Магнитное электроннооптическое устройство со скорректированной сферической аберрацией Советский патент 1983 года по МПК H01J29/56 

Изобретение отнорится к электронно-оптическим устройствам со скорректированной сферической аберрацией для фокусировки и отклонения пучков заряженных частиц и может применяться в различных электронно-оптических приборах, например в электронно-лучевых трубках, спектрометрах, микроскопах, в транспортирующих каналах ускорителей.

Известны устройства со скорректированной сферической аберрацией, состоящие из осемметричных линз, корректоров сферической аберрации, содержащих квадрупольные и октупольные линзы,а также совмещенные квадрупрльные и октупольные линзы.

, Магниты указанных устройств расположены симметрично относительно двух плоскостей симметрии, перпендикулярных между собой и проходящих через оптическую ось устройства, совпадающую с осью пучка l .

Недостатком указанных устройств является невысокое качество изображения из-за чрезвычайно сложной юсти ровки большого количества магнитов квадрупольных и октупольных линз корректоров.

. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является электронно-оптическое устройство, состоящее из четырех квадрупольных и трех октупольных магнитных линз, применяемое в сканирующем электронном микроскопе.

Данное устройство содержит 40 магнитов , -которые расположены симметрично относительно двух плоскостей симметрии, перпендикулярных между собой и. проходящих через оптическую ось системы, совпадающую с осью пучка, причем магниты расположены таким образом, что создают магнитное поле, антисимметричное относительно этих плоскостей симметрии. Четыре квадруполЬные линзы создают правильное электронно-оптическое изображение, а три октуполя полностью корректируют сферическую аббераедю третьего порядка системы 2 .

Однако данное устройство обладает недостаточно хорошим качеством изображения из-за весьма трудоемкой юстировки, что обусловлено сложной конструкцией и наличием большого числа магнитов, подлежащих сборке и юстировке.

Цель -Изобретения - упрощение конструкции и юстировки.

Указанная цель достигается тем, что в магнитном электронно-оптическом устройстве со скорректированной сферической аберрацией, содержащем линзу с магнита1 1и, расположенными симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через оптическую ось устройства, совпадающую с осью электронного пучка, причем симметричные магниты имеют одинаковую величину намагниченности и обращены к оси устройства разноименными полюсами, последние расположены в параллельных оптической оси плоскостях группами, включающими не менее двух магнитов, намагниченных в направлении, перпендикулярном указанным параллельным плоскостям.

Магниты могут быть выполнены в виде плоских электромагнитных катушек, а также, например, в виде набора ферритовых пластин, укрепленных на немагнитных пластинах. ,

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит линзу, состоящую из двух немагнитных пластин 1, параллельных между собрй и оптической оси Z устройства, совпадающей с осью пучка, на которые нанесены магниты в виде плоских электромагнитшлх катушек, сгруппированны в группы 2-9. Катушки каждой пары групп (2-3, 4-5, 6-7, 8-9) расположены симметрично относительно плоскостей XOZ, OZ . Катушки соединены гальванически с источниками постоянного тока.

Устройство работает следующим :образом.

Через симметричные катушки каждой пары групп (2-3, 4-5, 6-7, 8-9) пропускается один и тот же по величине ток. Поэтому магнитные поля от соответствующих катушек в симметричных точках равны между собой. При этом направление тока в каждой из катушек таково, что направления силовых линий в симметричных точках противоположны друг другу.

Таким образом, создается магнитное поле, антисимметричное относительно плоскостей симметрии линзы. Пучок заряженных частиц из источника последовательно подвергается действию осесимметричной, квадрупольной и октупольной составляющих поля катушек каждой пары групп, причем выбором токов в катушках добиваются того, чтобы суммарное действие осесимметричной и квадрупольной срставляквдих поля всех групп было фокусирующим, а суммарное действие октупольных составлякяциж корректировало сферическую аберрацию устройства.

Предлагаемая конструкция позволяе добиться этого. Действительно, если магниты расположены симметрично относительно плоскостей XOZ и VOS , а полярность их относительно этих плоскостей антисимметрична, то разложение магнитного скалярного потенциала вблизи оси симметрии имеет вид

-са(Х2,)«ио(г.)идг1ху+и(г)ху(хПу2) где U,XY - квадрупольная составляю щая поля{ U2XY{x-v f )- октупольная, функции U, и Ц 2 определяют .фо;кусирую1цие свойства и аберрации третьего порядка соответственно и, свою очереда, определяются силой и взаимным расположением магнитов. Функции О и U2 зависят от силы маг нитов поразнрму, поэтому оказывается возможным выбрать силы магнитов так, чтобы добиться необходимого фо кусирующего действия устройства при одновременной коррекции сферической абберации.третьего порядка. . На электронно-оптической скамье макет СОСТОЯ1ЦИЙ из двух секций, по .четыре плоских электромагнитных катушки, и каждой секции изготовлен и испытан. Секции изготовлены из фольгированного гетинакса (120К50 мм), катушки получены фотозсимическим способом. Длина катушек вдоль оси системы равна 100 мм , шир на средних катушек - 20 мм, крайних - 10 мм. Катушки выполнены прямоугольными со спиральной намоткой. Число витков в средних катушках - 1 в крайних - 7. Средние катушки обеи секций и раздельно крайние соединены между собой последовательно так, что направления токов в симметричны катушках противоположны друг другу, причем и магнитные поля в симметрич ных катушках равны между собой, а направления силовых линий в них про воположны друг другу. При этом форм руется магнитное поле, антисимметр ич ное относительно плоскостей симметрии. Таким образом, магнитное поле линзы управляется двумя токами - по .средним и крайним катушкам. Секции скреплены между собой болтами по углам пластин через отверстия в них, причем между пластинами вставлены калиброванные столбики, а отверстия для болтов в пластинах распологают одинаково, что обеспечивает параллельность пластин и совмещение плоскостей симметрии линзы. Линзу крепят в трубу 51 мм так, что она входит в трубу с трением, причем ось ее совмещают с осью трубы, выставленной по оси электронно-оптической скамьи. Методом двух сеток измеряют фокусирующие свойства и сферическую аберрацию.третьего порядка. Обработка экспериментальных результатов показывает, что линза действует как суперпозиция совмещенных квадрупольной и октупольной линз, длинй которых равна 100 мм, а возбуждение квадрупольной и октупольной составляющих определяется линейной комбинацией токов в средних и.крайних катушках. Использование предлагаемо устройства по сравнению с известным предоставляет большую гибкость в достижении необходимых функциональных характеристик , позволяет упростить конструкцию устройства в целом, значительно облегчить юстировку-и, как следствие, улучшить качество изображения. Эффективность юстировки предлагаемого устройства по сравнению с известным достигает 96,5%. Предлагаемое устройство предполагает лишь семь юстировок {вместе 200 у прототипа) двух цельноизготовленных пластин с электромагнитными катушками: по одному параллельному переносу и двум поворотам на каждую пластину и установку в необходимое положение вдоль оптической оси. С ростом сложности функциональной задачи, стоящей перед устройством, и соответственно числа магнитов эффективность изготовления и юстировки предлагаемого устройства увеличивается. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным имеет более гибкие функциональные возможности и обладает более простой конструкцией.

1. МАГНИТНОЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО CO СКОРРЕКТИРОВАННОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ АВЕРРАЦИЕЙ, содержащее линзу с магнитами, расположенными симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходягдих через оптическую ось устройства, совпад ющую с осью электронного пучка, причем симметричные магниты имеют одинаковую величину намагниченности и обращены к оси устройства разноименными полюсами, отличающеес я тем, что, с целью упрощения конструкции и юстировки, магниты расположены в параллельных оптической оси плоскостях группами, включающими не менее двух магнитов, намагниченных в направлении,, перпендикулярном указанным паргшлельным плоскостям. с 2. Устройство по п. 1, о т л и(О чающееся тем, что магниты выполнены в виде плоских электромагнитных катушек. 00 00 о