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Ein Projektivsystem mit variabler Vergrößerung für energiefilternde Elektronenmikroskope

Gerheim, Volker :
Ein Projektivsystem mit variabler Vergrößerung für energiefilternde Elektronenmikroskope.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ein Projektivsystem mit variabler Vergrößerung für energiefilternde Elektronenmikroskope
Language: German
Abstract:

In Transmissionselektronenmikroskopen mit Energiefilter sind die Einsatzmöglichkeiten im Vergleich zu Mikroskopen ohne Filter deutlich erweitert. Bei Mikroskopen ohne Energiefilter tragen alle gestreuten Elektronen zur Abbildung bei. Mit einem Filter können nun zum einen die unelastisch gestreuten Elektronen aus dem Strahlengang entfernt werden, so daß man nur mit elastisch gestreuten Elektronen Bilder aufnehmen kann, zum anderen können die unelastisch gestreuten Elektronen für eine elementspezifische Abbildung (ESI: element specific imaging) genutzt werden. Weiterhin läßt sich das Energiespektrum des Energieverlusts der Elektronen direkt untersuchen (EELS: electron energy loss spectroscopy). Das Einfügen eines hochauflösenden Energiefilters in ein Transmissionselektronenmikroskop führt für das Projektivsystem zu neuen Anforderungen. Da die Abbildungseigenschaften des Filters für eine bestimmte Zwischenvergrößerung des Mikroskops optimal sind, muß die Vergrößerung des Projektivs um mehr als eine Größenordnung einstellbar sein, damit eine große Gesamtvergrößerung ohne Beeinträchtigung der Abbildungsqualität möglich ist. Zusätzlich sollte dieses System das Energieverlustspektrum in der Dispersionsebene hinter dem Filter mit variabler Vergrößerung in die Detektorebene abbilden können, ohne daß eine Verzeichnung des Spektrums auftritt und die Energieauflösung des Filters beeinträchtigt wird. Diese Anforderung ist notwendig, um charakteristische Bereiche des Energieverlustspektrums, wie zum Beispiel Plasmon-Anregungen, Übergänge in den äußeren Energieniveaus bzw. dem Valenz- und Leitungsband oder Anregungen der inneren Schalen der Atome zu untersuchen. Aus diesem Grund müssen Übersichtsbereiche oder bestimmte Teile des Spektrums getrennt untersucht werden können. Um zu große Intensitätsunterschiede auf der CCD-Kamera zu vermeiden, sollte das stigmatische Spektrum in der Dispersionsebene in einen Strich in der Detektorebene überführt werden, so daß die Länge des Strichs mit der Größe des Detektors übereinstimmt. Diese Bedingung kann nur durch ein astigmatisches Abbildungssystem erfüllt werden, das notwendigerweise nicht rotationssymmetrische Elemente enthält. Bisherige Projektivsysteme erfüllen die dargestellten Anforderungen nicht, da sie aus Rundlinsen aufgebaut sind. Nur Quadrupolfelder garantieren Anordnungen für stigmatische und astigmatische Abbildungen mit gerader optischer Achse. Beide Fälle müssen mit variabler Vergrößerung einstellbar sein. Aus diesem Grund wird an dieser Stelle ein Quadrupolprojektivsystem vorgeschlagen, das aus zwei Quadrupoltripletts besteht. Quadrupole sind stark fokussierende Elemente, die einen großen Bereich für die Gesamtbrennweite des Projektivsystems zulassen. Mit dem Quadrupolsystem kann sehr einfach eine stigmatische und astigmatische Abbildung mit beliebig einstellbarem Astigmatismus (Länge des Bildstrichs) erreicht werden. Ein einzelnes Quadrupoltriplett erzeugt entweder ein in erster Ordnung verzeichnetes stigmatisches Bild oder zwei Bildstriche. Diese Abweichungen von der Rotationssymmetrie in erster Ordnung werden vom zweiten Triplett kompensiert. Für eine in erster Ordnung stigmatische und verzeichnungsfreie Abbildung sind nur vier Quadrupole notwendig. Bei fester Vergrößerung können die verbleibenden Freiheitsgrade genutzt werden um zum einen die Amperewindungen zu minimieren und damit die Kühlung der Polschuhe zu vermeiden, zum anderen kann der Durchmesser des Elektronenbündels klein gehalten werden. Die letzte Bedingung stellt die Übertragung von sehr großen Energiefenstern sicher und führt allgemein zu kleinen Bildfehlern. Das hier angewandte Konzept der Optimierung läßt sich beschreiben als eine Maximierung der Akzeptanz des Projektivs um eine möglichst optimale Emittanz des Energiefilters zuzulassen. Beide verwendeten elektronenoptischen Begriffe sind auf den Begriff des Phasenraumes des Elektronenbündels zurückführbar. Für die Abbildung des Energieverlustspektrums können Farbfehler orthogonal zur Richtung der Dispersion des Filters toleriert werden, da sie nur die Länge des Bildstrichs vergrößern. Die Komponente des axialen Farbfehlers parallel zur Richtung der Dispersion kann mit Hilfe der Hexapole innerhalb des Energiefilters korrigiert werden. Im Vergleich zu einem Rundlinsensystem benötigt man für ein Quadrupolprojektivsystem eine größere Anzahl von Elementen. Dieser Nachteil wird jedoch durch die verbesserte Leistungsfähigkeit und Variabilität bei weitem aufgewogen. Ein weiterer Vorteil stellt die größere Brechkraft der Quadrupole dar. Hierdurch kann der Abstand zwischen Registrierebene und Energiefilter verkürzt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The incorporation of an imaging energy filter enhances significantly the performance and the capabilities of a transmission electron microscope. The filter offers the possibility to either remove the inelastically scattered electrons or to form an image with electrons which have suffered a distinct energy loss. As a result, an energy filtering electron microscope enables zero-loss and element specific imaging. In addition, the energy loss spectrum can be recorded by imaging the dispersion plane on the detector. Since the performance of the filter is optimum at a distinct intermediate magnification, the magnification of the projector system must be variable by more than one order of magnitude to enable large changes of the total magnification without affecting the image quality. Moreover, this system should alternatively image the energy loss spectrum, which is formed at the dispersion plane behind the filter, without any distortions and loss of energy resolution in the detector plane with variable magnification. This property is necessary for investigating characteristic regions of the energy loss spectrum, such as plasmon excitations, interband and intraband transitions, inner shell excitations and for obtaining an overview over the entire spectrum or over a distinct part of it. To avoid unduly large intensities at the CCD-camera, it is also necessary to convert the stigmatic spectrum at the dispersion plane into a line spectrum at the recording plane such that the lines match the vertical extension of the CCD array. This condition can only be met by an astigmatic imaging system which must necessarily contain non-rotationally symmetric elements. Conventional projector systems do not fulfill these requirements because they consist solely of round lenses. In order to enable stigmatic and astigmatic imaging with variable magnification, we propose a quadrupole projector system consisting of two quadrupole triplets. These strongly focusing elements allow large changes of the total focal length of the projector system. The quadrupole system can easily yield stigmatic and astigmatic imaging with any degree of astigmatism (length of the line image). A single quadrupole triplet generally forms either a first-order distorted stigmatic image or two line images. These non-rotationally symmetric first-order deviations are compensated by the second quadrupole triplet. Since the number of the constituent quadrupoles is larger than that required for stigmatic and distortion-free (first-order) imaging, the path of rays within the projector system can be varied even if the magnification is fixed. Owing to this behavior, it is possible to adjust the quadrupole strengths in such a way that the ampere turns are minimized and the diameter of the electron bundle is small within the region of the quadrupole fields. In this case heating of the coils and pole pieces is avoided and the aberrations are sufficiently reduced such that the acceptance of the projector system matches the rather large emittance of a high-performance energy filter, e.g. the MANDOLINE filter. For the recording of the energy loss spectrum, a chromatic aberration perpendicular to the direction of the dispersion can be tolerated, as it only enlarges the extension of the image lines. The component of the axial chromatic aberration in the direction of the dispersion must be eliminated by appropriately readjusting the strength of the hexapoles within the energy filter. Despite the fact that the quadrupole projector system consists of a few more elements than that composed of rotationally symmetric lenses, its improved performance and variability outweigh this minor disadvantage by far. In addition, the distance between the recording plane and the filter can be shortened due to the strong refraction power of the quadrupole lenses.English
Uncontrolled Keywords: Elektronenoptik, Elektronenmikroskop, Energiefilter, Wien-Filter, Projektiv, variable Vergrößerung, Punktabbildung, Strichabbildung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Elektronenoptik, Elektronenmikroskop, Energiefilter, Wien-Filter, Projektiv, variable Vergrößerung, Punktabbildung, StrichabbildungGerman
electron optic, electron microscope, energy filter, Wien filter, projector, variable magnification, point image, line imageEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:46
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000102
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1027
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Rose, Prof. Dr. Harald and Seelig, Prof. Dr. Wolfgang
Advisors: Rose, Prof. Dr. Harald
Refereed: 12 February 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/102
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