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JP3040245B2 - ウィーンフィルタ - Google Patents

ウィーンフィルタ

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Publication number
JP3040245B2
JP3040245B2 JP4068540A JP6854092A JP3040245B2 JP 3040245 B2 JP3040245 B2 JP 3040245B2 JP 4068540 A JP4068540 A JP 4068540A JP 6854092 A JP6854092 A JP 6854092A JP 3040245 B2 JP3040245 B2 JP 3040245B2
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JP
Japan
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poles
magnetic
axis
pole
opening angle
Prior art date
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JP4068540A
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JPH05275058A (ja
Inventor
通義 田中
勝重 津野
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Jeol Ltd
Original Assignee
Jeol Ltd
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Publication date
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Publication of JPH05275058A publication Critical patent/JPH05275058A/ja
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子顕微鏡等に置いて
エネルギーフィルタ像等を得るために用いられるウィー
ンフィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】ウィーンフィルタは、電子ビームの進行
方向に直交する面内において、互いに直交する電場Eと
磁場Bを加えることによって、特定の速度の電子ビーム
だけを直進させるものである。この電子ビームが直進す
るための条件は、電場の方向をx方向、磁場の方向をy
方向としたとき、電場の一次成分E1 、磁場の一次成分
1 、電子の速度vを用いて、E1 −vB1 =0で表さ
れ、ウィーン条件と称されている。ウィーンフィルタは
このような性質を有するため、荷電粒子線を取り扱う種
々の装置において、エネルギー分析はもとより、エネル
ギー分析のためのモノクロメータ、低速電子顕微鏡用ビ
ームセパレータ等に用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ウィーン条
件は電場及び磁場の働いている全ての領域において成立
する必要があるが、このようなウィーンフィルタを構成
することは非常に困難であり、特にウィーンフィルタの
入射口と出射口の縁端部においては磁場と電場の分布は
異なるのが通常であり、この分布の相違は即ち当該縁端
部においては電場と磁場の関係がウィーン条件から外れ
ることを意味し、従ってこの場合には電子ビームは偏向
され、大きな収差を生じることになる。
【0004】これに対して、本出願人は、先に、縁端部
でのフリンジ場の電場と磁場の分布を一致させるため、
図4Aに示す構成のウィーンフィルタにおいて、電極1
1 ,12 間のギャップSe と、磁極21 ,22 間のギャ
ップSm とを等しくすることを提案した。
【0005】これによって、フリンジ場の電場分布と磁
場分布は図4Bに示すようになり、従来よりも縁端部に
おける電場と磁場の分布の一致度を向上させることが可
能となるのであるが、しかしながら、フリンジ場におい
て電場分布と磁場分布とを一致させることはできないも
のであった。
【0006】その理由は、第1には、電極11 ,12
して銅等の非磁性金属を用い、磁極21 ,22 として鉄
等の強磁性体を用いた場合、電極11 ,12 は磁場の発
生に関して何等寄与しないが、電場の発生に関しては磁
極21 ,22 は導電体であるためにアースポテンシャル
を与えてしまうことによるためであり、第2には電極1
1 ,12 と、磁極21 ,22 の形状が異なるために、電
極11 ,12 がフリンジ場に及ぼす影響と、磁極21
2 がフリンジ場に及ぼす影響とが異なることによるた
めである。勿論、電極面と磁極面を同一形状にすること
は可能ではあるが、電極面及び磁極面は一義的には一様
な電場及び一様な磁場を発生させることを目的とするも
のであるので、フリンジ場の分布を同一にするために同
一形状にすることはできないものである。
【0007】また、ウィーンフィルタには、フリンジ場
の電場分布と磁場分布を一致させることの他にも、非点
なし結像を行うことができること、及び二次収差が小さ
いことが要求される。非点なし結像を行うための条件と
しては、E2 /E1 −B2 /B1 =−1/4RC を満足
すればよいことが知られている。ここで、E2 は電場の
一次勾配、B2 は磁場の一次勾配、RC はサイクロトロ
ン半径であり、この条件を満足させるために、磁極を傾
斜させたり、あるいは4極子を構成することによって、
電場または磁場に一次の勾配を持たせることも提案され
ている。
【0008】また一方、二次収差については、電場の二
次勾配E3 、磁場の二次勾配B3 に対して、E3 /E1
−B3 /B1 =0が成立するときに極小となることが知
られており、従って電極及び磁極の構造を、E3 =B3
=0またはE3 /E1 =B3/B1 となるようにすれば
二次収差を極小にすることができることが分かる。
【0009】以上の3つの条件の全てを満足するウィー
ンフィルタとしては8極子構造のものが提案されている
が、機械的な構造及び電気的な構造が非常に複雑であ
り、実現することは非常に難しいものである。
【0010】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、フリンジ場における電場分布と磁場分布を一致さ
せることができるばかりでなく、非点なし結像を行うこ
とができ、且つ二次収差が小さいウィーンフィルタを提
供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のウィーンフィルタは、円筒面の一部を構
成する形状を有する8極の強磁性導体を備えるウィーン
フィルタであって、8極のうちの4極は中心軸からみて
開き角が略30°となされて90°間隔で配置され、残
りの4極は中心軸からみて開き角が略60°となされて
前記中心軸からみて開き角が略30°の4極の中間の位
置に配置されてなり、前記8極のうち、中心軸からみて
x軸を中心とする120°の開き角内にある3極づつを
対向し合う磁極とし、それ以外のy軸上にある1極づつ
を対向し合う他の磁極として磁場を発生させると共に、
中心軸からみてy軸を中心とする120°の開き角内に
ある3極づつを対向し合う電極とし、それ以外のx軸上
にある1極づつを対向し合う他の電極として電場を発生
させることを特徴とする。
【0012】
【作用及び発明の効果】本発明に係るウィーンフィルタ
は、その表面が円筒面の一部を構成する形状を有する8
極の強磁性導体を備える。その8極の中の4極は、中心
軸からみて開き角が略30°となされて90°間隔で配
置されており、残りの4極は、中心軸からみて開き角が
略60°となされて、前記中心軸からみて開き角が略3
0°の4極の中間の位置に配置されている。
【0013】そして、磁場は、8極の中の、中心軸から
みてx軸を中心とする120°の開き角内にある3極づ
つを対向し合う磁極とし、それ以外のy軸上にある1極
づつを対向し合う他の磁極として発生させ、電場は、中
心軸からみてy軸を中心とする120°の開き角内にあ
る3極づつを対向し合う電極とし、それ以外のx軸上に
ある1極づつを対向し合う他の電極として発生させる。
【0014】つまり、8個の極は電極として機能すると
共に、磁極としても機能するのであり、このように電極
と磁極とを同一材料で、しかも同一形状とするので、フ
リンジ場の電場分布と磁場分布とを一致させることがで
き、更に非点なし結像のための条件及び二次収差を極小
にできる条件を満足させることができる。
【0015】
【実施例】実施例を説明するに先立って、まず本発明の
原理について説明する。さて、フリンジ場において、E
1 とB1 の分布を一致させるためには、電極と磁極を同
一材料を用いて同一形状にすればよいことは上述したと
ころから容易に理解することができる。そのためには、
電極を強磁性を有する導体で構成すればよいが、しかし
ながら、この場合には、磁極の間隙に電極としての強磁
性体が挿入されることになるため、磁場の一様性が著し
く損なわれ、二次収差を極小とするための条件であるB
3 =0という条件を満足させることが非常に難しいもの
となる。
【0016】ところで、図1に示すように、強磁性を有
する導体で円筒面の一部を構成する形状を有する4極を
構成し、電極11 ,12 にはそれぞれ(V1 +Vx ),
(V1 −Vx )を与え、電極13 ,14 には共にV2
与えた場合には、一様な電場、即ちE3 =0となる電場
を発生させることができ、且つ4極子成分E2 を与える
ことができることが知られている。なお、図1におい
て、x軸上で対向する電極11 ,12 の中心軸からの開
き角は共に 120°であり、y軸上で対向する電極13
4 の中心軸からの開き角は共に60°である。
【0017】また、磁極についても同様であり、図2に
示すように、強磁性を有する導体で円筒面の一部を構成
する形状を有する4極を構成し、磁極21 ,22 には共
に−2NIB アンペアターンを与え、磁極23 ,24
はそれぞれ(NIB +NIy)アンペアターン、(NIB
−NIy )アンペアターンを与えた場合には、一様な
磁場、即ちB3 =0となる磁場を発生させることがで
き、且つ4極子成分B2を与えることができることが知
られている。なお、図2において、x軸上で対向する磁
極21 ,22 の中心軸からの開き角は共に60°であり、
y軸上で対向する磁極23 ,24 の中心軸からの開き角
は共に 120°である。
【0018】従って、図1に示す電極構造と、図2に示
す磁極構造とを同一面内に形成すれば、上記の3条件を
備えたウィーンフィルタ、即ちフリンジ場における電場
分布と磁場分布を一致させることができると共に、非点
なし結像を行うことができ、且つ二次収差が小さいウィ
ーンフィルタを構成できることが分かる。
【0019】以下、図3を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。図3において、8つの極P1 ,P2 ,P
3 ,P4 ,P5 ,P6 ,P7 ,P8 は、鉄、ニッケル・
パーマロイ等の強磁性を有する導体で構成されている。
極P2,P4 ,P6 及びP8 の中心軸からの開き角は30
°であり、中心軸の回りに90°の間隔で配置されてい
る。また、極P1 ,P3 ,P5 及びP7 の中心軸からの
開き角は60°であり、極P2 ,P4 ,P6 ,P8 の中間
の位置に中心軸の回りに90°の間隔で配置されている。
そして、極P1 と極P5 は一体に形成されているので同
電位であり、これらの極はそれぞれ一つの電極として機
能する。極P2 ,P3 ,P4 は一体に形成されているの
で同電位であり、従ってこれらの3極は全体として一つ
の電極として機能する。同様に、極P6 ,P7 ,P8
一体に形成されているので、それぞれ同電位であり、こ
れらの3極は全体として一つの電極として機能する。
【0020】従って、極P1 ,P5 にはV2 を与え、極
2 ,P3 ,P4 には(V1 +Vx)を与え、極P6
7 ,P8 には(V1 −Vx )を与れば、図1に示す電
極構成と同様になるので、一様で且つ4極子成分E2
有する電場を発生させることができる。
【0021】また、図3において、コイルC1 は、極P
1 ,P2 及びP8 を一纏めに巻回している。従って、極
1 ,P2 ,P8 は全体として一つの磁極として機能す
る。同様にコイルC3 は、極P4 ,P5 及びP6 を一纏
めに巻回しているので、これらの3極は全体として一つ
の磁極として機能する。コイルC2 及びC4 は、それぞ
れ、極P3 及びP7 のみに巻回されているので、これら
の極はそれぞれ一つの磁極として機能する。
【0022】従って、極P3 で構成される磁極及び極P
7 で構成される磁極には共に−2NIB アンペアターン
を与え、P1 ,P2 ,P8 の3極で構成される磁極には
(NIB +NIy )アンペアターンを与え、P4 ,P
5 ,P6 の3極で構成される磁極には(NIB −NI
y )アンペアターンを与えれば、図2に示す磁極構成と
同様になるので、一様で且つ4極子成分B2 を有する磁
場を発生させることができる。そして図3に示す構成で
は磁極と電極が中心軸を囲む面において完全に対称とな
っているので、フリンジ場における電場分布と磁場分布
は一致する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明で用いる電極の構成を説明するための
図である。
【図2】 本発明で用いる磁極の構成を説明するための
図である。
【図3】 本発明に係るウィーンフィルタの一実施例の
構成を示す図である。
【図4】 従来のウィーンフィルタの構成例を示す図で
ある。
【符号の説明】
1…電極、2…磁極、P…極、C…コイル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−79138(JP,A) 特開 平5−275057(JP,A) 特表 平1−503422(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 49/48 H01J 37/05

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円筒面の一部を構成する形状を有する8
    極の強磁性導体を備えるウィーンフィルタであって、8
    極のうちの4極は中心軸からみて開き角が略30°とな
    されて90°間隔で配置され、残りの4極は中心軸から
    みて開き角が略60°となされて前記中心軸からみて開
    き角が略30°の4極の中間の位置に配置されてなり、
    前記8極のうち、中心軸からみてx軸を中心とする12
    0°の開き角内にある3極づつを対向し合う磁極とし、
    それ以外のy軸上にある1極づつを対向し合う他の磁極
    として磁場を発生させると共に、中心軸からみてy軸を
    中心とする120°の開き角内にある3極づつを対向し
    合う電極とし、それ以外のx軸上にある1極づつを対向
    し合う他の電極として電場を発生させることを特徴とす
    るウィーンフィルタ。
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