mit Zwölfpol-Elementen 11, 13 und
Einfach-Ablenksystemen 10, 12, 14 sowie
das dicht vor dem Objekt 15 angeordnete Objektiv 16 mit
einer Beugungsebene 17. Durch das Objektiv 16 wird
der einfallende Elektronenstrahl in die Brennebene 18 des
Objektivs 16 fokussiert. Dabei kann das Objektiv 16 als
rein magnetische Objektivlinse oder als Kombination aus einer solchen
mit einer elektrostatischen Immersionslinse ausgebildet sein. Im
letzteren Fall wird die Immersionslinse dadurch gebildet, dass das
Objektiv-Strahlrohr 9 innerhalb
des Objektivs 16 auf Höhe
des Polschuhspaltes oder dahinter endet und die Elektronen nach
Austritt aus dem Objektiv-Strahlrohr auf das Potenzial des in der
Nähe der
Brennebene 18 des Objektivs 16 angeordneten Objekts 15 abgebremst
werden.
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Das
Paar von Immersionslinsen 6a, 6b ermöglicht auch,
Variationen in der Elektronenenergie so zu kompensieren, dass der
durch die Strahlweiche 8 tretende Elektronenstrahl im Wesentlichen
eine konstante Energie hat.
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Die
durch die Wechselwirkung des Primärelektronenstrahls mit dem
Objekt 15 entstehenden Sekundärelektronen werden durch das
höhere
Potenzial des Objektiv-Strahlrohrs 9 wieder zurückbeschleunigt
und durchlaufen den Strahlengang zwischen Objektiv 16 und
Strahlweiche 8 in umgekehrter Richtung. Aufgrund der umgekehrten
Bewegungsrichtung werden die Elektronen im Magnetsektor 8c in
entgegengesetzter Richtung umgelenkt, so dass sie von dem Primärelektronen strahl
räumlich
getrennt werden. Mittels eines im umgelenkten Seitenarm der Strahlweiche
folgenden Detektors 20 können die Sekundärelektronen
detektiert werden. Durch eine vorgeschaltete elektrostatische Linse 19 ist
durch Anlegen unterschiedlicher Potenziale eine Diskriminierung
hinsichtlich von Energien der von der Probe kommenden Elektronen,
insbesondere nach Spiegel-, Rückstreu-
sowie verschiedenen Arten von Sekundärelektronen, möglich.
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2 veranschaulicht
die Anordnung der Strahl- und Feldbereiche in der Strahlweiche 8.
Diese Strahlweiche 8 besteht aus insgesamt drei Magnetsektoren 8a, 8b, 8c mit
jeweils hinsichtlich der Richtung einheitlich gekrümmten einschließenden Stromleitern
(nicht gezeigt) in für
diese vorgesehenen Leiterführungen 21a, 21b, 21c.
Die beiden äußeren Sektoren 8a, 8c können hierbei
einen identischen Aufbau aufweisen, es reicht aber aus, wenn diese Symmetrie
in den vom Primärelektronenstrahl
durchsetzten Strahlbereichen besteht. Die Richtung der Magnetfelder
Ba und Bc, bevorzugt
auch ihre Stärke, ist
dabei in diesen äußeren Sektoren 8a, 8c gleich, wogegen
das Magnetfeld Bb des inneren Sektors 8b eine
dazu entgegengesetzte Richtung aufweist. Der innere Magnetsektor 8b ist
in sich symmetrisch ausgebildet und zur durch Strichelung in 2 angedeuteten
Ebene 23 symmetrisch angeordnet. Damit sind die Feldbereiche
einschließlich
der feldfreien Bereiche, und damit die vom Strahl durchsetzten Strahlbereiche
zur Ebene 23 symmetrisch angeordnet. Außerdem sind die Magnetfelder
alle parallel bzw. antiparallel, so dass der Primärelektronenstrahl
die Strahlweiche 8 koplanar, nämlich in einer Strahlebene 24 (siehe 3)
durchläuft.
Die 2 stellt also eine Projektion auf die Strahlebene 24 dar.
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Durch
die Strahlumlenkung im Inneren der Strahlweiche 8 resultiert
in diesem Beispiel eine Strahlumlenkung um etwa 90° zwischen
der ersten und zweiten Strahlachse BA1, BA2.
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3 verdeutlicht
den prinzipiellen Aufbau der Magnetsektoren 8a, 8b, 8c.
Diese Figur entspricht einer Schnittdarstellung des in 2 gezeigten
Magnetsektors 8a etwa entlang der Schnittlinie (III-III).
Gezeigt sind die Polschuhe 25 und das in der Leiterführung 21 angeordnete
Spulenpaar 26 sowie Trimmspulenpaare 27, die der
Feinjustage dienen. Im von den Spulen 26 umschlossenen
Raum bildet sich das Magnetfeld Ba aus.
Nicht gezeigt sind Joche, die die Polschuhe 25 außerhalb
des vom Stromleiter umschlossenen Bereichs magnetisch verbinden
und für
den Schluss der Magnetfeldlinien notwendig sind. Außerdem definieren
die Joche den Polschuhabstand. Polschuhe 25 und Joche können aus
Weicheisen, Ferrit, einer Eisen-Nickel-Legierung oder aus einem
anderen magnetischen Material bestehen. Die Spulendrähte können aus
einer gut leitenden Kupferlegierung bestehen.
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4 veranschaulicht
zwei alternative Ausgestaltungen der Polschuhe, wobei funktionell
entsprechende Komponenten mit gleichen Ziffern wie oben, aber nachgestellten
Kleinbuchstaben bezeichnet sind: Im oberen Teil dieser Darstellung
ist eine schüsselförmige Polplatte 25a'' mit einer Polinsel 25a' gezeigt, zwischen
denen die Spule 26a angeordnet ist. Die Oberfläche der
Polplatte ist mit 34 bezeichnet. Die Polplatte 25a'' und die Polinsel 25a' sind so zusammengefügt, dass
zwischen ihnen ein ausreichender magnetischer Schluss besteht und
sie gemeinsam den Polschuh bilden. In ähnlicher Weise ist im unteren
Teil der Darstellung von 4 eine Variante gezeigt, in
der der Polschuh aus einer Polinsel 25a', einer ringförmigen Polplatte 25b'' sowie einer Rückplatte 28 gebildet
ist, zwischen denen wiederum die Spule 26a angeordnet ist.
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In
der Ausführungsform
gemäß 5a weist die
Polplatte 25c in ihrem zentralen Bereich einen Poldeckel 30c auf,
der den Spulengraben 21c von innen her teilweise überdeckt,
so dass nur die Außenwand 32 desselben
aus einem einteiligen Stück
der Polplatte 25c gebildet ist. Dadurch ist die Breite 31 des
Grabens an der Oberfläche 34c der
Polplatte 30c geringer als die Breite 32 des Grabens
unterhalb der Oberfläche 34c.
Die Breiten B1 wie auch B2 können entlang
des Umfangs der Pole variieren.
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Analog
weist in der Ausführungsform
gemäß 5b die
Polplatte 25d in ihrem peripheren Bereich einen ringförmigen Poldeckel 31d auf,
der den Spulengraben 21d von außen her teilweise überdeckt,
so dass nur die Innenwand 33 desselben aus einem einteiligen
Stück der
Polplatte 25d gebildet ist. Dadurch ist die Breite 31 des
Grabens an der Oberfläche 34d der
Polplatte wiederum geringer als die Breite B2 des Grabens unterhalb
der Oberfläche 34d.
Die Breiten B1 wie auch B2 können
auch in dieser Ausführung entlang
des Umfangs der Pole variieren.
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In
der Ausführungsform
gemäß 5c sind die
Ausführungen
nach 5a und 5b kombiniert:
Die Polplatte 25e trägt
sowohl in ihrem peripheren Bereich einen ringförmigen Poldeckel 31e,
als auch in ihrem zentralen Bereich einen inselförmigen Poldeckel 30e,
die den Spulengraben 21e von innen und außen her
teilweise überdecken,
so dass weder die Innenwand 33e noch die Außenwand 32e desselben
aus einem einteiligen Stück
der Polplatte 25e gebildet ist. Dadurch ist die Breite 31 des
Grabens an der Oberfläche 34e der
Polplatte um noch mehr geringer als die Breite B2 des Grabens 21e unterhalb der
Oberfläche 34e.
Die Breiten 31 wie auch B2 können entlang des Umfangs der
Pole variieren.
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In
der Aufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 6a ist
dargestellt, wie zusätzlich
zu einer Durchführung 36 für die Spulendrahtzuleitung
mehrere Durchgangslöcher 38 für Säulen eines
Spulenträgers
(siehe 6b) in der Sohle des Spulengrabens 21f verteilt
sind. Die Zahl dieser Durchgangslöcher 36 beträgt z. B.
3 bis 9 oder 5 bis 7.
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Aus
der zugehörigen
Querschnittansicht gemäß 6b wird
deutlich, dass die Spulendrähte 26f auf
einem ringförmigen
bzw. einen überwiegend
geschlossenen Ring bildenden Spulenhalter 40' mit z. B. L-förmigem Profil befestigt sind.
Dieser Ring 40' ist seinerseits
auf mehreren Säulen 40'' aus die Wärme gut ableitendem Material,
z. B. aus Kupfer oder Aluminium, aufgeständert. Zwischen dem Spulenhalter 40' und den Säulen 40'' einerseits, und der Polplatte 25f andererseits,
ist ein Spalt 41 ausgebildet, der verhindert, dass ein
direkter Wärmeübergang
auf die Polplatte 25f stattfindet. Über die Säulen 40'' wird
die Wärme
auf einen gemeinsamen, z. B. plattenförmigen Sockel 42 geleitet.
Es ist auch möglich,
hier nicht gezeigte aktive Kühlvorrichtungen,
z. B. eine Wasser- oder Luftkühlung,
oder ein Peltierelement vorzusehen. Die Anordnung zur Spulenhalterung 40', 40'', 42 wird an einer rückwärtigen Position
durch ein wärmeisolierendes
Abstandsstück 44 in
der vorgesehenen Relativposition zur Polplatte 25f gehalten.
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Die
vorstehenden Modifikationen betreffen im weiteren Sinn die Platten-
oder Grabengeometrie. Unabhängig
von, oder in Kombination mit den bereits genannten Modifikationen,
betreffen die folgenden Ausführungen
die elektrische Konfiguration: Gemäß 7 ist zwischen
den Polplatten 25g, die hier beispielhaft in der Grundversion
gemäß 3 dargestellt
sind, eine Doppelschicht 46 aus einem elektrisch leitenden,
aber nichtmagnetischen Material, z. B. aus einer dünnen Kupfer-
oder Goldschicht angeordnet. Eine Obergrenze für die maximal erlaubte relative
magnetische Permeabilität
ist μr < 1,01.
Die Schicht aus dem Material soll ferner hinreichend elektrisch
leitfähig
sein, dass sie sich nicht auflädt.
In dem Beispiel gemäß 7 werden
die elektrisch leitenden Schichten 46, zwischen denen der Teilchenstrahl
hindurchtritt, jeweils von einer Isolatorschicht 48 getragen,
die den Raum zwischen den Schichten 46 und der jeweils
benachbarten Polplatte 25g überwiegend oder ganz ausfüllt. Die
Isolatorschichten 48 können
einstückig
ausgebildet sein, wobei nur Eintritts- und Austrittslöcher für die Teilchenstrahlen
darin ausgebildet sind; diese Konfiguration vermeidet ansonsten
erforderliche Kriechstrecken, da zwischen der Doppelschicht 46 und
den Polplatten 25g eine Hochspannung angelegt werden soll.
Dabei kann der Isolator aus einem massiven Block durch Aushöhlen zur
einer sogenannten Strahlbüchse
geformt werden. Alternativ kann der Hohlblock z. B. mittels Rapid
Prototyping direkt in der gewünschten
Form aufgebaut werden. In beiden Fällen werden Oberflächenpaare vermieden,
die etwa beim Zusammenschrauben aus Teilstücken unvermeidlich sind und Überschlagsstrecken
darstellen könnten.
Die Schichten 46 bilden zusammen mit einer stirnseitig
für den
Teilchenstrahl durchlässigen
Mündung
die Strahlbüchse 45,
innerhalb derer sich die Teilchen auf einem definierten elektrischen
Potenzial befinden.
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In 8 ist
eine Variante dargestellt, bei der die Spulenwicklung 26h als
Ganzes von einer elektrisch und wärmeisolierenden Isolatorschicht 50 umgeben
sind, so dass letztere den Raum im Spulengraben 21h außerhalb
der Spulenwicklung 26h fast gänzlich ausfüllt. In diesem Beispiel ist
die Polplattengeometrie von 5c zu
Grunde gelegt, um möglichst
viel Platz für
die Isolierung und gleichzeitig einen möglichst großen Leiterquerschnitt für die Spulendrähte 46h bereitzustellen.
Auch andere Polplattentypen als jene mit einem ringförmigen Poldeckel 31h und
einem inselförmigen
Poldeckel 30h sind anwendbar. Bei dieser Anordnung kann
die Spule auf ein anderes Potenzial als die Polplatte gelegt wurden;
zudem ist der Wärmeübergang
reduziert. Dass in Folge dessen die Spule sich umso stärker erwärmt, da
die Polplatte als Wärmesenke
entfällt,
ist für
die Konstanz und Präzision
des Magnetfelds unkritisch, zumindest solange ein Toleranzspalt 51 zwischen
der Isolierung 50 und der Wand 33h des Spulengrabens 21h verbleibt,
oder die Isolierung 50 kompressibel ist. Die Spule leitet
hier den Großteil
der im Betrieb erzeugten Wärme
durch die Spulendrähte
ab.
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Eine
weitere Möglichkeit
ist in der 9 dargestellt:
Unterhalb
einer Polinsel 52, also einer Platte aus magnetischem Material,
die an ihrem Umfang an den Spulengraben grenzt, ist hierbei ein
Permanentmagnet 54 angeordnet, der einen Großteil des
benötigten magnetischen
Flusses bereitstellt. Die Spulendrähte 46i werden im
Betrieb von einem erheblich geringeren Strom durchflossen, als bei
gleichem Magnetfeld in den bisher beschriebenen Beispielen, da sie
nur einen untergeordneten Anteil der Gesamtmagnetfeldstärke beitragen.
Da der Dauermagnet 54 erstens nicht auf eine genaue Magnetfeldstärke eingestellt werden
kann, und andererseits sein Feld – wenn auch geringfügig – von der
Temperatur abhängig
ist, ist in diesem Beispiel ein Temperatursensor 55 vorgesehen,
dessen Ausgangssignal dazu verwendet wird, mittels einer Steuerung 56 und
eines Reglers 57 die Versorgungsspannung DC der Spulen 26i einzustellen,
so dass Feldschwankungen kompensiert werden. Eine Stromversorgung
für die
Spulen ist auch in den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen; ebenso
kann jeweils ein Regler vorgesehen sein.
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Zusammengefasst
werden Systeme bereitgestellt, mit denen die Wärmeentwicklung in den Spulen
und/oder der Wärmeübergang
von den Spulen in die Polplatten in Ausführungsformen verringert und/oder
stabilisiert werden kann. Der Fachmann wird erkennen, dass von den
oben vorgestellten Lösungen
Abweichungen möglich
sind, die dennoch von den nachfolgenden Ansprüchen umfasst sind.