close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Beitrag zur geometrischen Elektronenoptik. I

код для вставкиСкачать
Knoll u. Ruska. Beiirag x. geometrischen Elektronenoptik. I 607
Beitray
geonzetrischem ELektronenopt4k. I
Von M. EnoZZ und E, Ruuska
XUT
(Mitteilung aus dem Hochspannungslaboratorium
der Technischen Hochschule Berlin) I)
(Mit 26 Figuren)
U b e r s i c ht,: I. Struktur von Elektronenstrahlbundeln. - 11. Abbildung durch Lochblenden und Elektronenlinsen : 1. Versuchsauordnung ;
2. Locbkameraabbildung ; 3. Die magnetische Sammellinse; 4. Die elektrische Linse; 5. Zusairimcngesetzte Systeme; 6 . Abbildungsfehler. 111. Anwendung der geometrischen Elektronenoptik bei Elektronenrahren :
1. Strahlengang beim Kathodenstrahloszillographen; 2. Erzeugung groWer
Klektronenbilder (Elektronenmikroskop); 3. Erzeugung von Elektronenbildern rasch veranderlicher IntensitBt. - IV. Elektrische Elemente der
geometrischen Elektronenoptik (von E. R u s k a ) : 1. Die optische Wirkung
elektrischer Feldscliichten auf Elektronen ; 2. Optische Fehler elektrischer
Feldschichten; 3. Optische Beziehungen fur die elektrischen Spiegel,
Prismen und Linsen. - V. Elektronenbrennfleck. - VI. Zusaminenfassung.
U’enn in den letzten Jahren weitgehende Analogien im
Verhalten von Elektronenstrahlen und Lichtstishlen nachgewiesen worden sincl, so handelt es sich im wesentlichen urn
Gebiete, die der physiknlischen Optik der Lichtstrahlen entsprechen (Beugung, Reflesion an Kristallgitterflachen, Interferenz u. a.). Das Gebiet der geometrischen Elektronenoptik
ist dagegen unseres Wissens noch nicht systematisch untersucht
worden. Obwohl Erscheinungen, die auf geometrisch-optische Gesetemd3igkeiten zuriickfuhrbar sincl, schon verhUtnismal3ig friih
an Croolie sschen uncl Hi t t orfschenRohren beobachtet wurden 2),
liegen unseres TT’issens hieriiber nur zwei Arbeiten von B u s c h 3,
1) Vorstand: I’rof. A. M a t t h i a s .
‘1) Kr. R i r k e l a n d , Bibl. universelle, Arch. des sciences phys. et
nat. IV. l’er. 1. S. 497. 18%.
3) H. B u s c h , Ann. d. I’hys. S l . 8. 974. 1926; Arch. f. El. 18.
8. .X3. 1927; ~ g l auch
.
F. W o l f , Ann. d. l’hys. 83. S. 864. 1027.
608
Annalen der l’hysik.
5. Folge. Band 12. 1932
vor, die sich auf die Theorie der magnetischen Sammelspule beziehen. I n der folgenden Arbeit sol1 uber die Erzeugung definierbarer Elektronenbilder mit bekannten und neuen Abbildungssystemen und iiber Anwendungen der geometrischen Elektronenoptik berichtet werden.
I. Struktur von Elektronenstrahlbundeln
Blendet man aus einem Strahl schneller Elektronen, der
in ublicher Reise durch eine Ionenriihre mit kalter Kathode
oder durch eine Gliihkathodenrohre erzeugt wird, ein feines
Bundel aus und beobachtet dessen Querschnitt bei relativ
niedrigem Druck ( - loA3mm Hg, Luft) in verschiedener
Entfernung von der Blende, so beobachtet man eine stetige
Zunahme dieses Querschnitts. So betragt z. B. f u r eine Gasentladungsrohre mit einer Blende von 0,5 mm Durchmesser
und der relativ groBen Elektronenstromdichte in der Blende
von 10 pA/mm2 bei einer Strahlspannung von 50 kV der auf
einem Lcuchtschirm in 1 m Entfernung von der Blende beobachtete btrahldurchmesser etwa 0,5 cm, die relative VergriiBerung des Strahldurchmessers also etwa 10. Eine derartige
Querschnittsvergriiljerung kann oftenbar bedingt sein durch
drei verschiedene Ursachen:
1. Durch AbstoBungskrafte zwischen den einzelnen Elelrtronen des Strahls,
2. durch Richtungsanderung der Elektronen an noch vorhandenen Gasmolekeln (Diffusion) oder
3. durch geneigtes Austreten geradliniger Einzelstrahlen
des Biindels aus der Blencle, wobei j e nach GroBe und Abstand der Strahlenquelle sich Einzelstrahlen unter versehieden
starken Winkeln kreuzen konnen (geometrisch-optische Strahlstruktur). Hierbei kann wegen der unbekannten Verteilung
des elektrischen Feldes in der Entladuugsrohre iiber die GroBe
der Strahlenquelle zun8chst nichts ausgesagt werden.
Die AbstoBangskriifte zwisclien den einzelnen Elektronen
des Strahls resultieren bekanntlich atis der Differenz der
elektrostatischen AbstoBungskriifte zwischen den gleichnamigen
Ladungen der Elektronen und den elektroniagnetischen Anziehungskraften zwischen clen gleichgerichteten Stromfgden der
Elektronenkonvektionsstriime. Da erst bei Lichtgeschwinclig-
Ilnoll u. Ruska. Beitrag z. geornetrischen Elektronenoptik. I 609
keit der Strahlelektronen die Anziehungskrafte gleich den 91)stofiungskraften werden, uberwiegen stets die elektrostatischen
AbstoBungskrafte, so daB durch diese in allen Fallen eine
Strahlverbreiterung eintritt.
Untersucht man die GrijBe dieser Strahlverbreiterung
quantitativ fur parallel aus der Blende austretende Einzelstrahlen, bei denen sich die AbstoBungskriifte am stirksten
bemerkbar machen miissen, so ergeben sich die durch die
Kurvenscharen der Fig. 1 dargestellten Zusammenhange. Die
Kurven wurden berechnet auf Grund cler von E. E. W a t s o n l)
abgeleiteten Beziehung:
Uabei bedeutet x die Entfernung eines Strahlquerschnittes
von der Rlende, e die Ladung und m, die Ruhemasse eines
Elektrons, c die Lichtgeschwindigkeit und ‘u die Elektronengeschwindigkeit, E die Beschleunigun~sspannung der Elektronen, j die Stromdichte iiber der Uleade, n die Zahl der in
der Sekunde durch die Blende tretenden Elektronen und
endlich r den Blendenradius und R clas Verhaltnis von Strahldurchmesser zu Blendenradius an der Stelle z.
Durch Einfiihrung von
1
7
(3)
erhalt man aus (1)
Urn aus der Kurventafel (Fig. 1) die auf den Blendendurchmesser bezogene VergroBerung R des Strahltlurchmessers
infolge der L4bstoBungskrafte in beliebiger Entfernung z von
der Blende zu ermitteln, geht man von der auf der Abszissen-
1) E. E.Watson, Phil. Mag. (S.7) 3. S. 849. 1927.
2) P. TJenard u. A. B ec k e r , Handb. d. Esp-Phys. 14. S. 403. 1927.
Annalen der Physik. 5. Folge. 12.
40
610
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 12. 1932
achse aufgetragenen Lange x des Strahls aus und sucht den
Schnittpunkt der zugehorigen Ordinate rnit der zur Beschleunigungsspannnng E gehorigen Qeraden auf. Die durch
diesen
Schnittpunkt gelegte Parallele zur Abszissenachse ergibt
einen zweiten
Schnittpunkt mit
der Kurve der gemessenen Stromdiclite j .
Die
Sbszisse diesrs
zweiten Schnittpunktes gibt die
auf den Blendenilurchrnesser bezogene VergroBerung R des Strahldurchmessers in
der Entfernung x
von derRlende an.
Fur das erwaihnte Beispiel
ergibt sich aus
cler Karventafel
bei einer StrahlKurventafel zur Bestimmung
der radialen Strahlverbreiterung
lange 5 = 100cm,
eines Parallelstrahls von Elektronen
einer ElektronenFig. 1
geschwindigkeit
E = 50 kV und
einer Stromdichte j = 10 pA/mm3 eine Strahlverbreiterung urn
das 0,l fache. Die Abstohungskriifte zwischen den Strahlelektronen kiinnen also in diesem Fall die beobachtete Strahlrerbreiterung auf etwa das 10 fache nicht verursacht haben.
Eine beobachtbare VergroBerung des Strahldurchmessers
aus der zweiten Ursache (Diffusion) kann n u r dann eintreten,
wenn ein groAerer Bruchteil der Elektronen eine Richtungsanderung durch ZusammenstijWe mit den Gasmolekeln erleiclet.
Knoll u. Ruska. Beitrag z. geometrischen Elektronenoptik. I 61 1
D a die freie Wegliinge in dem eingangs gegebenen Keobmm Hg) schon f u r die therachtungsbeispiel (Luft, p =
mische Geschwindigkeit der Elektronen (- 0,4 Volt) i n der
GroBenordnung der Gefafidimensionen liegt und der elektronenabsorbierende Querschnitt f u r die zugrundegelegte hohe Elekma1 kleiner ist als der
tronengeschwindigkeit (50 kV)
gaskinetische, so kann auch diese zweite Ursache f u r die
beobachteten weitgehenden VergroBerungen der Strahldurchmesser nicht in Betracht kommen. D a nun keinerlei Ursachen
mehr vorlianden sind, die die Bahnen der Elektronen kruminen
konnten, bleibt zur Erklkrung der beobachteten Querschnittszunahme des Elektronenstrahlbundels O u r die Annahnie einer
geometrisch-optischen Strahlstruktur ubrig.
Die experimentelle BestBtigung dafiir, da6 bei Elektronenstrahlbiindeln , die in einer Ionenriihre mit kalter Kathode
erzeugt werden l ) , diese Struktur ungestort durch AbstoBung
und Streuung wirklich vorhanden ist, lieferten Versuche, iiber die
schon an anderer Stelle berichtet wurde.2) Bei diesen Versuchen wurde die von B u s c h 3, theoretisch abgeleitete Eigenschaft einer zum Kathodenstrahlbiindel koaxialen kurzen
Magnetspule, auf den Strahl wie eine Sammellinse nuf Lichtstrahlen zu wirken, also Bilder der Strahlenquelle liefern zu
konnen, quantitativ untersucht, wobei das durch die Tneorie
geforderte Gesetz uber den AbbildungsmaBstab (Bildabmessung :
Gegenstandsabmessung wie Bildweite b : Gegenstandsweite a)
mit groBer Annaherung bestiitigt gefunden wurde. D a diese
optische Theorie der magnetischen Sammelspule eine geometrischoptische Struktur des abbildenden Kathodenstrahlbundels voraussetzt, konnte nach ihrer quantitativ experimentellen Bestiitigung
diese Strahlstrnktur angenommen werden. Damit war grundsiitzlich die Moglichkeit gegeben, bei geeigneter Wahl der
1) Uber Druck nnd Spannung der Versuchsriihre vgl. Abschn. II,1;
spater durchgefiihrte Versuche haben gezeigt, daB auch fur Elektronenstrahlbundel, die mit Gluhkathode erzeugt werden, im allgemeinen die
gleiche Strahlstruktur vorausgesetzt werden kann.
2) E. R u s k a u. M. K n o l l , Ztschr. f. techn. Phys. 1'2. S. 360. 1031.
3) H. R u s c h , Ann. d. l'hys. 81. S. 974. 1926; Arch. f. El. 18.
8. 583. 1927.
40 *
612
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 12. 1932
Versuchsbedingungen eine Reihe vonversuchen der geometrischen
Optik mit Elektronenstrahlen tlurchznfiihren. Die Ergebnisse
dieser Versuche werden im nachsten Abschnitt beschrieben.
11. Abbildung durch Lochblenden und Elektronenlineen
1. V e r s u c h s a n o r d n u n g
l)
Fig. 2 zeigt einen schematischeii Schnitt durch die T’ersuchsapparatur. Die Elektronen wurden erzeugt und beschleunigt in einer
Gasentfadungsrohre
mit kalter Kathode,
einer verbesserten
Ausfiihrungsforin der
friiher *) beschriebenen Metallentladungsrohre. Der Druck in
der Gasentladungsrohre wurde nach
dem W i e nsahen Stromungsverfahren 3, dadurch konstant gehalten, da6 durch
das regelbare EinlaBventil V standig eine
kleine Luftmenge eingelassen und iiber
eine Gasdrossel parallel zur Anodenblende B , durch die
Hochvakuumpump e
Schnitt dureh die Versuchsapparatur
wieder abgesaugt
Fig. 2
wurde.
Auf diese
1) Die Versuchsmordnung entsprach im wesentlichen der in einer
friiherenArbeit ( E . Ru s k a u. K K n o l l , Ztschr. f. techn. Phys. 12. S. 3S9.
1931), zur Kontrolle des AbbildungsmnBstabs von Sammelspuleii benutzten und dort niiher beschriebenen Apparatur.
2) M. K n o l l , H. K n o b l a u c h u. B. v. B o r r i e s , Elektrot. Ztschr.
51. S. 966. 1930.
3) W. W i e n , Ann. d. I’hys. 76. S. 117. 192.5.
I<noll u. Ruska. Beitrag
2.
geometrischen Eleklronenoptik. 1 613
T e i s e war es moglich, den Druck nahezu auf der ganzen
Lange des Strahlbundels um etma eine GroBenordnung niedriger
mm Hg) zu halten als im Erzeugungsraum der
Elektronen.
I< ist die Kathode (Lichtcluelle), B,, B,, B, sind Blenden
ocler Netze , die sich samtlich auf Snodenpotential befinden;
der Abstand Anode-Kathodenoberfiache (Emissionsflache) betrug
etwa 10 cm. B, ist die eigentliche Anode. S, und S, sind
kardanisch aufgehangte Sammelspulen (magnetische Sammellinsen). Der Wicklungsquerschnitt betrug bei S, 2 cm 6,6 cm,
bei 8, 3 cm T,6 cm, der mittlere Spulendurchmesser bei
4 4 cm, bei S, 7,O cm. Sch ist ein zur Einstellung dienender
beweglicher Zinksulfidschirm. Die Gesaintlknge der Apparatur
von der Kathode bis znm Schirm betrug 111 cni. Die Bilder
entstanden auf einer fluoreszierenden Glasplatte F und wurden
in natiirlicher GroBe von auRen durch einen photographischen
Spparat (Aplanat 1 : 6,s; f = 10,5 cm) aufgenommen. Von
Innenaufnahmen wurde zunkchst abgesehen , da keine entsprechende Apparatur zur Verfiigung stand.
Glasoberflzchen an Stelle der iiblichen Leuchtsubstanzen
wurden zur Pluoreszenzerregung deswegen beniitzt , weil bei
dieser Aufnahmemethode der Kontrastreichtum groBer ist
uncl nicht wie bei den gebrauchlichen Phosphoren durch die
betrachtliche KorngroBe Bildfeinheiten verloren gehen. Zur
photographischen Fixierung der Bilder waren einige Schwierigkeiten zu iiberwinden. Zunachst war die Helligkeit der Glasfluoreszenzbilder wegen der kleinen Stromdichte gering, besonders bei groBeren Hildern. AuBerdem machten sich
Leuchtsubstanzteilchen, die von dem Zinnsulfidschirm Sch auf
das Fluoreszenzglas gefallen waren, durch ihr intensives Aufleucliten in den Bildern storend bemerkbar. Endlich waren
die Bilder auf dem Glasschirm wegen der Aufladung der
Glasoberflache durch die Elektronen unruhig und verzerrt.
idle diese obelstande konnten vermieden werden, indem die
Glasplatten clurch Kathodenzerstaubung mit einem sehr diinnen
(- 100 mp) Metalliiberzug versehen uncl mittels einer Blattfeder geerdet bzw. mit der Anode verbunden wurden. Durch
Reflexion an der dem Glas zugekehrten Metallflache wurde
nun auch der friiher verloren gegangene Teil des Fluoreszenz-
-
-
s,
614
Alznalen der Physik. 5. Folge. Band 12. 1932
lichtes nach auBen geworfen und so die Belichtungszeit fur
die Aufnahmen herabgesetzt. Zur Verwendung gelangte zunachst Uranglas, doch wurde bald festgestellt, da8 auch gewohnliche Glasplatten (z. B. FOLI der Schicht befreite photographische Flatten} geniigend stark fluoreszieren. F u r die
Verspiegelung wurden Gold- , Silber- und Kupferschichten
verwendet , ohne daB ein wesentlicher Unterschied in der
photographischen Wirksamkeit der Fluoreszenzbilder bemerkt
wurde. Mit Busnahme der Figg. 15 und 16 wurden samtliche
Aufnahmen bei einer Beschleunigungsspannung der Elektronen von 50 kV gemacht. Bei diesen letzteren betrug die
Spannung 30 kV. Die Spannung wtxrde durch Transformator,
Gliihventil und einen Kondensator von 0,Ol pF in Halbwellengleichrichtung erzeugt. Die Strahlstrome waren von
der GroBenordnung 10- 100 pA bei einem Gesamtstrom
der EntIadungsrohre von 0,2-4 mA. Die Belichtungszeiten
betrugen zwischen einer Sekunde und mehreren Minuten.
Zur Aufnahme wurden Herzog-Ortho-Isoduxplatten verwendet.
2. Lo c h k ame r aa b b i 1d u n g
Die einfachste Moglichkeit einer optischen dbbildung bietet
die Lochkameramethode. Wenn die angenomrnene Strahlstruktur
vorhanden war, muBte es gelingen, die Elektronenquelle auf der
Kathode als Strahlenquelle mittels einer Lochblende auf dem
Leuchtschirm abzubilden. Fur das Zustandekommen einer hinreichend scharfen Lochblendenabbildung miissen die Abmessungen
der Lochblende klein sein gegeniiber den Abmessungen des abzubildenden Gegenstandes, hier also der Elektronenquelle.
Unterhalb dieser Grenze miissen dann die Bildabrnessungen
unabhangig yon deu Abmessungen der Lochblende sein.
Fur den Versuch diente als Strahlenquelle die Emissionsflkche auf der ebenen Kathodenoberflache der Gasentladungsriihre uud als Lochblende eine zwischen dieser und dem
Beobachtungsraum in der Ebene B, angebrachte durchbohrte
Metallscheibe von 0,4 mm Dicke. Da die Verteilung der
Emissionsdichte auf der Kathodenoberflache unbekannt war?
bestand zunkhst keine GewiBheit dariiber, ob der auf dem
IGno11 u.Ruska. Beitrag x. geometrischen Elektronenoptik. I G 15
Schirm entstehende Leuchtfleck ein Bild der Emissionsverteilung
auf der Kathode sein wurde. Um dies festzustellen, wurden
innerhalb des Emissionsgebietes auf der Kathoclenoberfkche
Marken in Form von Nadelstichen angebracht. Aus friiheren
Arbeiten mit dem Kathodenstrahloszillographen war namlich
bekannt , daB Vertiefungen auf der Kathodenoberflache entsprechende Unstetigkeiten in cler Emission und damit aucb im
Leuchtfleck zur Folge haben. Falls also diese Marken in ihrer
richtigen gegenseitigen Lage (seitenverkehrt zu ihrer Anordnung
auf der Kathode) im Leuchtfleck auf dem Schirm erschienen,
war der Beweis fur das Vorhandensein einer Lochkameraabbildung der Emissionsflache auf der Kathode geliefert. Die
GrOBe der Emissionsflache auf der Kathode war durch die
Betriebsbedingungen der Gasentladungsrohre gegeben und konnte
schwer iiber 2mm gesteigert werden. Daher wurde der Durchmesser der Lochblenden um etwa eine GroBenordnung kleiner,
praktisch kleiner als 0,3 mm gewahlt, um noch eine einigermaBen befriedigende Scharfe der entstehenden Lochkamerabilder
zu erhalten. Zur Feststellung der Abhaingigkeit der Leuchtfleckabmessungen von den Abmessungen der Blendendurchmesser
wurde eine Blende benutzt, die sieben runde Blendenlocher mit
Durchmessern von 0,3-0,03 mm aufwies, so daB also sieben
verschiedene Lochkamerabilder gleichzeitig beobachtet und
photographiert werden konnten.
Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung der Loeher auf
der Blende, Fig. 4 das erhaltene Leuchtschirmbild. Man sieht,
daB trotz der Unterschiede in
den Lochdurchmessern von
Loch blende
mit kreisformiger Anordnung
verschieden groBer Lacher
Fig. 3
Lochkamerabilder der Kathode
durch die Mehrlochblende Fig. 3
(;i
= 12)
Fig. 4
616
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 12. 1932
etwa einer GroBenordnung die Leuchtflecke in erster *4nnaherung
gleich groB sincl. Man sieht ferner in den Leiichtflecken die
anf der Katliodenoberfliiche angebrachten Marken (1 und 2).
U'eitere typische Eigeiischaften von Lochkamerabilderii, niimlich
die mit groBer werdendein Lochdurchinesser zunehmende Helligkeit und abnehmende Schiirfe, sind ebenfalls zu beobachten.
Wir haben also wirklich Lochkamerabilder der emittierenden
Kathoclenoberfljiche vor ixns. Das noch vorhandene geringe
Anwachsen der BildgrijBe mit dem Lochdurchmesser erkliirt
sich durch die geringere Bildschiirfe bei griiBeren Blendenclurchmessern.
In diesen wid den folgenden Bbschnitten sind bei den
Abbildungen von Strahlqixerschnitten, die ini feldfreien Raum
liegen, die VergriiBermigen angegehen, wie sie aus Gegenstandsm i t e a und Bildweite b folgen. Bei Abbildungen soleher Querscliiiitte, die in1 felclerfiillten Raum liegen (Kathode), ist ein
durchweg geraclliniger Verlaiif der Strahlen zwischen Gegenstand
nnd abbiltlenilem Systrni nicht zu erwarten. In diesem Fall
wircl also eine Differenz zwischen der optischen Gegenstandsweite a und cler tatsiichlichen Gegenstandsentfernung a' auftreten; es hat also hier keinen Sinn, die VergroBerungen aus
den geometrischen Abstiinclen zu bestiniinen und anzugeben.
Die auBer den Marken in Fig. 4 sichtbareii Kreisringe
deuten auf eine starke Inhomogenitiit der Elektronenemission
innerhalb cler emittierenden
Kathodenoberfliiche hin. Sie
treten in einigen der folgenden
a
b
C
Figuren (Figg. 6 und 8) nocli
Typische Lochkamerabilder
deutlicher hervor. Der Durchder Kathode
niesser dieser kreisringfiirniinach verschieden langer Betriebszeit gell Gebilde u,uchst mit zunehniender Brenndauer der
Kathorle. I n Fig. 5a-d sind
die typischen Lochkamerabilder nach verschieden langer Brennilaner der Kathode schematiscli dargestellt. Schaltet man eine
neue, blank polierte Kathode zuin erstenmal ein, so zeigt elas
Lochkamerabild zuniiclist eine relativ kleine Kreisfliiche mit
radial abnehmender Iiiterisitiit (Fig. 5 a). Nach kurzer Zeit
bildet sich dann ein Kreisring kleinen Durchmessers und relativ
Fig. 5
Knoll u. Ruska. Beitrag x. geometrischen Elektronenoptik. I 617
groBer Ririgdicke aus (Fig. 5 b), bei dem in ausgesprocheneni
Gegensatz zum ersten Stadium die Mitte die geringste Intensitat aufweist. Bei noch liingerem Brennen der Kathode vergrijBert der Ring seinen Durchmesser bei gleichzeitiger Verringerung cler Ringclicke und es erscheint in der Mitte ein
kleiiier heller Punkt, tler durch eine intensitatsarme Ringzone
von dern aufleren hellen Ring getrennt ist (Fig. 5c). Von nun
an bleibt das Bild grunrlsatzlich dasselbe, nur wschst seine
GrijBe langsam weiter an, wobei insbesondere clie Yelligkeit
des Kernpunktes noch weiter zunimmt (Fig. 54. Die Ursache
tler zeitlich sich iinclernden Emissionsverteilung auf der Xathodenoberflache ist in iler Ausbildung cles Zerstaubungskraters
zu suchen, der durch den Aufprall cler positiven Ioiien auf der
anfangs ebenen Kathodenoberflache allmiiihlich entsteht.
DaB die beobachteten Xreisringe nicht etwa durch Reflexion
der Elektronen des Strahlbundels an den Randern der einzelnen
BlendenlGcher entstanden seil; konoen, geht schon aus der heschriebenen zeitlichen Veriinderung cler
Lochkamerabililer hervor. Um diese
Miiglichkeit mit Sicherheit auszuschlieBen, wurcle einLochkamerabild durch eine
Rechteckblende bei B, von 0,22 0,07 m m
entworfen (Fig. 6). I n dieser Figur ist
die Kreisringscheibe trotz der rechteckigen Begrenzurig der Blendenijffi~ung
erhalten geblieben. Auch die Pig. 6
zeigt wieder alle weseritlichen MerkLochkamerabild
male eines Lochkamerabildes , insder Kathode
durch Rechteckblende
besonilere verschiedene Abbilclungsschgrfen in den beiclen Hauptachsen
f = 12)
cles Blendenrechtecks.
Fig. G
Aus deli Beobachtungen (Fig. 5 )
~ a zu
r entnehnien, daB die Emissionsflache auf der Kathocle unniittelbar nach dem ersten Einschalteii sehr kleiii ist. Wieclerholt man mit einer solclieii
neu eingesetzten Kathocle die Aufnahme (Fig. 41, so entsteht ein vdlig anderes Leuchtbild (Fig. 7). Hier haben clie
einzelnen LeucEitflecke nicht mehr tlieselben, sonclern mit zunehmencler Lochgr66e wachsende Durchmesser. Die Emissions-
-
(
618
Annabn deer Physik. 5 . Po@. Band 12. 1932
flache war also hier nicht melir groB gegen die BlendeniiEnung;
wir haben keine Lochkamerabilder niehr Tor uns, sondern die
Figuren it-erden durch anniihernd punktf ormige Projektion der
Blendenloclier auf den Schirni hervorgerufen. Eine entsprechende
Projektionsabbildung lag sclion in Fig. 6 vor, bei der der stark
emittiereiide kleine Innenfleck der Kathodenemission ein anniihernd rechteckiges ProjektionslAd der rechteckigen Blende
entwarf.
Uq festzustelleri , in welchen Raumwinkel die Strahlung
sich erstreckt , n-urden Lochkamerabilder von der Kathoden-
Projektionsbild
der Mehrlochblende
Fig. 3
(q
= 13)
Fig. 7
Loch kamerabilder
der Kathode
durch Kreuzlochblende
;(
= 8)
Fig. 8
emissionsflache durch eine Blencle in der Ebeiie Bl init kreuzformiger Anorclnung dcr Liiclier bei relativ groBeni Abstand
der iiuBeren Liicher von der Strahlachse (3,5 min bei 0,l mm
Lochdurchmesser) erzeugt (Fig. 8). Da in dieser Figur auch
noch durch die auBersten Liicher hiridiirch entworfeiie Lochkamerabilder sichthar sirid ’), ist zii schliefleu, daB der Durch1) Der inmitten des Kreisringbildes der Kathode liegende Punkt
ruckt mit zunehmendem Achsenabstand der Einzelbilder immer weiter
nach auBen ; auf diese Erscheinnng, die mit der elektrischen Feldverteilung
unmittelbar vor der Kathode der Entladungsrohre zusammenhiingt, sol1
hier nicht naher eingegangen werden.
Iinoll u. Ruska. Beitrag x. geometrischen Elektronenoptik. I 619
messer cles intensiveii Strahlen1)undeli an der Stelle der Blende
(etwa 10 em von cler Katliode) inindestens 7 nun (iiacli spiiteren
Beohachtungen sogar 35 mm) betrug. Es m r clalier zu erwarten, claB sich mit einer solchen Gaseiitladungsriihre anch
griiBere Gegenstkide durch das Katho~leiistralilbiindelabbildeii
lassen wurden.
3. D i e n i a g n e t i s c h e S a m m e l l i n s e
Abbildungsrna/?stab
Wie in einer fruheren Arbeit I) experinwitell bestiitigt
werden konnte , bildet die Samnielspule eineii Querschnitt cles
Kathodenstrahlbiindels aiiniiheriicl in dem aus Gegenstands- uncl
Bildweite sich ergebenderi optischen BbbildungsmaBstab ab.
I n der genannten Arbeit wurden fur die Abbildung hei kleinen
Gegenstandsweiten kleinere AbbildungsmaAstlibe gefunden, als
sie der Beziehuiig der geonietrischen Optik entsprechen. E s
wurde damals eiii runcles Blendenloch von 0,3 mm Durchmesser
durch (lie Spule auf einem Fluoreszenzschirm abgebildet, eine
Methode, bei der es fiir kleine Gegenstandsmeiten schwierig
war, das Blendenbild von dem ebeiifalls runden Kathodenbilcl
zu unterscheiclen. Um zun&chst die Abweichung des AbbildungsmaRstabes bei kleinen Gegenstandsweiten genauer zu priifen.
wurden statt der Miher verwendeten Blende mit einem runden
Loch in der Mitte bei R, gr6Bere Blendeniiffnungen beniitzt,
deren Form von der der Kathodeneniissionsflliche charakteristisch
verschieden war (T-Blenden, Mehrlochblenden, Netzblenden).
Durch die in Abschn. 11, 1 beschriehene, verbesserte Aufnnhniemethode war es weiterhin moglich, auf die gewiinschten Gegeiistandsebenen durch Beobachtung der maximalen Randscharfe
der Bilder einzustellen, wiihrend friiher diese Einstellung durch
eine derartige Wahl cles Blendenlochdurchmessers erfolgen
muBte, daI3 das Blendenbild mit dem kleinsten auf dem Schinii
einstellbaren Fleck zusammenfiel.
Mit clieser Methode der Bildeinstellung wurclen Messungeii
des AbbildungsmaBstabes fiir relative Spulenstellungen bis zuni
Wert Bilclweite : Gegenstanclsweite = 13 gemacht. Es x-urde
~
~~~
1) E. R n s k a u. M. K n o l l , Ztschr. f. techn. l’hys. 12. S. 389. 1931.
620
Annnbn der Physik. 5. Folge. Band 12. 1932
jetzt festgestellt, claB die h b n eichungen der gemessenen von
den (lurch die Theorie geforderteii Werten fiir den AbbildungsmaBstab hiichstens 5 Proz. betrugen. Diese restlichen Abweichungen liegen innerhalb der Genanigkeitsgrenzen der Versuchsmethocle. Die
erreichbare Ranclscharfe der Bilder geht
ails clen Figg.12, 17, 18, 19 und besonders
aus Fig. 9 hervor, die das Bild einer
Randscharfes
runclen Blencle von O,3 mni Durchmesser
Blendenbild durch
hei B, zeigt', das in 13 facher VergroBemagnetische ~i~~~
(VergrCBer. 13 fach) rung dnroh die Sammelspule 8, erzeugt
Fig. 9
wurde.
Abbildung verschiedener Strahlquerschnitte
Da die magnetische Sainmclsliule einer Saminellinse mit
heliebig einstellbarer Brennweite entspricht, niuBte es inoglich
sein, alle Stralilcyuersc2initte zwisclien Strahlenquelle und Sammelspule bei konstanter Rildweite auf tlem Leuchtscliirni abzubilden.
v o n diesen Querschnitten war der Ansgangsquersclinitt auf
cler Kathodenol.,erfl&che schon durcli die Lochkanierabilder bekannt. Drei weitere Strahlqnerschnitte B,, B, und B, zwischen
Kathode und Sammelspule wurtlen durch Blenden uncl Netze
kenntlich gemacht, die sicli siirntlich anf Anodenpotential befanclen. Die erste Blrnde (B,) hinter der Kathode war eine
Netzblende, die z w i t e Bleride (B,) war ohne Netz und
hatte cpaclratische Forni, die dritte Blende war wieder eine
Netzblende.
Die Versuche zeigten tatsichlich, daB durch Steigern des
Spulenstromes (Verkleinern der Brennweite) nacheinander alle
vier ausgezeichneteii Querschnitte ron der Kathode angefangen
his zu dem cler Spule 8, am niiclisten liegenden Querschnitt als
Spulenbilder (Linsenhildrr) a i d dein Schirm erhalten werden
konnten (Figg. lob-e).
Fig. 10a zeigt das Leuchtschirmbild
ohne Einsclialten der Sanimelspule. Man sieht die unscharfen
Konturen cler Netze bei Bl und R,, unscharf begrenzt durch
die qnaclratische Blende hei B,. Fig. 101) zeigt das Spulenhild
iler Kathode, Fig. 1Oc das Spulenbild des ersten Netzes bei B,.
Die Begrenzung des Bildes dnrcli die den Strahl ausblendende
Knoll u. Ruska. Beitrag z. geomeirischen Elektronenoptik. I 621
qnadratische Bleii rle (B,) erscheint hier iioch unscliarf gegeiiiiher den Xetzfilden (Bl), anf die die Sammelspule eiiigestellt
a
b
C
d
e
Bilder verschiedener Strahlqnerschnitte durch eine magnetische Linse
a) Projektionsbild ohne magnetische Lime
b) Kathodenbild
($= 1)
c) Rild des Netzes bei B, (VergroBerung 1,2fach)
d) Bild der Quadratblende bei B, (VergrSberung Zfach)
e) Bild des Netzes bei B3 (VergroBerung 4,Sfach)
Fig. 10
war. In deiii nilchsten Bild (Fig. 1Od) \\ird clie Begrenziing
scharf, cla jetzt der Spuleiistrorn auf die Quaclratblende selbst
eingestellt war. Unscharfe Ketzkonturen
sind in dem Bild auaerdeln noch zu seheii.
Fig. 1 0 e zeigt endlich das zweite Netz (B,)
als Spulenbild, x-obei w i d e r die Bildbegreiizung (B,) und das erste Netz (B,) uiiscliarf
erscheinen. Fig. 11 zeigt ein starker
Kathodenbild
vergro6ertes Bild (Spule S1) cler Kathode,
durch magnetische
Sammellinse
deren Emissionsebene durch drei symrnemit Marken
trische Marken 1, 2, 3 kenntlich gemacht
b
war. Es lriBt sich also jeder beliebige Strahl(>?=6)
querschnitt zwischeri Strahlenquelle und
Fig. 11
Sammelspule clurch die Spule abbiltlen.
Vergleich mit Lochkameraubbildung
Um einen Tergleicli der Scharfe eines Spulenbildes mit
einem Lochkamerabild zu erhalten, wurden auch Spulenbildeider Kathode stark vergriisert (Sammelspule 8,)aufgenommen
(Figg. 12a-d). Dabei wurden die Bedingungen fur ein scharfes
622
Annabn
dey
Pkysik. 5. Folye. Band 12. 19<?2
Spulenbild drtdixrch erschwert, daB durch eine T-Blende bzw. eine
Rechteckblende, also durch relativ zum lichten Querschnitt
achsenferne Blenden, abgebildet wurde. Trotzdem ist bei gleicher
Intensitst der Bluoreszenz das Bild durch die msgnetische
Spnle dem Loclikarnerabild an Scharfe meit iiberlegen. Die
a
b
C
d
Bilder von Kathode und Blenden bei B, durch magnetische Linse
a) Kathodenbild
($= G)
b) Blendenbild der zii a) gehiirigen Rechteckblende (Vergr. 13fach)
c) Kathodenbild
(:- -- )
6
d) Blendenbild der zu c) gehiirigen T-Blende (Vergr. 13fach)
Fig. 12
-Ibbildnngen zeigen jeweils neben dem Kathodenbild das
Spdenbilcl der zngehorigen Blenden bei B,.
4. D i e e l e k t r i s c h e L i n s e
Allgemeines
Die Moglichkeit einer Abbildung durch Elektronenstrahlen
und elektrische Ii’elder ist unseres Rissens noch nicht untersucht worden; dagegen Jvurde schon ofter eine Verkleinerung
des Querschnitts eines Elektronenstrahlbundels durch elektrische Felder versucht, z. R. bei Rontgenrohren und Kathodenstrahloszillographen. ,41s Konzentriermittel diente dabei fast
immer der bekannte %‘ehneltzylinder in verschiedenen h u s fiihrungsfornien l) oder eine cler Gliihkathode in geringeni hb~.-
1) H . S a m s o n , Ann. d. l’hys. 65. S. 608.1918; R.H. G e o r g e , Journ.
Am. Inst. El. Eng. 48. S. 534. 1929; A. M a t t h i a s , M. K n o l l u. H. K n o b l a u c h , Ztschr. f. techn. Phys. 11. s. 276. 1930; L. B i n d e r , H. F o r s t e r
u. G. F r i i h a u f , Ztschr. f. techn. I’hys. 11. S. 379. 1930.
Knoll u. Ruska. Beitrag x. geometrischen Elektronenoptik. I 623
stand gegenuberstehende durchbolirte Bnodenspitze.')
Blle
diese Anordnungen laufen in ihrer Wirkung darauf hinaus,
die Elektronen auf ihrem Beschleunigungsweg in der Riihre
einem gegen die Anode hin konvergierenden elektrischen Feld
auszusetzen. hiidere elektrostatische Konzentrationsanordnungen
berulien auf derdnwendnngvon zur Strahlachsekoaxialen radialen
Feldern, wie sie z. B. durch einen Zylinderkondensator mit innerhalb des Strahlbiindels liegender Innenelektrode z, oder durch die
voni Strahl selbst hervorgerufene Rauniladung3) erzeiigt werden.
Offenbar genugt es fur die Konzentrierung eines Elektronenstrahls zu einem moglichst geringen Querschnitt das elektrische Feld so auszubilden, daB die Strahlen in der Nahe
der Bundelachse weniger nach innen abgelenkt werden als die
Aupenstrahlen des Biindels. Zu einer Abbildung durch ein
elektrisches Feld ist es auBerdem erforderlich, daB die Richtungsanderung der Einzelstrahlen dem Abstand von der Riindelachse proportional ist.
Am einfachsten lassen sich senkrecht zur Strahlachse
gerichtete elektrische Feldkrafte durch eine Zylinderkondensatoranordnung mit im Strahlvolumen liegender Innenelektrode erzeiigen, deren Achse mit der Strahlachse zusammenfallt. Man
sieht jedoch sofort, daB bei dieser Anordnung die radialen
Feldkrafte in der Nahe der Achse starker sind als in groBerer
Entfernung von ihr, so daB die achsennahen Strahleii stRrker
abgebogen werclen als die achsenfernen Strahlen. Diese Anordnung ist daher fur eine Abbildung schlecht brauchbar.
Dagegen ergibt sich eine Losung fur die Forderung nach
starkerer Abbiegung der achsenfernen Strahlen, wenn die
radial zur Strahlachse gerichteten Feldkrafte (k,.) als Komponenten von geneigten und symnietrisch zur Achse liegenden
Feldkraften (k) erzeugt werden (Fig. 13a). Die zu den Koinponenten k,. senkrechten ubrigbleibenden Komponenten k, verlaufen dann in Richtung der Strahlachse, kiinnen also nur
beschleunigend oder verziigernd auf die Strahlelektronen
)
-
-.
-
1) W. R o g o w s k i u. W.GrGsser, Arch. f. El. 16. S. 377. 1926.
2) Mc. Q r e g o r M o r r i s 6r. M i n e s , Journ. Inst. El. Eng. 63. 8.10X.
1926.
3) W.W e s t p h a l , Ann. d. l'hys. 27. S. 586. 1908; B. J o h n s o n ,
Journ. Opt. SOC.Am. 6 . 8. 701. 1022; E. Briiche, Ztschr. f. l'hys. 64.
S. 186. 1'330.
624
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 12. 1932
wirken. Tritt ein Elektronenstrahlbundel B mit relativ zur
Komponente ha groEer Geschwindigkeit in ein elektrisches
Kraftlinienfeld nach Fig. 1 3 a ein, so sind die achsenfernen
Strahlen starkeren radialen Feldkraften kr ausgesetzt als die
achsennnhen Strahlen , werden
also im richtigen Sinne abgebogen. Gelingt es weiterhin
(durch geeignete Form cler das
Feld erzeugenclen Elektroden),
den Feldverlauf so auszubilden,
daB jedem Elektron wahrend
seines Laufs durcb das Kraftfeld
ein den1 Achsenabstand proportionaler radialer Impuls erteilt
wird, so ist damit prinzipiell die
Miiglichkeit cler Abbildung durch
ein elektrisches Feld gegeben.
XTirken die durch das Feld
auf die Elektronen ausgeubten
Kriifte im Sinn der Pfeilrichtung
Elektrische Feldbilder
in Fig. 13 a, so entstelit die
fur riiit dem Achsenabstand
x i r k u n g einer Sam1nellinse; bei
Radia'komponenten
Feldkraften entgegengesetzter
Fig. 13
Pfeilrichtung erhalt man clngegen die U'irkung einer Zerstreuungslinse. Die positive Richtung der elektrischen Feldkrafte ist immer der Kraftrichtung auf die Elektronen entgegengesetzt. Ob das Elektronenstrahlbiindel von oben oder
von unten in clas Kraftlinienfeld eintritt, ist fur den Sinn
der Abbiegurig gleichgiiltig, nicht aber fur die Geschwindigkeit
der Elektronen, die sich entsprechend Vorzeichen und GroEe
der Feldliraftkomponente ka nach dem Durchtritt durch diese
,,vordere Linsenfliiche'{ erhoht ocler verminclert hat. Setzt man
zwei derartige Feldbildanordnungen spiegelbildlich zusanimen
(Figg. 13b und c), so heben sich die entgegengesetzt gerichteten
Komponenten ka gerade auf; die Elektronen veriindern d a m
nur innerlialb der so entstandenen ,,elektrischen Linse" ihre
Geschwindigkeit, ihre Anstrittsgeschwindigkeit bleibt also genau
4
Knoll u. Ruska. Beitrag x . geometrischen Elektronenoptik. 1 625
gleich cler Ein tri t tsgesch windigkei t. Ein e derartige Feldan ordnung bietet zugleich den praktischen Vorteil, dab mit derselbeii
Spannung eine Verdoppelung der Koinponenten k, erreicht wird.
I n Sbschnitt IV ist gezeigt, daB eine den Gesetzen der
Lichtoptik gehorchende elektrische Linse mit eineni Kraftlinienfeld nach E'igg. 13a bzm. 13b nnd c streng durch zwei unendlicli
diinne gekriiminte elektrische Feldschichten verwirklicht werden
kann. Experimentell einfache, aber nicht streng optisch wirkende
elektrische Linsen erhalt man durch koaxial zum Elektronenstrahl
aiigebrachte aufgeladene Locliblendenelektroden verschiedener
Form, auf die hier aber nicht naher eingegangen werden soll. l)
Anniihernd in der geforderten Weise und leichter iibersehbar
verlauft auch, wie eine hier nicht wiedergegebene Bechnung zeigt,
das Beld eines Kugelkondensators. Die Achse des Elektronenstrahlbiindels muB dabei clurch den gemeinsainen Mittelpunkt der
beiden konzentrischen Kugeln gehen, wobei der Durchmesser
des Biindels klein sein muB gegen den Durchmesser der
inneren Kondensatorkugel.
Wegen der leichteren experimentellen Ausfii'urbarlceit m r d e daher versucht, zuniichst niit
einem derartigen Kugelkondensator eine Abbildnng durch
elektrische Feldkrtifte zu erzeugen.
Abbildwtg clurch Kugelkondensator
Es I\ urde ein Kugelkondensator von folgenden Abiiiessungen
hergestellt :
Innendurchinesser der AuBenkugel = 6 em, AuBenclurchiiiesser der Innenkugel = 1,5 cm, Bohrung der heideii Rugeln
fur den Strahldurchtritt 0,6 cm. Da in erster Linie im
Strahlvolumen selbst der kugelsyrnmetrische Feldoerlauf erhalten bleiben muBte, wvardcn Ein- und Austrittsoffnung des
Strahles an der inneren Kugel mit einem feininaschigen Platinnetz (Durchniesser der Netzdrahte 0,06 mm, Maschenweite
0,3 nim) zur Fortsetzung cler Kugeloberfliiche iiber den Btrahlquersclinitt iiberdeckt. Einen Querschiiitt durch die benutxte
Elektrodenanordnung gibt Fig. 14. Das ganze Elektroden1) Anm. bei der Korrektur: Wie wir einem kurzen Sitzungsbericht
in Phys. Rev. 38. S. 585. 1931 entnehmen, haben kiirzlich C. J. D a v i s s o n
u. C. J. C a l b i c k in ahnlicher Weise das durch ein Loch gestiirtc elektrische Feld einer gegen ihre Umgebung aufgeladenen Platte als ,,Elektronenlinse" benutzt.
Annslen der Physik. 6. Folge. 12.
41
626
Annalen der Physik. 5. Folge. Balzd 12. 1932
system wurde unmittelbar hinter eirier T forniigen Anodenblende B, in die Apparatur eingesetzt. Die aufiere Icugel
war ebenso wie die Anodenldende geerdet, wahrend der inneren
Kugel uber eine Durchfuhruiig in der Wand des Vakuurngef%Bes eine positive Spannung erteilt werden konnte.
Blende 8,
Die auf Clem Leuchtschirm erhaltenen Bilder
zeigen F’igg. 15a-c.
Schon
dL
bei geerdeter Innenkugel ent€rde
stand auf dcm Schirm ein
Siltl der T- Blende (Fig. 15 a).
Da die Abmessungen dieser
T-Blende (2 .2.0,4 mm) groB
waren gegen die Abmessungen
der Emissionsflache auf der
Kathode, so ist das Leuchtschirmbild als ProjektionsQuerschnitt durch die elektrische bild der Rlende anfzufassen.
Linse (Kugelkondensator)
Bei Steigerurig der positiven
Fig. 14
Spannung der Innenkugel erschien zunaclist clas Rild der Kathodenniissionstiiiche (Fig. 15b),
bei weiterer Steigerung dns gegenuber dein Projektionsbild
,- - F--,
- - ] I
a
b
C
Bilder von Kathode und T-Blende durch elektrische Lime
a) Projektionsbild der Blende
b) Linsenbild der Kathode.
c) Linsenbild der 1-Alende
Fig. 15
um 180O verdrehte Bild der Blende (Fig. 16c). Die Spannung
zur Erzeugnng des Katliodenbildes betrug 3 kV und die
Spannung zur Erzeugarig des Blendenbildes 9 kV, bei einer
Beschleunigungsspanni~n~
cler Entladungsrohre von 30 LV.
Knoll u. Ruska. Beitrag x. geometrischen Elektronenoptik. I 627
R i e man sieht, sind die Abbiltlungen von Kathode und
Blende deutlich zu erkennen, jecloch irn Vergleich init den
a
b
C
Bilder von Kathode und Mehrlochblende (Fig. 3) durch elektrische Lime
a) Projektionsbild der Blende
b) Linsenbild der Kathode
c ) Linsenbild der Mehrlochblende
Fig. 16
Sarnmelspulenbildern nnscharf. Die Unscharfe riihrt hauptskchlich von der Unterbrechung des Strahls durcli die beiden
Netze an der inneren Xugel her, in
zweiter Linie aber auch von der bei
der Kugelkondensatoranordnung in
Kauf genommenen Abweichung des
elektrischen E'eldes von der zur Erzeugung einer genauen Ahbildung geforderten Form. Fig. 16 a-c
zeigt
die erhaltenen Bilder, wenn die
1-I3encle durch die Melirlochblende
Bild der hfehrlochblende
(Fig. 3) ersetzt wurde. Das in Fig. 1 7
zum Vergleich wiedergegebene Spulen- Fig* durch magnetische
Linse (Vergr. 13fach)
bild (8,) der Mehrlochblende bei B,
laiBt sehr deutlich den ScharfeunterFig. 1 7
schieil zwischen der magnetischen
L4bbildung und der elektrischen Abbildung bei dieser noch
ungenauen Ausfuhrungsform der elektrischen Linse erkennen.
5. Z u s a m m e n g e s e t z t e S y s t e m e
Aligemeiizes
Wir besitzen fur die Abbildung durch Elektroilenstrahlen
drei verschiedene Elemente: Lochblende , magnetische Lime
und elektrische Linse. Von diesen Elementen bieten nlagnetische
41 *
628
Annalen der Pliysik. 5. Folge. Band 12. 1932
und elektrische Linse die Moglichkeit beliebig einstellbarer
Brennmeite, die bei Glaslinsen fehlt und nur in cler bekannten
Eigenschaft der Augenlinse eine beschrankte Analogie hat. Diese
Eigenschaft ist insofern von Berleutung, als sie die Anpassung
tles gleichen optischen Elements a n die verschiedensten Betriebsbedingungen (verschiedene Apparaturabmessungen und verschiedene Strahlspannungen) gestattet. Man erkennt die groBe
Snpassungsfiil~igkeit der elektronenoptischen Systenie schon
aus der Linsenforniel. Rei einer Glaslinse ist die Brennx eite f
ein f u r allemal festgelegt, so daB nach erfolgter Wahl der
Gegenstandsweite a auch der Bildabstand b gegeben ist. In1
Gegensatz dazu kann man bei elektronenoptischen Systemrn
iiber diesen Bildabstand noch frei verfiigen, d a die Brennweite
innerhalb weiter Grenzen beliebig verandert werden liann.
Hieraus ergibt sich eine bedeutend vielseitigere Anwendungsmoglichkeit eines wid desselben optischen Elements.
Es erschien wunschensmert, nachzupriifen, ob die optischen
Kigenschaften der magnetischen und elektrischen Linsen auch
bei zusanimengesetzten Systemen in gleicher Weise erhalten
bleiben. ,41s einfachster Fall wurden zuniichst die Eigenschaften eines aus zwei Saniinelspulen bestehenden Systems
naher untersucht (Spulen S , und S, der Vrrsuchsanordnung).
Zmei Srammelliiasm
Rei der Liclitoptik lasseii sich fur diese Anordnung zwei
E’iille unterscheiden. In1 ersten Fall haben die Brennweiten
der beiden Linsen solchr Werte, daW beide Linsen zusammen
wirken mie eine resultierende Linse in einer niittleren Stellung
und mit einer Rrennweite, die kleiner ist als die kleinere
Urennweite der beiden Linsen. D a wir die Spulenstrome beliebig wahlen, also das Verhaltnis der Rrennmeiten der Spulen
heliebig andern konnen, miissen sich bei der Z~veispuleiianordnuiig in dem durch die Lage des Leuchtschirrris gegebeneii
festcn Bildabstand Silder verschiedener VergroBerung erzeugen
lassen. Die gr6Bte uncl die kleinste VergriiBerung entsprechen
dabci den Bild- und Gegenstandswiten bei der Abbildung
durch die eine Spule allein bzw. die andere Spule allein. Die
Rrennweiten der Spulen lassen sich aus Spulenstrom, Spulendnrchmesser und Erregerspannung nach G1. (10) herechnen.
K n o l l u. Ruska. Beitrag z. geometrischen Elektronenoptik. I 629
Fur die resultierende Hrennweite f cler Kombination von
zwei beliebigen getrennten diiiinen Linsen iin Abstand d mit der
Hrennweite f, uiid f, gilt die bekannte Beziehung:
(5)
Der AbbildungsmaBstab M fiir eine innerhalb der Strahllange L vom Gegenstand bis zum Bild befindliche Sammellinse
der Brennweite f ist:
Da dieser reel1 ist, muB
f sL4
~
L
- der Mittellage der
4
sein, wobei der Grenz-
resultierenden Spule zwischen
fall f = -
Gegeiistaiitl und Bild entspricht. In tler Gleichung fur den
*~bbil(liiiigsmaBsta~
ist daher clas + - Zeiclieri z u verwericlen,
a
b
C
d
f
e
g
Bilder einer T-Blende bei B, durch ewei magnetische Linsen
mit verschiedenen Brennweiten bei konstantem Abstand
g) Vergr. lfach
a) Vergr. 13fach
Fig. 18
wciin (lie Hreiinweite f, der clem Gegenstand niiclisteii Spnle
1;
lileiner ist, als sie in1 Grenzfall f = -; M = 1 war. 1st f,
(
4
1
tlagegen grGBcr, so mnB clas --Zeiclien arigewaiidt werden.
I'ei den Abrnessungen der Versuchsapparatur waren Bilrler
der als Objjekt clienenden T formigen Blencle hei B, in allen
GrolJen zwischrn den GreiizvergroBerungeii 1 : 1 iincl 13 : 1 zu
erwarteii.
Pigg. 18a-g
gebeii eiiie R e i h dcrartiger Bildrr tler
T-Bleiitle wieder. Damit ist gezeigt, da6 clnrch geeignete
Einstellmig der Rpiilenstrome tatsachlich jede gewiinsclite
630
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 12. 1932
VergroWerung iiinerlialb iler dnrcli die Gtellnng tler Ireiden
Spulen gegebeneii Greii~ver~riiBeriiiigenerhalten wertleii kann.
I m xtueiten Fall haben (lie Brennweiten cler Linseii in
der Lichtoptik solche Werte, tlaW tlie dein Gegenstand iiiicliste
Lime von tlicwm noch z~ isclieii den beiden Linseii eiii Kild
entwirft (Zwisclienltiltl), ~viihrend (lie zweite Linse von tliesem
als iieuem Gegenstand ein I\ eiteres Bild erzeugt. Die Gesanitvergr6Berung dieses zweiten Hildes ist liierbei bekaiintlicli
gleich dem Protlukt ails den beiden EiiizelvergriiBerungei~
nncl tler Abbildnng~maBstal)wirtl
(7)
worin b die Bildweite, a (lie Gegenstandsweite fiir die tleni
Gegenstancl zunachst liegentle Sammelspule and d die Rildweite, c die Gegenstandsweite fiir tlie zweite Ganimelspule ist.
Da die Krenna-eiten tler heiden Spnleii wieder beliebig
eiristellbar sind, kiinrite liier theoretisch jeder Abbildungsmafistah des Leuchtsc1iirinI)ildes also eine selir starke VergroDerung (Elektronenmikroskop) ocler eine sehr starke Verkleinerung (Elektronenhennfleck) des abzubildenden Gegenstandes
erlialten werdeii. Praktisdi ist tler dhbiltlnrigsmaBstab begreiizt
(lurch die kleiiisten erreicli1)aren Hrenn~eiten,(1. h. die groBten
erreichbaren Spultmqtrtjme.*)
Die Entsteliung eines Zwischenbildes konnte experimeiitell
am genauesten durch cine Vergroperung des abzubildenden
Gegenstandes nachgepriift werden. Hierzu wurden die gleichen
Spulen in dersrlhen Stellung wie vorher verwendet und die
T-formige Blcnde durch ein bei Ill angebrachtes Netz ersetzt.
Zum Nachweis des zugehorigen Netzbildes in einem bestimniten
Querschnitt zwischen beiden Spulen n-urde in der Ebene B,
als Zwischenbildort ein weitrres Netz angebracht, dessen Begrmzung drrieckige Form besaB. S u s den Bildweiten und
Gegenstandsweiten der beiden Samiiielspulen ergab sich nach
1) Auf diese Beziehung wurde schon von K. B e r g e r (Bull. SET'.
19. S. 292. 1028) hingewiesen, der mittels zweier Sammelspulen eine
Vereugerung des Strahlquerschnittes seines Kathodenstrahloszillographen
an der Stelle der Strahlsperrplatten erreichte.
2) Nach der Theorie von H. B u s c h steigt der Spulenstrom umgekehrt mit der Wurzel aus der Brennweite an, so daB die Brennweite
Null nur durch unendlich gro6e SpulenstrGme erreicht werden k6nnte.
Knoll u.Ruska. Beitrag x . geornetrischen Elekfronenoptik.I 63 1
G1. (7) eine VergrijBerung des Netzes B , von 17,4. Der
Versuch selbst wurde folgendermaBen dnrchgefiihrt:
Drr Stroin durch die Spule S, wurde langsani gesteigert
uncl auf dem Leuchtschirm gleichzeitig die Reihenfolge der
abgebildeten Querschnitte beobachtet. Es erschien, wie es den
lichtoptischen VerhSiltnissen en tspricht, zuerst das Bild der
Kathode, tlann das Bilcl des ersten (B,) und schliefllich clas
Bild des zweiten Netzes (B,) scharf auf dem Schirm. Der
Strom der Spule S2 wurde nun auf dem der Abbildung des
Netzes B, entsprechenden Wert konstant gehalten. Nach
Einschalten und Steigern des Stromes der Spule X, mussen
dann die Bilder der Kathode und des Netzes B, nach der
Spule S, zii wandern, wobei sie das Netz bei R, passieren.
a
b
C
Abbildung durch zwei magnetische Linsen mit Zwischenbild
a) BiId des Netzes B3 durch Spufe S, (Vergrofierung 4,8fac11)
b) wie a); auBerdem Zwischenbild des Netzes B, durch Spule S, sichtbar
(VergrFWerung 4,s nnd 17,4fach)
c) Bild des Netzes B, durch Spule 8, (VergrGBerung 13fach)
Fig. 19
Wie cler T’ersuch zeigtc, wurden in diesem Moment die Bilder
auf dem Leuchtschirm auch tatsachlich scharf sichtbar.
Figg. 19a-c geben die erlialtenen Aufnahmen wieder. Fig. 19a
ist das Elektronenbild des Nctzes hei B, durch die Spule S,
(Spule S , stromlos). In Fig. 1 9 b ist auch die S i d e S,
eingeschaltet nnd so eingestellt, daB das Netzbild von B,
(Zwischenbild) gerade auf das Netz B, fiillt. I n beiden Bildern
ist die in der k:bene 113 liegende dreieckige Begrerizung des
Netzes B, scharf zu sehen. I n Fig. 19c sieht inan zum Vergleich das durch die Spule AS’, allein auf dem Leuchtschirm
entworfene Bild cles Netzes bei B,. Dieses besitzt einen von
632
Annabn der Physik. 5. Folge. Rand 12. 1932
Fig. 19 b verschiederien AbbildungsmaJ3stab und zaigt das Wet,z
bei H , scharf als Bild, das Netz bei B, saint dessen dreieckiger
Begrenzung dagegen uiischarf als Schatten.
hus den Figg. 18 nnd 19 geht also hervor, daB sich ein
aus zwei Sammelspulen zusammengesetztes System fur Elektronenstrahlen einem aus zwei Sammellinsen zusammengesetzten
System fur Lichtstrahlen analog verhalt.
Sainmellinse und Zerstreuungslinse
Die Anordnung tler optischen Elemente bei deal zuletzt
heschriebenen Versuch (zwei Sainmelspulen mit Zwischenhild)
mtspricht der Snordnung beini Projektionsmikroskop und beim
Projektionsfernrohr mit zwei Sammellinsen, wobei die dern Gegenstand zuniichstliegende Spule als Objektiv, die dcm Leuchtschirm
zuniichstliegende als Projektionslinse zu betrachten ist. Es ist
naheliegend, auch eiiie ubertragung anderer bekannter optischer
Snordnungen auf die geometrische Elektronenoptik zu versuchen,
die fur bestiminte Untersuchungen oder techiiische Zwecke geeignet
erscheinen. So ist z. B. die beim Kathodenstrahloszillographen
nnd anderen Elektronenstrahlriihren auftretentle Aufgabe, trotz
kleiner Gegenstandsweite ein relativ kleines Bild (Elektronenbrennff eck) zu erzeugen, grundsatzlich nicht nur durch zwei
Sammellinsen mit Zwischenbild, sondern auch durch die Kombination einer Sammelliiise mit einer Zerstreuungslinse zu
h e n . Diese Anordnung gleicht iiuBerlich dem Teleobjektiv
bzw. einem ubermiiBig lang ausgezogenen hollandischen
Fernr ohr.1)
Die Rechnung ergibt in diesem Fall, daB zur Erreichung
des kleinsten AbbildnngsmaBstabes die elektrische Zerstreuungslinse in der Mitte zwischen abzubildendem Gegenstand und
magnetischer Sammellinse (also im Abstand a/2 von Gegenstand und Sammelspule) liegen muB. Fiir diese Lage der
Zerstreuungslinse wird der AbbilclungsrnaBstab des Systems
Sammelspule-Zerstreuungslinse
1) Ein entsprechender Unterschied in dem auf die Brennweiten
der Linsen bezogenen Linsenabstand besteht auch zwischen Projektionsfernrohr und Keplerfernrohr einerseits und Projektionsmikroskop und
gewiihnlichem Mikroskop andererseits.
Knoll u.Ruska. Ncitrag x. geonzetrischen Elektronenoplik. I 633
MSZ=
b
-.
1
~
-
-a-+l
a
fz
und es betriigt die Verkleinerung clieses BbbildungsmaBstabes,
bezogen auf den AbbildungsmaBstab bei Abbildung nur (lurch
die Sammelspnle
(9)
wenn fi die Brennweite der Zerstreuungslinse und a uncl b
die Gegenstandsweite bzw. Bildweite der Sammelspule bedeuten.
Da jede elektrische Sammellinse durch Umpolen in eine
Zerstreuungslinse verwanclelt werden kann, wurde versucht,
durch Kombination der beschriebenen Iiugelkondensatoranordnung Pig. 14 mit der Sainmelspule S, eine gegeniiber der
Abbildung durch die Spule allein verkleinerte Abbildung der
Blende B, zu erhalten. Die innere Kugel erhielt entsprechend
cler Schaltung als Zerstreuungslinse negatives Potential.
a
b
C
Abbildung durch ein System aus magnetischer Sammellinse
und elektrischer Zerstreuungslinse
a) Netzblendenbild B, mit Sammelspule allein
b) Netzblendenbild B , mit Sammelspule und Zerstreuungslinse
c) Kathodenbild mit Sammelspule und Zerstreuungslinse.
Fig. 20
Der Versuch aeigt, daB das entstehende Leuclitschirmbild
einer dreieckigen Blende bei B, (Fig. 20b) tatsiichlich kleiner
ist, als das durch die Spule X, allrin erhaltene Rild (Fig. 20a).
Eine genaue Nachrechnung dieser Verkleinerung an Hand der
Formel(9) 1aBt sich nicht durchfuhren, da sich fur den als Zerstreuungslinse benutzten Kugelkondensator kein defiiiierter
Kriimmungsradius und damit keine Brennweite angeben lafit.
Durch weitergehentle Verkleinerung der Brennweite (Spannungs-
634
Annulen der Physik. 5. Folye. Band 12. 1932
erhohung) cler elektrisclien Zerstreuuiigslinse und entsprechendes
Verkleinern der Brennw eite (Stromerhohung) der magnetischen
Sammellinse kann auch wieiler die Katliode abgebildet werden
(Fig. 2Oc).
Vertauscht man in der beschriebenen Anordnung die
elektrische Zerstreuungslinse mit der magnetischen Sammellinse, so erlialt man naturlich eine entsprechende VergroBerung
cles AbbildiingsmaBstabes gegeniiber cler Abbiltlung durch die
Sammelspule allein.
Wesentlich erscheint bei diesen Versuchen, daB sich auch
virtuelle Elektronenstrahlbilder durch eine magnetische Sammclspule in gleicher T e i s e abbilden lassen wie reelle Gegenstiinde. Es sind also auch in diescr Hinsicht die Verhiiltnisse
geriau so wie in der Lichtoptik.
6. A b b i l d u n g a fe h ler
Allgemeines
I n Abschn. 11, 4 wurde gezeigt, daB die (lurch eine magnetische Linse erzeugten Bilder die iler elektrischen Linse an
Scliarfe wesentlich ubertreflfen (Figg. 1 6 , 17). P7ie erv,ahnt,
sind die Abbildnngsfehler bei cler elektrischen Linse hauptsachlich auf die Inhornogenitiiten des elektrischen Feldes in
der Kahe der Netzdriihte zuriickzufiihren, die cler Stralil
passieren muB. Diese sind also sekundiirer Natur imd nur
mit solchen Xingeln lichtoptischer Sjsteme z u vergleichen, die
auf imvollkonimener Oberflkchenbeschaffenheit yon Glaslinsen
beruhen. Es qchien ~v-iiiisclicn\~vertzu 1iiiter511chen, ob bei
e i m r Abbilduiig tlurch w n clieseii Bliingeln freie Elaktronenlinseii auch iiocli E’eliler auftrctrn, die den BUS der Optik bekmnten ~~bbilcln~tgsfelilrrii
ents1)reoheir. Ergebnisse hieriiber
maren wegen der err\ itlinten Un\ olllcomiiieiilieiteii der elektrisclien l i n s e iiur bei Ail~l~ildiiiigen
(lurch niagnctisclie Felder
zu erwarten.
Die bekannteii -Ibbiltliiiigsfehler 1iclitol)tischer Mysteiiie
beruhen im wesentlichen anf‘ tlrei \-oneiii:inder verschietleneii
Ursaclieii :
I. S u f iler Abli~tn~igkeitder Breehnngszahl yon cler
Wellenlknge des einf:dlriitlen Liclitstralils (chroivatisclie Allu &hung);
Knoll u.Ruska. Beitrag x . geometrischen Elektronenoptik. I 635
2. auf iiiangclntler Prolmrtioiialitiit zwisclieii deiii Betrag
cler Sbleiikmiji iml cleni -Ichsenabst:tnd cler abl~ildenden
Stralileii (sphiirisclie Abweichnng) lint1
3. a i d den Asymiiietrien, (lie entstehen , wenn tlas allldclencle Strttlileiil~iiiidel (lie Lime scliriig ziir dclise cl~irclisetxt (-lstigiiiatisiiiiir, Uilclfeltlwiilbung, Konia).
Voii diesen clrei Fehlerquelleii \\-urden iiiir die beitlen
ersten iiiilier untersncht, (la in den iiblicheii Elektrorienstralilrijliren der Wiiikel x u isclien den A cliseii yo11 Saniinelspnle uiitl
abbildendeiii Stralileitbiinclel iiie wlir grol3 ist.
Chromatische Abweichung
Bei friilieren Beobaclitungeit von Elektroiienl~reiinfleclte~l
iiiit tlein Leuchtschirni I\ar aufgefallen, (la13 die durch achsenferne Strahlen erzeugteii Biltler stets von
eineiii k'onietensch\veif nach Art tler Fig. 21
1)egleitet wareii. Uin tlie liclit\chrvacEie Erscheinung besser zii erkenneii, I\ iirtle die
bisher zu den hbbildungeii benntzte Gla+
platte niit Meta1lsl)iegel clnrcli eine niit Kometenschweif bei
schiefem Eintreten
Ziiiksnlficl belegte Cflasplatte ersetLt.
des Strahlbundels
Fig. 22a zeigt das so erlialteiie Leuchtin die magnetische
schirnibild eiiier Mehrlochbleiirle bei B , iiiit
Sammellinse
lrreisfiiriiiiger -4iioi~lnimgtler LLiiclier, tlas
Fig. 21
darcli S1)uleS, erzeugt wurtle. Die Koiiietensclirveife haben die Forni roil einseitig gekriiiiiinteii Kurvcri
tlie siinrtlich ~ o i i iMittelpunkt tles Bildes weggerichtet sintl.
Teriiiiiitlert ~tiaiiden Spulenstroni (vergriifiert iiiait tlie S p l e i i 1)rennweite) so eit, (la6 das Kathoclenbild erscheint, SO gehen
(lie Koiueteiiscli~vveife 1-on deiii Kathotleiibild nach aul3en
(Fig. 22b). Bri weitcrer Yerniintlerung des S~~u1eiistro1ii.s
(Fig. 22 c ; verkleinertes Projektioiisldtl cler Blelide) siritl sie
iiacli iiiiieii gerichtet, bis sie hei selir geriiigeiii Slnilenstrom
w i i der synilrietrisclieri Form iiiinier inelir almeichen iiiitl bei
Stroiiilo>igkeit der Spiile eiiie Form I\ ie in Fig. 22tl minrliinen.
Besonclerh (Ins letzte Bild gibt LIufschlnM iiber (lie S a t u r
tlieses db1,ild~uijisfelilers. F:s lag rialie, als Ursaclie ailz~iiiel~i~~c~ii,
(la13 iii den a1)bildentlen Strahleiil~iindeli~
Elektroiieii
636
Annalen der I'liysik.
5 . Folge. Band 12. 1932
f
z!
h
Bildfehler dureh inhomogene Strahlgeschwindigkeiten
(,,Chromatische Abweichung" bei Abbildung durch megnetische Linse
mit Mehrlochblenden bei B,)
a) Bild der Kreislochblende
b) Bild der Kathode durch Kreislochblende
c) Verkleinertes Projektionsbild der Kreislochblende
d) Projektionsbild der Kreislochblende (Erdfeldwirkung)
e) wie a), doch durch zusiitzliches Mapetfeld abgelenkt
f) Bild einer exzentrischen Reihenlochblende
g ) Bild der Kathode durch die exzentrische Reihenlochblende
h) Verkleinertes Projektionsbild der exzentrischen Reihenlochblende
Fig. 22
Knoll u. Ruska. Beitrag x. geonietrischen Elektronenopfik. I 637
geriirgeren Clrbcli\\iiicliglieiteii, i~lh sie eler Spanniing an
tler Entlatlungsriihrc entsprechen, ~-orlianilen siiid. (lie diirvli
eiii konstarites elektrischeb otler niagnetisclies Frltl x u eineiii
Sl)ektruni auqeinaiiclergezogeii I\ ertlen. Ua elektrisclie Feldw
in cler rollkoninieii aus Metal1 hestehentlen ~ e r s u c h s a p p a r a t i ~ r
niclit vorhanden naren, wurde ini Fall rler Fig. 22d auf eiite
Einwirkmig cler Horizoiita1kony)oiietite tles rnagnetischen Ertlfclcles geschlossen iiiicl diirch T’ergleich cler Riclitung der abgelenkten Schweife mit der Wichtiing tles Erclfelde5 tliese d n nahine sidiergestellt.
erkliiren sicli
1)ie Erscheiniingen a i d den E’igg. 22 a-c
tlaiiiit durch die stsrkere hblenkung von Elektronenstralileti
geriiigerer (feschwindigkeit clnrcli das Xarnmelspulenfeld, rlas
hier (lie Mvirkung des Erclfeldes bei weiteni iiberwiegt. Die
Konietenschweife (als hnftreffstelle der langsanieren Elektronen)
eileii beini VergriiBern des Spnlenstrornes der Bewegungsrichtung der (lurch Elektrorien cler vollen Strahlspannung erxengten Tleuclitflecke roraiis. Da bei VergriiBerung tles
Spulenstroms, solange sich das Kathoclenbiltl nocli in griiWerer
Entfernimg von cler Spule als der Tleuclitschirin befiiiclet, die
Tmiclitflecke nach cler Mitte z i i wandern, nach Erscheinen (les
Kathodenbildes dagegen [infolge der Strahlkreixziing) von cler
Mitte \leg wa~iderii, sind die SchJYeife im ersten Fall nadi
imien, ini zweiten Fall nach anBen gerichtet. Entslrecliend
der ,4rt der Kraftwirkung cles rnagnetischeii Feliles in der der
S:ininielsl)iile siiitl diese Ben egungsrichtixngen niclit geradlinig.
Die leiclitere dblenkbarkeit cler den h’ometensclirreifei~
eiits~reclientlenElektroiien gelit weitcrhin ails Fig. 22 e liervor.
Iliese zeigt das gleiclie Bild, \\ie Fig. 22a, jecloch clurch einen
iins seiner urspriinglichen Lage &gelenlit,
Perinaiiriitni;~~neteri
obei sich clie in Fig. 22a syrnnietrisclien Kometenachrwife
alle iiiehr oclcr 11-eniger in die Richtung cler (7Jesamtxl,lerikiiii,rr
drelien. Ngg. 22 f-li zeigen den Figg. 2 2 M - c ents1)recheiidc
Aufiialiinen einer nriclcren Mehrlocliblencle bei HI niit einer
gerailen TJoclireilie, die auBerlialb iler Syiiiiiietrieachse tles
K:tthodenstrahlbiiiidels angeorthiet I\ ar.
Urn die eigentliclien Biltler iler Blendrnliicher und tler
Kathodrnemissioiisfliichen in Figg. 22a. his c und e bis h sind
kreisf 6rniige Hofe sichtbar, die durdi Magnetfelder nicht einlo11
635
Annalen der Physik. 5. E'olge. Band 12. 1932
seitig zuiii Hiltlflevk abgclenkt wertlen konnten. Diese sind I\ ahrscheinlich auf 8elinndnriti.al.iluii~in cler Leuchtsnbstaiiz zuriickzufiihren, da sie aut' Glas nicht heohachtet werden konnten.
Fur die Ahbildiing niir eines zentrden Blendenloches oder
der E~riissic~iisfl~iche
iler Kathotlc (mie ~iraktischfast immer bei
Kathotle~~~trirhlrOhre~i)
rntsteht bei genaner lioaxidcr Stellung
der Sanimelspulc xum Str;thlbiindel duruli Utjlmlagerung nller
Kometenschi\ eifc, die :,iaWereii Bildelenienten entsprechen. ein
rnelir oder TI eniger groBer kreisrimcler Hof, dessen Intensitiit
m c h anBen ahnimnit. Die Intensitkt dieses Hofes iiberrf iegt
weitam (lie Inteiisitiit tier erwilhnten, ahrhcheinlich durch
Sekmidilrstrahlen erLengten Hofe. Steht clie Sammelspnle schief
m m Strahl, so entstelit entsprechend den vorausgegangenen
'ijberlegungen ebenfalls ein einseitiger Konietensch\\ eif N ie in
Fig. 21, der aixch von anderen Ailtoren l) bet)bnchtet wurde. Ks
wvurde festgestellt. daW die 1:tnpanien Elektronen iiii Strahl
niclit von der xeitlichen Veriinderung der Strahlgeschu iridigkeit
(1.T'elligkeit der Er~eagcrspannung)herrulirten, sonilern (la8
gleichzeitig Elektronen verschiedener Geschmindigkeit in1 Strahl
vorhanden sind. Xus Messungen des Sammelspulenstrorns giiig
hervor, daB nocli Elektronen bis zu 30 Proz. der Erregersparinung in beobaclitbarer Intensitat in1 Strahl auftreten.
Ob iliese langsameren Elektronen [lurch Geschwindigkeitsverlust oder tlurcli andere Ursaclien entstanden sind, wurde
in Anbetraclit cles Zieles tlieser Arbeit niclit naher untersucht.
Da die verscliiedenen Elektronengeschwindigkeiten verschiedenen Wellenlangen der Lichtstrahlen entsprechen, sind
die starken Abbiltlungsfeliler entsprechend Figg. 21 und 22
samtlich cler chromatischen Abweichung analog zu setzen. Weil
jedoch clie Intensitat tler langsamen Elektronen bei den angegebenen Versuclisbedingnngen gegenubcr der Intensitat cler
Elektronen init \ oller Strahlgeschwindigkeit nur gering war, heeiiitriichtigeii dies(. Abn eicliungen die Bildschiirfe iiur w enig.
Nicht nur die \ erschiedenen gleiclizeitig vorhandeneri
Str.ahl~escliwindigkeitenmaclien sich infolge d r r cliromatisclien
--lhwriclimig der Spule bei Bilderu (lurch acliseiiferiie Stralilen
1) D. U a b o r , 1. Forschungsheft der Stud.-Ges. fur HGchstspannungsanlagen. Berlin 1927. S. 12.
Knoll u.Ruska. Beitmg x . geometrischen Elektronenoptik. I 639
beiiierkbar, sonclern anch (lie zeitliclic Scliwankung (50 Periotlen)
(lev Biilirengleiclispa~i~iiin~,
Diese hat eine Verzerruiig der Bilder
in cler Riclitung cler Bildbewegung hei der Anderung des Konzentrierstronis zur Folge, N obei aher jetzt die lntensitkt in
deni ganzen verxerrten Rild pleicli groB ist (vgl. etwa Big. 22f,
in der die Biltler der rnndeii Blendenoffnungen langlicli erscheinen). Da die SPanliungssc1iM:ankung nur meiiige Prozent
ausmachte, war diese Verzerrung riicht groB, aber bei lioheren
Rohrenstromen (loch deutlicli M ahrnelimbar. Sie wnrde mit abiielimendein Riilireiistroni kleiner. Beobaclitet wurde sie insbesondere an einem ini MaBstal) 4:1 vergrfiherten, durch die
Spule S , erzeugten Bild riner Kreuzlochblendc mit 12 nim
hchsenabstand der iinBersten Locher. Bei randscliarfer Einstellung erschienen die Biltler cler runden Blenclenlocher init
achscnclem Acliseiiabstaiid iuimer mehr auseinantlergezogen.
Bei Abhildung der Katliode iiiittels Spule S, durch eine Blende
in tler Mittelebene dieser Spule mit zwei zueinander senkrecht
gekreuxteii Spalten von 24 nim Liinge uncl 0,3 mrn Breite erschien
clas Bild der Iiathode nicht mehr rund wie bei der Abbildung
durch eine (achsenuahe) Lochblende, sondern als kleines Kreuz
iriit dem Kathodenbild (Ring niit Pnnkt, vgl. Fig. 5 c) in tler Mitte.
Sp harisehe Abw eichung
Sphiirische A1)weichnng sol1 hei der niagiietischen Samnielspule nach B u s c l i vorhanclen sein. Sie maclit sich bei lichtoptischen Systenieii umso starker bemerkbar, j e weiter die
abbildenden Strahlen im Liriseii querschnitt von der Strahlachse eiitfernt sind, und (wenigstens bei unkorrigierten Linsen)
je kleiner die Brennweite ist.
Zur Untersuchung der ,,sph?trischen Abweichung" der Spule
wurden die beideii letzteii Versuche (Abhildung der Kreuzlochhlencle) und Abbildung der Katliode durcli die Kreuzspaltblende wiederholt. Urn die geschilderten Bildfehler durch
chromatische A h e i c h u n g nnch Moglichkeit auszuschalteii,
jrurde die Ansfileicliskapaxit~t der Erregerspannnngsanlage
von 0,Ol pF verdoppelt uncl (lie Bilder m.rdeii bei tlem miniiiialeri Betriebsstrom cler Rolire (< 0,05 m B ) beobachtet. Die
(bereclinete) S~,:tnnungsscliwanltung,die vorher 2 -8 Proz. groO
war, betrug jetzt nnr noch etwa 0,2 Proz. Photographisclie
640
Annalen drr Physik. 5. Folye. Band 12. 1932
dufnahmen der 4;euchtschirmbilder.ler konnten bei clieser geringen
lntensitiit untl der cladurch erforclerlichen langen Belichtungsxeit
Ton uber 10 Minuten nicht gemacht werden, da die Netxsl’annung iiber so Inn ye Zeiten nicht hinreichend konstaiit war.
K t deiii Auge konnten jedoch folgende Reobachtungen sehr
genaii geuiacht wertlen :
Bei clein Bild der Kreuzlochblende koiinten die clurcli die
Welligkeit der Erregerspannung entstandenen chroniatischen
Bildfehler jetzt niclit niehr wahrgenommen xerden. Auch
die YtinDersteri Lijcher waren runcl. Die groBte Randscliiirte trat f u r aIle LiichcJr bci tlemsdbeii Spulenstrom auf.
S:ach dieser Beobachtung schieri also eine stiirkere sphk-ische
Ah\\-eichung niclit vorzniiegen. Dagegen zeigte sich bei Clem
Kathodenbiltl durch die Kreuzspaltblende auch jetzt noch
eine sclin ache kreuxformige Verzeichnung. Nach der geringen
I ntensitiit der Verzeichnung scheint auch diese nicht durcli
sphiirische Abweichung, sondern diirch die inhoniogeiie Elektroriengescliwiiidigkeit, also durch chromatiscl-le hbweichung,
erxeugt xu sein. Es lafit sich daher aus den Heobachtungen
das Vorliegeii einer sphi&sclien A h eichung der Spule noch
nicht init Siclierlieit angeben. -%us anderen Beobachtungeii
glanben wir indesaen schlieBen zu konnen, daB eine solche
mindestens Lei der verweiitleten Spule (vgl. die dngaben in
hhschn. 11, 1) mid 1)ei einem groDten Aclireiiahstand der
abbildentlen Strahleii voii 1 2 mm miterhnlb der Beobachtungsgrenze lag.
(SchZu/? folgt.)
(Eingegangen 10. September 1931)
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 826 Кб
Теги
zur, beitrage, geometrisch, elektronenoptik
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа