DE911058C - Microscope with electrostatic lenses for electron and ion beams - Google Patents
Microscope with electrostatic lenses for electron and ion beamsInfo
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Description
(WiGBl. S. 175)(WiGBl. P. 175)
AUSGEGEBEN AM 10. MAI 1954ISSUED MAY 10, 1954
5" 1013OVIIIc/2ig 5 " 1013OVIIIc / 2ig
(Ges. v. 15.7.51)(Ges. Of July 15, 51)
Bei Elektronenmikroskopen, die mit elektrostatischen Linsen arbeiten, ist es schon bekannt, die Linsen durch eine seitliche Öffnung der Vakuumwand auszubauen. Hierbei ist die Konstruktion so gewählt, daß die Linse an einem Trägerkörper sitzt, der gleichzeitig die Durchführung für den Hochspannungsanschluß der einen Linsenelektrode bildet. Zum Objektwechsel wird dabei die ganze Linse, welche auch das Objekt trägt, zusammen mit dem Hochspannungsanschluß seitlich aus dem Elektronenmikroskop ausgebaut. Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit seitlich aus dem Strahlengang entfernbaren elektrostatischen Linsen und zielt darauf ab, den Aufbau des gesamten Gerätes zu vereinfachen und die Bedienung bequemer zu machen. Insbesondere sollen die Linsen zur Reinigung bzw. zum Auswechseln der Linsenelektroden (Veränderung der Brennweite) leicht aus dem Mikroskop entfernt werden können. Erfindungsgemäß wird die Linse beim Entfernen aus dem Strahlengang in einer Richtung von dem mit dem Mikroskop verbundenen Hochspannungsanschluß wegbewegt. Auf diese Weise ist es nun möglich, das Aus- und Einbauen der Linse durchzuführen, ohne daß das Mikroskop oder die Hochspannungszuführung zu der Linse abgebaut werden muß. Die Linse selbst wird bei der neuen Anordnung vorzugsweise so gestaltet, daß sie in der Betriebsstellung mit der an die Hochspannung anzuschließenden Elektrode gegen die SpannungszuführungIn electron microscopes that work with electrostatic lenses, it is already known that Remove lenses through a side opening in the vacuum wall. Here the construction is like that chosen that the lens sits on a carrier body, which is also the implementation for the high voltage connection which forms a lens electrode. To change the object, the whole lens, which also carries the object, together with the High-voltage connection removed from the side of the electron microscope. The invention relates to an electron microscope with electrostatic lenses that can be removed from the side of the beam path and aims to simplify the structure of the entire device and make the operation more convenient close. In particular, the lenses should be used for cleaning or for replacing the lens electrodes (Changing the focal length) can easily be removed from the microscope. According to the invention when the lens is removed from the beam path, it moves in one direction from the one with the Microscope connected high voltage connection moved away. In this way it is now possible the removal and installation of the lens can be carried out without the microscope or the high-voltage supply to the lens must be dismantled. The lens itself becomes preferred in the new arrangement designed so that it is in the operating position with the to be connected to the high voltage Electrode against the voltage supply
gedrückt wird. Der Kontakt zwischen der Elektrode und der Spannungszuführung wird leicht lösbar ausgebildet. Das kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß diese Kontaktstelle als Steckvorrichtung ausgebildet ist. Eine andere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, daß die Hochspannungszuführung in der Betriebsstellung mit einem federnden Endstück gegen ein zugeordnetes Kontaktstück der Linsenelektrode drückt. Manis pressed. The contact between the electrode and the voltage supply can be easily removed educated. This can be achieved, for example, that this contact point as a plug-in device is trained. Another embodiment is that the high-voltage supply in the operating position with a resilient end piece against an associated one Contact piece of the lens electrode presses. Man
ίο wird dabei die Spannungszüführung auf der Seite der Mikroskopwand anordnen, die der Auswechselöffnung der Linse entgegengesetzt oder angenähert entgegengesetzt liegt.ίο is doing the tension on the side Arrange the microscope wall that is opposite or approximated to the exchange opening of the lens is opposite.
Um eine vielseitige Verwendbarkeit des Mikroskops mit einfachen Mitteln zu ermöglichen, kann man die Linsenverstellvorrichtung gemäß der weiteren Erfindung so ausbilden, daß die Linse entweder aus dem Strahlengang entfernt, aber innerhalb des Vakuumraumes verbleiben kann, oder daß sie durch eine seitliche öffnung in der Mikroskopwand völlig aus dem Mikroskop ausgebaut werden kann. Die zuerst genannte Verstellmöglichkeit wird man anwenden, wenn mit dem Elektronenmikroskop Beugungsaufnahmen des Objekts gemacht werden sollen. Um die Bewegungen der Linse sehr genau durchführen zu können und das Überführen in die ßetriebsstellung zu ermöglichen, ohne daß jedesmal eine besondere Zentrierung der Linse notwendig ist, wird man die Linse auf einer quer zur Strahlrichtung liegenden Gleitfläche beweglich anordnen, wobei Anschläge die zentrierte Betriebsstellung begrenzen. Man braucht dann die Linse nur auf der Gleitfläche bis zum Anschlag in das Mikroskop einzuführen und hat damit ohne weiteres die genau zentrierte Stellung der Linse erreicht.In order to enable the microscope to be used in a variety of ways with simple means, can to train the lens adjustment device according to the further invention so that the lens either removed from the beam path, but can remain within the vacuum space, or that they can be completely removed from the microscope through a side opening in the microscope wall can. The first-mentioned adjustment option will be used when using the electron microscope Diffraction recordings of the object are to be made. To make the movements of the lens very precise to be able to carry out and to enable the transfer to the ßbetriebsstellung without each time A special centering of the lens is necessary, the lens is placed on a transverse to the direction of the beam Arrange lying sliding surface movable, with stops limit the centered operating position. The lens then only needs to be inserted into the microscope on the sliding surface as far as it will go and has thus easily reached the precisely centered position of the lens.
Für die elektrostatischen Linsen des Elektronenmikroskops wird man vorzugsweise solche an sich bekannten Anordnungen wählen, bei denen zwischen zwei auf Anodenpotential befindlichen Elektroden eine dritte an die Hochspannung angeschlossene Elektrode liegt. Ein besonders einfacher und für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeigneter Linsenaufbau ergibt sich, wenn man zur Halterung der erwähnten drei Elektroden einen Isolierring verwendet, der mit drei genau koaxial zueinander geschliffenen Fassungen für die Elektroden versehen ist und der eine seitliche Durchbohrung für die Hochspannungszuführung an die Mittelelektrode besitzt. Man wird dabei die untere Elektrode als Halter des Isolierringes verwenden und sie in einer mit der Außenwand des Mikroskops metallisch verbundenen, senkrecht zur Strahlenachse liegenden Gleitfläche führen. Die Linse selbst kann mit Hilfe einer Zugstange, die durch die A^akuumwand des Mikroskops mit einer zylindrischen Fettdichtung oder auch durch Vakuumfett gedichteten Schraube geführt ist, unter Vakuum aus dem Strahlengang zur Aufnahme von Beugungsdiagrammen entfernt werden. Diese Zugstange kann man in einem zum Ausbau der Linse abnehmbaren seitlichen Deckel führen, der eine vorzugsweise viereckige öffnung der Vakuumwand verschließt. Durch diese öffnung wird die gesamte Linse zum Auswechseln bzw. Reinigen der Aperturblende oder aus sonstigen Gründen ausgebaut. Die obere Elektrode einer solchen Linse kann man durch Schleiffedern mit einer vor der Linse senkrecht zum Strahl liegenden mit der Vakuumwand metallisch verbundenen Platte elektrisch leitend verbinden. Bei einer solchen Anordnung wird also durch das bloße Einschieben der Linsenanordnung zwangsläufig an jede der drei Elektroden die gewünschte Spannung gelegt. Beim Entfernen der Linse aus dem Strahlengang ergibt sich ebenso zwangsläufig das Lösen der Spannungsanschlüsse für die Elektroden.For the electrostatic lenses of the electron microscope, they are preferably used per se choose known arrangements in which between two electrodes located at anode potential there is a third electrode connected to the high voltage. A particularly simple one and lens construction suitable for the purposes of the present invention arises when one uses an insulating ring to hold the three electrodes mentioned, which is exactly three Coaxially ground sockets for the electrodes are provided and one is on the side Has a through hole for the high voltage supply to the center electrode. One becomes the Use the lower electrode as a holder for the insulating ring and align it with the outer wall of the Guide the microscope metallically connected sliding surface perpendicular to the beam axis. the The lens itself can be secured with the help of a pull rod which passes through the vacuum wall of the microscope with a cylindrical grease seal or screw sealed with vacuum grease, be removed under vacuum from the beam path for recording diffraction patterns. These The pull rod can be guided in a side cover that can be removed to remove the lens a preferably square opening in the vacuum wall closes. Through this opening the entire lens for changing or cleaning the aperture diaphragm or for other reasons expanded. The upper electrode of such a lens can be fixed by sliding springs with a front Lens perpendicular to the beam, which is electrically connected to the plate, which is metallically connected to the vacuum wall connect conductive. With such an arrangement, the mere insertion of the Lens arrangement inevitably applied the desired voltage to each of the three electrodes. At the Removal of the lens from the beam path also inevitably results in the loosening of the voltage connections for the electrodes.
Die obere, im Strahlengang vor der Linse liegende Platte wird beim Objektiv vorzugsweise als Träger des Objektverschiebetisches verwendet. Beim Projektiv kann die entsprechende Platte den Zwischenbildleuchtschirm enthalten. Diese Platten ebenso wie die mit Führungsflächen versehenen Grundplatten der Linsen können zusätzliche Bohrungen zur Verbesserung der Evakuierung des Mikroskops erhalten. Während man beim Projektiv eine ungefähr symmetrische Lage der drei Elektroden einer solchen Linse verwenden wird, empfiehlt es sich, im Falle des Objektivs die untere und mittlere Elektrode nach der Seite der oberen, vorzugsweise als ebene Scheibe ausgebildeten Elektrode hin gewölbt auszuführen, um den wirksamen Linsenbereich dem Objekt weitgehend zu nähern.The upper plate in front of the lens in the beam path is preferred for the objective used as a support for the object shifting table. In the case of the projective, the corresponding plate can be the Intermediate screen included. These plates as well as those provided with guide surfaces Base plates of the lenses can have additional holes to improve the evacuation of the Microscope received. While the projective has an approximately symmetrical position of the three electrodes If you are going to use such a lens, it is advisable to use the lower one in the case of the lens and middle electrode on the side of the upper, preferably designed as a flat disk To make the electrode arched in order to largely close the effective lens area to the object approach.
Weitere, für die Erfindung wesentliche Merkmale werden in dem folgenden Ausführungsbeispiel behandelt:Further features essential to the invention are shown in the following exemplary embodiment treated:
Fig. ι zeigt einen Längsschnitt durch die wesentlichen Teile eines mit elektrostatischen Linsen arbeitenden Elektronenmikroskops;Fig. Ι shows a longitudinal section through the essentials Parts of an electron microscope using electrostatic lenses;
Fig. 2 zeigt die Seitenansicht des Mikroskops mit dem Trägertisch und dem zugeordneten Transformator ;Fig. 2 shows the side view of the microscope with the support table and the associated transformer ;
Fig. 3 zeigt den Grundriß zu Fig. 2.FIG. 3 shows the plan of FIG. 2.
In Fig. ι ist mit 1 der Strahlerzeuger des Mikroskops bezeichnet. Zur Halterung der Kathode dient ein mit einer Rippe versehener Isolator 2, der mit unteren konischen Paßflächen 3 auf den die Objektschleuse 4 bildenden Teil des Mikroskops aufgesetzt ist. An diesem Teil 4 ist auch die geerdete Schutzwanne für das Entladungsrohr mit Schrauben befestigt. Diese Schützwanne ist halbkugelig mit der öffnung nach oben ausgebildet. In dem Körper 4 ist in an sich bekannter Weise eine Objektschleuse eingebaut, die mit einem in der Ouerbohrung 6 verdrehbar angeordneten Hahnküken arbeitet. Mit 7 ist die Einschleusöffnung, mit 8 ein LTmgehungskanal zur Sicherung der guten Evakuierung aller Teile bezeichnet. Der Objektschleusenkörper 4 sitzt auf dem Trägerkörper 9 des Objektivs. Das Objektiv selbst besteht aus einer unteren Aufbauelektrode, auf die ein Isolierring 11 ausgesetzt ist. In diesen Isolierring ist die Mittelelektrode 12 und die als ebene Scheibe ausgebildete obere Elektrode 13 mit entsprechenden genau konzentrisch zueinander liegenden Paßfiächen eingesetzt. Um den wirksamen Linsenbereich dem Objekt weitgehendIn Fig. Ι 1 is the beam generator of the microscope designated. To hold the cathode is provided with a rib insulator 2 with The lower conical mating surfaces 3 are placed on the part of the microscope which forms the object lock 4 is. The grounded protective trough for the discharge tube is also attached to this part 4 with screws. This protective trough is hemispherical with the opening at the top. In the body 4 an object lock is installed in a manner known per se, which is connected to an in the Ouerbohr 6 rotatably arranged cock plug works. With 7 is the inlet opening, with 8 a passage canal to ensure that all parts are properly evacuated. The object lock body 4 is seated on the support body 9 of the objective. The lens itself consists of a lower assembly electrode, to which an insulating ring 11 is exposed. In this insulating ring is the center electrode 12 and the upper electrode 13, designed as a flat disk, with corresponding exactly concentric to one another lying mating surfaces are used. To the effective lens area the object largely
zu nähern, ragt die untere Aufbauelektrode io nach dem Tauchprinzip in die ebenfalls nach oben gewölbte mittlere Elektrode hinein, so daß diese beiden unteren Elektroden der oberen weitgehend genähert sind. Die nicht dargestellte Objektpatrone wird in der Betriebsstellung gegen den Objektverschiebetisch 15 gedrückt, der auf einer Platte 16 ruht. Mit 17 ist die Bohrung bezeichnet, in welche die Verstellrichtung des Objektverschiebetisches eingebaut ist. Mit 14 ist eine Einblicköffnung zur Betrachtung des Zwischenbildleuchtschirmes bezeichnet. Der Träger 9 des Objektivs (Objektivtubus) sitzt auf dem Träger 18 des Projektivs (Projektivtubus). Die Projektivlinse zeigt einen ähnliehen Aufbau wie die Objektivlinse. Auch hier ist wieder eine untere Aufbauelektrode 20 und ein darauf aufgesetzter Isolierring 21 verwendet. In diesen Isolierring ist die Mittelelektrode 22 und die obere Elektrode 23 eingebaut. Auch hier sorgen genau koaxial liegende Paßflächen, die sich in dem Isolierring 21 und den drei Elektroden befinden, dafür, daß diese Elektroden mit ihren drei Strahldurchtrittsöffnungen genau strahlsymmetrisch liegen. Mit 24 ist eine Einblicköffnung zur Betrachtung des Endbildleuchtschirmes bezeichnet.to approach, the lower build-up electrode io also protrudes upwards according to the immersion principle arched middle electrode into it, so that these two lower electrodes of the upper largely are approximated. The object cartridge, not shown, is in the operating position against the object displacement table 15 pressed, which rests on a plate 16. With 17 the bore is designated in which the adjustment direction of the object shifting table is built in. At 14 is a viewing opening to Consideration of the intermediate fluorescent screen referred to. The carrier 9 of the lens (lens barrel) sits on the carrier 18 of the projection lens (projection tube). The projective lens shows a similar one Structure like the objective lens. Here, too, there is a lower build-up electrode 20 and a Insulating ring 21 placed thereon is used. In this insulating ring is the center electrode 22 and the upper electrode 23 installed. Here, too, ensure exactly coaxial mating surfaces that are located in the Insulating ring 21 and the three electrodes are located, ensuring that these electrodes with their three beam passage openings are exactly symmetrical. At 24 a viewing opening for viewing the end screen is referred to.
Sowohl das Objektiv als auch das Projektiv können bei der dargestellten Anordnung einerseits zur Herstellung von Beugungsaufnahmen aus dem Strahl entfernt werden, aber im Vakuumraum verbleiben, und sie können andererseits auch beide seitlich aus dem Mikroskop ausgebaut werden, ohne daß dabei die Hochspannungsanschlüsse verändert werden müßten. Zu diesem Zweck besitzen die Isolierringe 11 bzw. 21 je eine Durchtrittsöffnung 25 bzw. 26 für das federnde Endstück 2y bzw. 28 der Hochspannungszuführung. Die Hochspannungszuführung selbst ist in der aus der Figur ersichtlichen Weise fest mit den entsprechenden Vakuumwandteilen zusammengebaut. Die Linsen können nach der den Hochspannungszuführungen gegenüberliegenden Seite hin aus dem Strahlengang entfernt werden. Zu diesem Zweck ist beim Objektiv die quer zur Strahlrichtung liegende Platte 29 und beim Projektiv die quer zur Strahlrichtung liegende Platte 30 als Gleitfläche der Linse ausgebildet. Mit der unteren Elektrode 10 bzw. 20 ist ein Halter 31 bzw. 32 fest verbunden, an dessem linken Ende eine Zugstange 33 bzw. 34 angreift. Diese beiden Zugstangen sind durch die zugeordneten Deckel 35, 36 mit zylindrischen Fettdichtungen geführt. Mit Hilfe dieser Antriebsmittel können die Linsen zunächst nach links aus dem Strahlengang so weit herausgeführt werden, daß vom Objekt Beugungsaufnahmen hergestellt werden können. Man kann die Linsen aber durch Entfernen der Deckel 35 bzw. 36 auch vollkommen ausbauen. Bei diesem Ausbauen lösen sich die federnden Kontakte der Hochspannungsanschlüsse ohne weiteres von den Mittelelektroden, so daß im übrigen die Hochspannungsanschlüsse fest am Mikroskop verbleiben können.In the arrangement shown, both the objective and the projective can be removed from the beam to produce diffraction images, but remain in the vacuum space, and they can both be removed from the side of the microscope without having to change the high-voltage connections. For this purpose, the insulating rings 11 and 21 each have a passage opening 25 and 26 for the resilient end piece 2y and 28 of the high-voltage supply. The high-voltage supply itself is firmly assembled with the corresponding vacuum wall parts in the manner shown in the figure. The lenses can be removed from the beam path on the side opposite the high-voltage leads. For this purpose, the plate 29 lying transversely to the beam direction in the case of the objective and the plate 30 lying transversely to the beam direction in the case of the projection lens is designed as a sliding surface of the lens. A holder 31 or 32 is fixedly connected to the lower electrode 10 or 20, and a pull rod 33 or 34 engages on its left end. These two tie rods are passed through the associated covers 35, 36 with cylindrical grease seals. With the aid of this drive means, the lenses can first be guided out of the beam path to the left so far that diffraction recordings can be made of the object. However, the lenses can also be completely dismantled by removing the cover 35 and 36, respectively. During this expansion, the resilient contacts of the high-voltage connections are easily detached from the central electrodes, so that the rest of the high-voltage connections can remain firmly on the microscope.
Die obere Elektrode 23 des Projektivs wird durch Federn 37 elektrisch leitend mit einer oberen Querplatte 38 verbunden, die als Träger des Zwischenbildleuchtschirmes dienen kann. Entsprechende, in der Figur nicht dargestellte Federn dienen beim Objektiv dazu, die obere Elektrode 13 elektrisch leitend mit der Platte 16 und dadurch mit dem Anodenpotential zu verbinden.The upper electrode 23 of the projection lens is electrically conductive by springs 37 with an upper one Cross plate 38 connected, which can serve as a support for the intermediate fluorescent screen. Appropriate, In the case of the objective, springs (not shown in the figure) serve to lift the upper electrode 13 to be connected in an electrically conductive manner to the plate 16 and thereby to the anode potential.
Unmittelbar über dem Küken der Objektsohleuse ist die Wehneltelektrode fest zentriert angeordnet, so daß sich ein möglichst kurzer Strahlweg zwischen der Kathode und dem Objekt ergibt, der eine genügend intensive Bestrahlung des Objektivs ohne Kondensor ermöglicht. Zur Zentrierung des Strahles auf das Objekt kann die Kathode unter Vakuum über isolierende in der Figur nicht dargestellte quer zur Bohrung des Steuerzylinders einstellbar und zur Emissionssteuerung in der Strahlachse verschiebbar gemacht werden.The Wehnelt electrode is firmly centered directly above the chick of the object sole, so that the shortest possible beam path between the cathode and the object results, the one Enables sufficient intensive irradiation of the lens without a condenser. To center the Beam to the object can be the cathode under vacuum over insulating in the figure adjustable across the bore of the control cylinder and for emission control in the Beam axis can be made movable.
Das Mikroskop ist für drei Benutzer eingerichtet und kann sowohl für den Zwischenbildleuchtschirm als auch für den Endbildleuchtschirm dementsprechend um 900 versetzte Einblickfenster besitzen. Das Mikroskop ist in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise auf einer viereckigen Tischplatte 40 aufgebaut, welche drei Füße 41 bis 43 (Fig. 3) besitzt, die so angeordnet sind, daß sie die drei sitzenden Beobachter nicht stören. Die Pumpleitung 44 und die Hochspannungszuführung 45 befinden sich auf der Rückseite des Mikroskops dem mittleren Beobachter gegenüber. Pumpe und Kühlgefäß 46 für die Quecksilberfalle 47 erstrecken sich durch die Tischplatte 40 hindurch. Die Pumpleitung 44 geht vom Mikroskop aus zunächst nach hinten bis zur Kühlfalle 47. Von der Kühlfalle geht sie mit dem Leitungsstück 48 unter 900 nach der Seite der Hochvakuumpumpe 49. Der Hochspannungserzeuger 50 ist unmittelbar hinter dem Mikroskoptisch 40 aufgestellt, so daß das die Gleichspannung zuführende Kabel 45 mit einer einzigen Richtungsänderung um 900 an die Projektivlinse geführt werden kann. Man kann die Anordnung auch so wählen, daß das Kabel 45 nach oben gezogen ist bis zur Höhe der Anschlußstelle am Entladungsrohr. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Hochspannungsleitung 51 an das Kabel 45 angeschlossen. Hier dient die Leitung 51 dazu, dem Objektiv und dem Entladungsrohr die Hochspannung zuzuführen. Die Leitung 51 kann als Freileitung ausgebildet sein. An den Tischwangen sind die Triebe 52 für das Kühlgefäß 46 und die in der Figur im einzelnen nicht dargestellten, für die Bedienung notwendigen Schalter und Regler angeordnet. Mit 53 ist ein die Freileitungsteile abschirmender Hochspannungsschutzkasten bezeichnet.The microscope is equipped for three users and may have both the intermediate image as a fluorescent screen accordingly by 90 0 offset for the Endbildleuchtschirm viewing window. The microscope is constructed in the manner shown in FIG. 2 on a square table top 40 which has three feet 41 to 43 (FIG. 3) which are arranged so that they do not disturb the three seated observers. The pump line 44 and the high-voltage supply 45 are located on the back of the microscope opposite the middle observer. The pump and cooling vessel 46 for the mercury trap 47 extend through the table top 40. The pump line 44 goes from the microscope backwards to the cold trap 47. From the cold trap it goes with the line piece 48 under 90 ° to the side of the high vacuum pump 49. The high voltage generator 50 is placed directly behind the microscope table 40, so that the DC voltage feeding cable 45 can be guided to the projective lens with a single change of direction by 90 °. You can also choose the arrangement so that the cable 45 is pulled up to the level of the connection point on the discharge tube. In the embodiment shown, the high-voltage line 51 is connected to the cable 45. Here the line 51 is used to supply the high voltage to the lens and the discharge tube. The line 51 can be designed as an overhead line. The drives 52 for the cooling vessel 46 and the switches and controls required for operation are arranged on the table cheeks and are not shown in detail in the figure. A high-voltage protection box which shields the overhead line parts is denoted by 53.
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