(19) *DE102013005173B420150618*

(10) DE 10 2013 005 173 B4 2015.06.18

(12) Patentschrift

(21) Aktenzeichen: 10 2013 005 173.8(22) Anmeldetag: 25.03.2013(43) Offenlegungstag: 09.10.2014(45) Veröffentlichungstag

der Patenterteilung: 18.06.2015

(51) Int Cl.: H01J 37/05 (2006.01)H01J 37/12 (2006.01)H01J 37/29 (2006.01)H01J 49/44 (2006.01)

Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das PatentEinspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist isteine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu §2 Abs. 1 Patentkostengesetz).

(73) Patentinhaber:Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 55122Mainz, DE; Max-Planck-Gesellschaft zurFörderung der Wissenschaften e.V., 80539München, DE

(74) Vertreter:v. Bezold & Partner Patentanwälte - PartG mbB,80799 München, DE

(72) Erfinder:Tusche, Christian, 06114 Halle, DE; Krasyuk,Alexander, 06114 Halle, DE; Kirschner, Jürgen,06114 Halle, DE; Schönhense, Gerd, 55130 Mainz,DE

(56) Ermittelter Stand der Technik:siehe Folgeseiten

(54) Bezeichnung: Messvorrichtung und Verfahren zur Erfassung einer Impulsverteilung geladener Teilchen

(57) Hauptanspruch: Messvorrichtung (100), die zur Erfas-sung einer Impulsverteilung eines Ensembles (1) gelade-ner Teilchen eingerichtet ist, umfassend:– eine elektronenoptische Abbildungseinrichtung (10) miteiner elektronenoptischen Achse (OA), wobei die elektro-nenoptische Abbildungseinrichtung (10) eine Objektivlin-seneinrichtung (11) aufweist, die zur Erzeugung eines Im-pulsbildes (3) der x- und y-Komponenten der Impulsvekto-ren der Teilchen senkrecht zur elektronenoptischen Achse(OA) eingerichtet ist,– einen Energieanalysator, der zur energieaufgelösten Ab-bildung des Ensembles (1) eingerichtet ist, und– eine Detektoreinrichtung (30), die zur Aufnahme des Im-pulsbildes des Ensembles (1) eingerichtet ist, wobei diex- und y-Komponenten der Impulsvektoren der Teilchendurch Koordinaten der Teilchen im Impulsbild erfassbarsind,dadurch gekennzeichnet, dass– der Energieanalysator eine Drifteinrichtung (20) umfasst,die angeordnet ist, von den Teilchen des Ensembles (1)mit einer Flugzeit durchlaufen zu werden, die von der z-Komponente der Impulsvektoren der Teilchen parallel zurelektronenoptischen Achse (OA) abhängt,– die Detektoreinrichtung (30) zur zeitaufgelösten Aufnah-me des Impulsbildes des Ensembles (1) eingerichtet ist,wobei die z-Komponenten der Impulsvektoren der Teilchendurch die Flugzeit in der Drifteinrichtung (20) erfassbarsind, und– die elektronenoptische Abbildungseinrichtung (10) desWeiteren umfasst:

– eine erste Teleskopoptik (12), die zur Erzeugung einesersten Realraumzwischenbildes (4) des Ensembles (1) derTeilchen mit einer räumlich festen Lage eingerichtet ist,– eine variable und senkrecht zur elektronenoptischen Ach-se (OA) justierbare erste Blende (13), die zur Definition ei-nes Gesichtsfeldes der Messvorrichtung (100) eingerichtetist, und– eine Retardierungsoptik (14), die zur Anpassung derStrahlenergie der Teilchen auf das Potential der Driftein-richtung (20) eingerichtet ist.

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(56) Ermittelter Stand der Technik:DE 10 2010 010 981 A1

B. Kromker et al., Development of amomentum microscope for time resolvedband structure imaging, Review of ScientificInstruments 79 (2008), 053702-053702

G. Schönhense et al., Time-of-flightphotoemission electron microscopy–a new wayto chemical surface analysis, Surface science 480(2001), 180-187

H. Spiecker et al., Time-of-flight photoelectronemission microscopy TOF-PEEM: firstresults, Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research Section A: Accelerators,Spectrometers, Detectors and AssociatedEquipment 406 (1998), 499-506

M. Kotsugi et al., Microspectroscopic two-dimensional Fermi surface mapping using aphotoelectron emission microscope, Review ofscientific instruments 74 (2003), 2754-2758

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung,die zur Erfassung einer Impulsverteilung eines En-sembles geladener Teilchen, z. B. aus einer zu unter-suchenden Probe, eingerichtet ist. Die Erfindung be-trifft insbesondere ein parallel abbildendes Flugzeit-Mikroskop zur simultanen Erfassung der Impuls- undEnergieverteilung des Ensembles geladener Teil-chen mit optionaler Spinfilterung. Die Erfindung be-trifft auch ein Verfahren zur Erfassung der Impulsver-teilung des Ensembles geladener Teilchen. Anwen-dungen der Erfindung sind insbesondere bei Unter-suchungen an Festkörperoberflächen mittels Photo-elektronenemission gegeben.

[0002] Der Zustand eines Elektrons ist quantenme-chanisch vollständig durch seine Impuls- und Spin-freiheitsgrade definiert, was z. B. in Form der dreikartesischen Komponenten jeweils des polaren Im-pulsvektors (kx, ky, kz) und des axialen Spinvektors(sx, sy, sz) darstellbar ist. In speziellen Fällen ist nureine Untermenge dieser sechs Parameter von Nullverschieden. Dies gilt z. B. für einen monoenergeti-schen, unidirektionalen und vollständig polarisiertenElektronenstrahl, bei dem nur zwei Parameter vonNull verschieden sind. In Elementarprozessen, wieElektronenstreuung oder Photoemission, entstehenjedoch allgemein Elektronenensembles, welche einecharakteristische dreidimensionale Impuls- und Spin-verteilung aufweisen. Zur vollständigen Charakteri-sierung solcher Prozesse müssen die drei Kompo-nenten des Impulsvektors gemessen werden, wennkeine spinabhängige Wechselwirkung vorliegt. BeiVorliegen einer spinabhängigen Wechselwirkung istzusätzlich der Spinfreiheitsgrad zu bestimmen, wel-cher in vielen Fällen (z. B. der Photoemission aus fer-romagnetischen Proben mit unidirektionaler Spinaus-richtung) durch eine Komponente gekennzeichnet ist.

[0003] Es ist allgemein bekannt, die Impulsvertei-lung eines Ensembles geladener Teilchen, z. B. in derPhotoelektronenspektroskopie, mit einem energie-dispersiven Spektrometer zu messen. Herkömmlicheenergiedispersive Spektrometer erfassen Photoelek-tronen nur in einem beschränkten Winkelbereich übereiner Probenoberfläche. Die Messung einer vollenImpulsverteilung, die im Fall der Photoelektronen eindirektes Abbild der elektronischen Bandstruktur imImpulsraum wiedergibt, erfordert daher ein gegensei-tiges Verschwenken der Probe und des Spektrome-ters und eine sequenzielle Messung bei verschiede-nen Schwenkpositionen. Die Messung mit herkömm-lichen energiedispersiven Spektrometern ist daher ei-ne sehr zeitaufwändige und fehleranfällige Prozedur.

[0004] Eine deutliche Verbesserung wird erreicht, in-dem eine zweidimensionale Impulsverteilung durchein abbildendes dispersives Spektrometer 100' ge-mäß Fig. 10 (Stand der Technik) erfasst wird (sie-

he B. Krömker et al. in ”Rev. Sci. Instrum.” Bd. 79,2008, S. 053702-1 bis 053702-7). Das abbildendeSpektrometer 100' umfasst eine elektronenoptischeAbbildungseinrichtung 10' zur Erzeugung eines Im-pulsbildes der x- und y-Komponenten (kx, ky) der Im-pulsvektoren der Elektronen senkrecht zur optischenAchse (z-Achse), einen Energieanalysator 20' zur en-ergieaufgelösten Abbildung der Elektronen und eineDetektoreinrichtung 30' zur Aufnahme des Impuls-bildes der Elektronen eingerichtet ist. Der Energie-analysator 20' umfasst ein abbildendes Energiefilterin Gestalt eines Halbkugelspektrometers. Das Halb-kugelspektrometer ist mit zwei zueinander versetztangeordneten, halbkugelförmigen Elektroden aufge-baut, die jeweils durch Teilchen ausschließlich mit ei-ner gewählten Energie simultan durchlaufen werdenkönnen. Der Energiefilter ermöglicht, dass mit demSpektrometer 100' eine laterale Impulsverteilung beider gewählten Energie simultan erfasst werden kann.Die Messung einer vollen Impulsverteilung erfordertjedoch, dass die laterale Impulsverteilung im inter-essierenden Energiebereich in kleinen Schritten (d.h. mit kleinen Energie-Inkrementen) sequenziell ge-messen wird.

[0005] Somit ist bei allen bisher beschriebenenSpektrometer-Typen eine sequenzielle Erfassung beiverschiedenen Winkeln und/oder bei verschiedenenEnergien erforderlich. Mit diesen Methoden ist die Er-fassung der gesamten Impulsverteilung von gelade-nen Teilchen, insbesondere Elektronen, im Halbraumüber einer Festkörperprobe sehr zeitaufwändig.

[0006] DE 10 2005 045 622 B4 offenbart eine An-ordnung zur Analyse der Elektronen-Spinpolarisati-on mit einem parallel abbildenden Elektronenmikro-skop. Die Anordnung umfasst ein polarisationssensi-tives Streutarget in einem elektronenoptischen Strah-lengang und einen ortsauflösenden Detektor oder ei-ne Anordnung aus mehreren Detektoren zum Nach-weis der gestreuten Elektronen. Die herkömmlicheTechnik ist nicht für parallele energieselektive Mes-sungen ausgelegt.

[0007] Aus US 6 737 647 B2 ist eine Anordnungzur Abbildung des von einer Probe gepulst emittier-ten Teilchenensembles auf einem Detektor mit einerRundlinsenoptik bekannt. Ein Teil der Rundlinsenop-tik ist so ansteuerbar, dass die Geschwindigkeit oderFlugbahn der Teilchen beeinflusst wird und chroma-tische und/oder sphärische Fehler der Abbildung re-duziert werden.

[0008] Die herkömmliche Technik ist nicht für paral-lele Messungen von Teilchenimpulsen ausgelegt.

[0009] In den Publikationen von G. Schönhense etal. („Surface Science”, Bd. 480, 2001, S. 180–187)und H. Spiecker et al. (”Nuclear Instruments andMethods in Physics Reseach A”, Bd. 406, 1998, S.

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499–506) werden Photoelektronen-Emissionsmikro-skope beschrieben, die für eine energieaufgelösteAbbildung von Photoelektronen im Ortsraum Flug-zeit-Driftstrecken aufweisen. Zur Erzielung einer aus-reichenden Ortsauflösung sind die Objektivlinsen derbeschriebenen Mikroskope mit Aperturblenden aus-gestattet, mit denen die Impulsverteilung der erfass-ten Teilchen eingeschränkt wird. Eine energieaufge-löste Abbildung von Elektronenensembles im Impuls-raum ist mit diesen Mikroskopen nicht möglich.

[0010] Ein weiteres Photoelektronen-Emissionsmi-kroskop mit Energieauflösung wird von M. Kot-sugi et al. („Review of Scientific Instruments”,Band 74, 2003, S. 2754–2758) beschrieben. AusDE 10 2010 010 981 A1 ist eine elektronenoptischeAnalyseanordnung zur Analyse der Elektronen-Spin-polarisation von Elektronen bekannt.

[0011] Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine ver-besserte Messvorrichtung zur Erfassung einer Im-pulsverteilung eines Ensembles aus geladenen Teil-chen bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmli-cher Techniken vermieden werden. Die Messvorrich-tung soll insbesondere die Messung einer vollen Im-pulsverteilung der Teilchen mit vermindertem Zeitauf-wand, verbesserter Energieauflösung und/oder ver-besserter Zuverlässigkeit ermöglichen. Die Aufgabeder Erfindung ist es auch, ein verbessertes Verfahrenzur Erfassung einer Impulsverteilung eines Ensem-bles aus geladenen Teilchen bereitzustellen, mit demNachteile herkömmlicher Techniken vermieden wer-den.

[0012] Diese Aufgaben werden durch eine Messvor-richtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen derunabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Aus-führungsformen und Anwendungen der Erfindung er-geben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0013] Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichts-punkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durcheine Messvorrichtung gelöst, die zur Erfassung einerImpulsverteilung eines Ensembles geladener Teil-chen, wie z. B. Elektronen, Ionen oder Positronen,insbesondere aus einer zu untersuchenden Probe,eingerichtet ist und eine elektronenoptische Abbil-dungseinrichtung, einen Energieanalysator und ei-ne Detektoreinrichtung umfasst. Die elektronenop-tische Abbildungseinrichtung weist eine Objektivlin-seneinrichtung auf, die zur Erzeugung eines Impuls-bildes (reziprokes Bild) der x- und y-Komponentender Impulsvektoren der Teilchen senkrecht zu einerelektronenoptischen Achse (im Folgenden als opti-sche Achse bezeichnet) der Messvorrichtung, ins-besondere der elektronenoptischen Abbildungsein-richtung, eingerichtet ist. Das reziproke Bild ist nichtdurch eine Aperturblende begrenzt. Der Energieana-lysator ist für eine energieaufgelösten Abbildung desEnsembles der Teilchen konfiguriert. Die Detektor-

einrichtung ist zur Aufnahme des Impulsbildes desEnsembles der Teilchen eingerichtet, wobei die x-und y-Komponenten der Impulsvektoren der Teilchendurch Koordinaten der Teilchen im Impulsbild erfass-bar sind.

[0014] Gemäß der Erfindung umfasst der Energie-analysator eine Drifteinrichtung, die angeordnet ist,von den Teilchen des Ensembles mit einer Flugzeitdurchlaufen zu werden, die von der Komponente derImpulsvektoren der Teilchen parallel zur optischenAchse (z-Komponente der Impulsvektoren der Teil-chen) abhängt. Vorteilhafterweise stellt die Driftein-richtung im Unterschied zum herkömmlich verwen-deten Energieanalysator keinen Energiefilter dar, mitdem Teilchen mit Energien abweichend von einembestimmten Intervall aus dem Abbildungsstrahlen-gang ausgelenkt werden. Vielmehr wird eine energie-aufgelöste Abbildung erreicht, indem alle Teilchen,die untersucht werden sollen und zum Beispiel an ei-ner Probe generiert werden, in Abhängigkeit von ihrerEnergie aufeinanderfolgend die Driftstrecke der Drift-einrichtung durchlaufen und am Ende der Driftein-richtung eintreffen. Die Beschränkung der herkömm-lichen Technik auf die sequenzielle Messung in en-gen Energieintervallen wird überwunden.

[0015] Des Weiteren ist gemäß der Erfindung dieDetektoreinrichtung für eine zeitaufgelöste Aufnah-me des Impulsbildes des Ensembles der geladenenTeilchen eingerichtet. Daher ist mit der Detektorein-richtung die Flugzeit aller Teilchen in der Drifteinrich-tung messbar. Die Flugzeit wird aufgrund der Funkti-on der Drifteinrichtung durch die z-Komponenten derImpulsvektoren der Teilchen bestimmt. Vorteilhafter-weise können daher gemeinsam mit den x- und y-Komponenten der Impulsvektoren der Teilchen ausden Koordinaten der Teilchen im Impulsbild alle x-,y- und z-Komponenten der Impulsvektoren der Teil-chen mit der Detektoreinrichtung in einem gemein-samen Messvorgang erfasst werden. Die Messdauerund die Fehleranfälligkeit der Messung, wie sie beiden herkömmlichen sequentiellen Messungen auf-treten, werden verringert. Die Energieauflösung derMessung wird gegenüber herkömmlichen Technikenverbessert.

[0016] Gemäß einem zweiten allgemeinen Ge-sichtspunkt der Erfindung wird die genannte Auf-gabe durch ein Verfahren zur Erfassung einer Im-pulsverteilung eines Ensembles geladener Teilchen,wie z. B. Elektronen, Ionen oder Positronen, gelöst,die an einer untersuchten Probe generiert werden,z. B. aus der Oberfläche der Probe austreten. Vor-zugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mitder Messvorrichtung gemäß dem ersten allgemeinenGesichtspunkt der Erfindung ausgeführt. Das Ver-fahren umfasst eine Erzeugung eines Impulsbildesder Teilchen mit einer Objektivlinseneinrichtung ei-ner elektronenoptischen Abbildungseinrichtung, wo-

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bei das Impulsbild die x- und y-Komponenten der Im-pulsvektoren der Teilchen in einer reziproken Ebeneder Objektivlinseneinrichtung senkrecht zu einer op-tischen Achse der elektronenoptischen Abbildungs-einrichtung umfasst. Des Weiteren umfasst das Ver-fahren eine energieaufgelöste Abbildung des Ensem-bles mit einer Drifteinrichtung, die von den Teilchendes Ensembles mit einer Flugzeit durchlaufen wird,die von der z-Komponente der Impulsvektoren derTeilchen parallel zur optischen Achse abhängt.

[0017] Des Weiteren umfasst das Verfahren einezeitaufgelöste Aufnahme des Impulsbildes des En-sembles mit einer Detektoreinrichtung, wobei die x-und y-Komponenten der Impulsvektoren der Teilchendurch Koordinaten der Teilchen im Impulsbild und diez-Komponenten der Impulsvektoren der geladenenTeilchen in Abhängigkeit von der Flugzeit in der Drift-einrichtung erfasst werden. Vorzugsweise ist die La-ge der reziproken Ebene der Objektivlinseneinrich-tung achromatisch, so dass sich diese Ebene bei ge-änderter Teilchenenergie räumlich nicht verschiebt.

[0018] Die erfindungsgemäße Messvorrichtung, imFolgenden auch als ”Flugzeit-Impulsmikroskop” be-zeichnet, und das erfindungsgemäße Verfahren ver-meiden den mit der herkömmlichen sequenziellen Er-fassung verbundenen Verlust an Nachweiseffizienzdadurch, dass alle drei kartesischen Komponentendes Impulsvektors simultan mit hoher Präzision er-fasst werden. Dabei werden für jedes nachgewiese-ne Teilchen zwei Impulskomponenten (kx, ky) durchdie elektronenoptische Abbildungseinrichtung, insbe-sondere eine abbildende elektronenoptische Säule,die wie in einem Elektronenmikroskop aufgebaut seinkann, dargestellt. Dies entspricht der vergrößertenAbbildung der reziproken Bildebene. Die dritte Im-pulskomponente (kz) wird mit der Messung der Flug-zeit des geladenen Teilchens durch die in die Säuleintegrierte niederenergetische Driftstrecke der Drift-einrichtung erfasst. Damit lassen sich z. B. bei derUntersuchung von Elektronen im interessierendenEnergieintervall mit einer Breite von mehreren Elek-tronenvolt alle drei Impulskomponenten jedes einzel-nen emittierten geladenen Teilchens ohne Verlusteim Halbraum über einer Festkörperprobe nachwei-sen.

[0019] Ein wesentlicher Vorteil des Flugzeit-Impuls-mikroskops ist, dass im Gegensatz zur konventio-nellen hochauflösenden Elektronenmikroskopie kei-ne Aperturblende in der reziproken Bildebene (cross-over) der Objektivlinseneinrichtung platziert ist, dagerade die Teilchenverteilung in dieser reziprokenEbene abgebildet wird. Im Gegensatz zu konven-tionellen Flugzeitspektrometern können das k-par-allel-Gesichtsfeld immer konstant, der Skalierungs-faktor konstant und die k-Auflösung konstant sein.Bei hinreichend kleiner Startenergie der Teilchen istder Akzeptanzwinkelbereich unbegrenzt. Insbeson-

dere kann auch bei hohen Startenergien immer einkonstantes Gesichtsfeld von etwa ein bis zwei Brillou-in-Zonen typischer Einkristalloberflächen im Impuls-raum abgebildet werden. Dies ist besonders bei ei-ner Anwendung zur hochenergetischen Photoelek-tronenspektroskopie (HAXPES) vorteilhaft. Für dieAnwendung der Impulsabbildung wird dabei generelldie sphärische Aberration minimiert, um ein möglichstgroßes Gesichtsfeld im Impulsraum gleichzeitig ab-zubilden.

[0020] Vorteilhafterweise kann die energieselektiveMessung bei festen Einstellungen erfolgen, d. h. oh-ne geometrische Variation des Beobachtungswinkelsund ohne Durchfahren von Spannungen. Das Ver-fahren erfordert eine Zeitstruktur (Zeitmuster), die beider Erzeugung und/oder während der Abbildung dergeladenen Teilchen dem Teilchenensemble aufge-prägt wird. Die Zeitstruktur des dem Teilchenensem-bles wird z. B. bei der Untersuchung von Festkörper-oberflächen durch eine Zeitstruktur der anregendenStrahlung bereitgestellt. Vorteilhafterweise ist dieseZeitstruktur sowohl bei niederenergetischen Laser-quellen als auch bei Synchrotronstrahlungsquellenzur Anregung von Photoelektronen an Festkörper-oberflächen verfügbar.

[0021] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass beiVerwendung einer angepassten Elektronenoptik mitausschließlich elektrostatischen Elementen das Flug-zeit-Impulsmikroskop grundsätzlich zur Analyse derImpulsverteilung aller Arten von geladenen Teilchen,insbesondere von Elektronen, Ionen oder Positronen,geeignet ist.

[0022] Der Gewinn an Messeffizienz lässt sich ausverfügbaren Größen abschätzen. Mit der Flugzeit-technik lässt sich ohne großen Aufwand eine Ener-gieauflösung von 10 meV erreichen, siehe z. B. P. S.Kirchmann et al. in ”Appl. Phys. A.” Bd. 91, 2008, S.211–217. Elektronenoptische Simulationen ergeben,dass ohne Aberrationskorrektur ein Energieintervallvon etwa 10% der Driftenergie simultan nutzbar ist.Für eine angenommene Driftenergie von 30 eV ergibtsich ein zulässiges Intervall von ca. 3 eV. Bei einerdetektorseitigen Zeitauflösung von 200 ps und einerDriftstrecke der Drifteinrichtung von 800 mm folgt dar-aus eine Energieauflösung von 30 meV, siehe z. B.A. Oelsner et al. in ”Rev. Sci. Instrum.” Bd. 72, Nr. 10,2001, S. 3968. Somit sind ca. 100 Energieintervallesimultan erfassbar.

[0023] Ein großer praktischer Vorteil der erfindungs-gemäßen Messvorrichtung ist ihre Baugröße. Wäh-rend z. B. ein herkömmliches abbildendes dispersi-ves Elektronenspektrometer ein Volumen von mehrals 1 m3 einnimmt, ist die erfindungsgemäße Mess-vorrichtung in Form einer linearen Säule mit Durch-messer von 150 mm und einer Länge im Bereich von1 m realisierbar.

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[0024] Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemä-ßen Verfahrens ist, dass Prozesse untersucht wer-den können, bei denen zwei Elektronen mit unter-schiedlicher Energie gleichzeitig entstehen, welchein Koinzidenz nachgewiesen werden können, auchwenn ihre Energie und Richtung des Impulsvektorsunterschiedlich sind. Ein weiterer Vorteil liegt in derMöglichkeit, die Strahlenbelastung der untersuchtenProbe um Größenordnungen zu reduzieren. Fernerist das Verfahren besonders gut geeignet, um ultra-schnelle dynamische Prozesse zu untersuchen. Bei-spielsweise lässt sich ein schnelles Anregungssignal(Photonen- oder Feldpuls) mit dem Abtastsignal übereine variable Zeitverzögerung synchronisieren, umso genannte „Pump-Probe Experimente” durchzufüh-ren. Zur Steigerung der Auflösung ist zusätzlich einekonventionelle Aberrationskorrektur (Spiegel, Multi-pol) oder eine dynamische Aberrationskorrektur mög-lich.

[0025] Gemäß der Erfindung umfasst die elektro-nenoptische Abbildungseinrichtung eine erste Tele-skopoptik, die zur Erzeugung eines ersten Realraum-Zwischen-bildes (erstes Gauß'sches Zwischenbild)des Ensembles der Teilchen mit einer räumlich festenLage eingerichtet ist, eine variable und senkrecht zuroptischen Achse justierbare erste Blende (Bildblen-de, Aperturblende), die zur Definition eines Gesichts-feldes der Messeinrichtung eingerichtet ist, und ei-ne Retardierungsoptik, die zur Anpassung der Strahl-energie der Teilchen auf das Potential der Driftein-richtung eingerichtet ist.

[0026] Mit der ersten Teleskopoptik wird vorteilhaf-terweise das erste Zwischenbild in einer raumfes-ten Ebene erzeugt, wobei durch die justierbare ersteBlende eine Definition von Position und Größe deszur Abbildung gelangenden Probenbereiches ermög-licht wird. Mit der justierbaren ersten Blende kann fer-ner zur Steigerung der Impulsauflösung die Größedes Quellvolumens auf der Probe in dem ersten Zwi-schenbild entlang der optischen Achse begrenzt unddefiniert werden.

[0027] Vorteilhafterweise kann das Ensemble mitder Retardierungsoptik abgebremst und bezüglichseiner Bildvergrößerung und Impulsbild-Skalierungan die Drifteinrichtung angepasst werden. Die Re-tardierungsoptik ist eingerichtet, die Einschussbedin-gungen in die Flugzeitstrecke in Energie und Winkel-divergenz anzupassen. Die Anpassung umfasst ins-besondere eine Bereitstellung eines Impulszwischen-bildes des Ensembles am Anfang der Drifteinrich-tung und eine gemeinsame z-Komponenten-Impuls-verschiebung aller Teilchen für eine Anpassung andas Potential in der Drifteinrichtung.

[0028] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfüh-rungsform der Erfindung ist eine zweite Teleskopop-tik vorgesehen, mit der ein teleskopischer Strahlen-

gang von der Drifteinrichtung zur Detektoreinrichtungbereitgestellt wird. Die zweite Teleskopoptik ermög-licht vorteilhafterweise eine Fokussierung eines wei-teren Impulszwischenbildes des Ensembles auf dieDetektoreinrichtung, so dass die zeitaufgelöste Auf-nahme des Impulsbildes des Ensembles verbessertwerden kann.

[0029] Vorzugsweise weist die Objektivlinsenein-richtung eine Extraktorelektrode auf, die zur Erzeu-gung eines Extraktorfeldes relativ zu der Probe an-geordnet ist und entlang der optischen Achse ei-ne Dicke von mindestens dem halben Durchmesserder Elektrodenapertur (Bohrungsdurchmesser) be-sitzt, wobei innerhalb der Extraktorelektrode entlangder optischen Achse ein Abschnitt mit einer im Ver-gleich zum Extraktorfeld verringerten Feldstärke ge-bildet ist. Vorteilhafterweise wird mit der genanntenDicke der Extraktorelektrode erreicht, dass ein uner-wünschter Felddurchgriff von den strahlabwärts fol-genden Elektroden vermieden wird und die Teilchenim Extraktorfeld die gewünschte Beschleunigungsen-ergie, z. B. 20 keV, zur Aberrationsminimierung undzur Minimierung der Bildfeldkrümmung erreichen.

[0030] Gemäß einer besonders bevorzugten Aus-führungsform der Erfindung umfasst die Extrak-torelektrode mehrere Extraktorelektroden-Segmen-te, die um die optische Achse in azimutaler Rich-tung verteilt angeordnet sind. Die Extraktorelektro-den-Segmente bieten die Möglichkeit, ein nicht-rotati-onssymmetrisches Extraktorfeld zu erzeugen und ei-ne Strahlkorrektur zu erzeugen. Die Strahlkorrekturist insbesondere von Vorteil, wenn die optische Ach-se nicht senkrecht zu der Oberfläche der untersuch-ten Probe ausgerichtet, sondern die Oberfläche re-lativ zur optischen Achse verkippt ist. Wenn ein Ma-nipulator zur Probenverkippung fehlt oder nur einenbeschränkten Arbeitsbereich hat, können die Extrak-torelektroden-Segmente mit unterschiedlichen Span-nungen beaufschlagt werden, um die Strahlkorrekturzu erzielen. Die Qualität der Strahlkorrektur wächstmit der Zahl der Extraktorelektroden-Segmente. Inder Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenndie Extraktorelektrode mindestens vier, insbesonderemindestens acht Extraktorelektroden-Segmente um-fasst.

[0031] Gemäß einer weiteren Ausführungsform derErfindung umfasst die Retardierungsoptik mindes-tens fünf, entlang der optischen Achse angeord-nete Retardierungsoptik-Segmente, mit denen ein-gangs- und ausgangsseitige Brennweiten der Re-tardierungsoptik unabhängig voneinander einstellbarsind. Hierzu kann in Abhängigkeit von den Spannun-gen der Retardierungsoptik-Segmente der Ort derelektrostatischen Linsenwirkung innerhalb der Retar-dierungsoptik verschoben werden. Vorteilhafterwei-se ermöglichen die Retardierungsoptik-Segmente dieAnpassung der Strahlenergie der Teilchen auf das

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Potential der Drifteinrichtung unabhängig von demPotential der strahlaufwärts vorgeschalteten Elektro-den.

[0032] Vorteilhafterweise bietet die Erfindung dieMöglichkeit, eine spinabhängige Abbildung des En-sembles der geladenen Teilchen durchzuführen. DieMessvorrichtung kann gemäß einer Variante der Er-findung mit einer verstellbaren Spinfiltereinrichtungausgestattet sein. Die Spinfiltereinrichtung ist vor-zugsweise unmittelbar vor der niederenergetischenDriftstrecke angeordnet. Durch die Spinfilterung kannzusätzlich zu den Impulskomponenten der Teilcheneine Komponente des Spinpolarisationsvektors be-stimmt werden. Dabei ist von besonderem Vorteil,dass durch die Flugzeit in der Drifteinrichtung gleich-zeitig der Wert der energieabhängigen Asymmetrie-funktion S(E) der Teilchen genau bekannt ist, wasdie Datenauswertung erheblich erleichtert. Der Ge-winn an Messeffizienz ist bei dem erfindungsgemä-ßen Verfahren mit der Spinfiltereinrichtung beson-ders groß, da bei herkömmlichen Techniken typi-scherweise ein einkanaliger Spindetektor verwendetwird. Demgegenüber wurde bereits nachgewiesen,dass mit einem abbildenden Spinfilter 3800 Punkteeiner lateralen Elektronenverteilung gleichzeitig dar-stellbar sind, siehe z. B. C. Tusche et al. in ”Appl.Phys. Lett.” Bd. 99, 2011, S. 032505.

[0033] Vorzugsweise ist die Spinfiltereinrich-tung für eine Spinfilterung konfiguriert, wie inDE 10 2005 045 622 B4 beschrieben ist. Daherumfasst die Spinfiltereinrichtung gemäß einer bevor-zugten Variante der Erfindung einen Spinfilterkris-tall, der relativ zur optischen Achse der Messvorrich-tung drehbar ist. Vorzugsweise ist der Spinfilterkris-tall zwischen der elektronenoptischen Abbildungsein-richtung und der Drifteinrichtung, besonders bevor-zugt unmittelbar vor der Drifteinrichtung, angeordnet.Alternativ oder zusätzlich ist die Spinfiltereinrichtungvorzugsweise so angeordnet, dass sich eine reel-le oder reziproke Bildebene der elektronenoptischenAbbildungseinrichtung auf dem Spinfilterkristall derSpinfiltereinrichtung befindet.

[0034] Besonders bevorzugt ist die Drehbarkeit ummindestens einen von drei Freiheitsgraden vorgese-hen, die eine Drehung zur Einstellung eines Polarwin-kels θ relativ zur strahlaufwärts gelegenen optischenAchse (Einfallswinkel auf dem Spinfilterkristall), eineDrehung um einen Azimutalwinkel Φ um die Oberflä-chennormale des Spinfilterkristalls und eine Drehungum einen Kristallorientierungswinkel α der Orientie-rung um die strahlaufwärts gelegene optische Achseumfassen. Der Polarwinkel θ kann insbesondere 45°betragen, so dass sich eine 90°-Reflexion am Spinfil-terkristall ergibt.

[0035] Gemäß einer weiteren Ausführungsform derErfindung kann zwischen der Spinfiltereinrichtung

und der Drifteinrichtung eine Anpassungs-Linsen-gruppe derart angeordnet sein, dass die Streuener-gie der Spinfiltereinrichtung und die kinetische Ener-gie der Teilchen in der Drifteinrichtung unabhängigvoneinander einstellbar sind.

[0036] Wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Va-riante der Erfindung in der Drifteinrichtung eine zwei-te Blende angeordnet ist, können diffus gestreuteTeilchen vorteilhafterweise aufgefangen werden. Diezweite Blende ist z. B. eine Bildblende am Ort einesZwischenbildes in der Driftstrecke, die der Eliminie-rung von Sekundärelektronen dient, falls diese beimBeugungsprozess im Spinfilterkristall entstehen undzu einem inelastischen Untergrund in den Beugungs-bildern führen können.

[0037] Gemäß einer besonders bevorzugten Aus-führungsform der Erfindung umfasst die Messvorrich-tung eine Choppereinrichtung, mit der ein Ensem-ble der geladenen Teilchen entsprechend einer vor-bestimmten Zeitstruktur (Zeitfunktion des Teilchen-stroms) modulierbar ist, um die zeitaufgelöste Auf-nahme des Impulsbildes auch im Falle eines zeit-lich kontinuierlichen Ensembles zu ermöglichen. Mitder Choppereinrichtung werden Teile des kontinuier-lichen Teilchenstrahls vor Eintritt in die Driftstreckeso ausgeblendet, dass eine Messung der Flugzeitder passierenden Teilchen möglich ist. Die Chopper-einrichtung ermöglicht vorteilhafterweise die Anwen-dung der Erfindung selbst bei der Erzeugung eineskontinuierlichen Ensembles geladener Teilchen, z. B.wenn die geladenen Teilchen aufgrund eines Prozes-ses ohne Zeitstruktur von der Probe emittiert werdenund insbesondere die Quelle zur Anregung der vonder Probe ausgehenden geladenen Teilchen keineinhärente Zeitstruktur aufweist. Die Choppereinrich-tung und die Detektoreinrichtung werden synchroni-siert, um die zeitaufgelöste Aufnahme des Impulsbil-des des Ensembles der geladenen Teilchen in Ab-hängigkeit von der mit der Choppereinrichtung einge-führten Zeitstruktur bereitzustellen.

[0038] Vorzugsweise umfasst die Choppereinrich-tung eine Aperturblende und eine Ablenkoptik, die inder Retardierungsoptik oder zwischen der Retardie-rungsoptik und der Drifteinrichtung angeordnet sind.Die Ablenkoptik ist für eine hochfrequente Anregungeines elektrischen Ablenkfeldes eingerichtet, mit demz. B. ein kontinuierliches Ensemble geladener Teil-chen entsprechend der vorbestimmten Zeitstrukturmodulierbar ist. Vorteilhafterweise sind verschiedeneVarianten von Ablenkoptiken möglich, die z. B. eineMultipolanordnung, und/oder zwei antisymmetrischeAblenker und Linsengruppen auf beiden Seiten derAperturblende umfassen, und/oder in die Retardie-rungsoptik der elektronenoptischen Abbildungsein-richtung integriert oder an deren Ausgang angeord-net sind. Insbesondere die Multipolanordnung kannVorteile bei der Reduzierung von Abbildungsfehlern

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haben. Die Aperturblende ist vorzugsweise die o. g.zweite Blende.

[0039] Im Folgenden sind weitere Vorteile der Er-findung zusammengefasst. Es wird ein Verfahrenzur verlustfreien Darstellung der vollen Impulsvertei-lung eines Teilchenensembles, insbesondere Elek-tronenensembles, auf einem ortsauflösenden (dis-playartigen) 2D-Detektor geschaffen, bei dem die x-und y-Komponenten des Impulsvektors eines nach-gewiesenen Teilchens durch die Koordinate seinesAuftreffpunktes auf dem Detektor und die z-Kompo-nente durch seine Flugzeit in einer niederenerge-tischen Driftstrecke im elektronenoptischen Linsen-system gemessen wird. Es wird insbesondere ermög-licht, die Energie des Teilchens durch seine Flugzeitin der niederenergetischen Driftstrecke zu messen.Der Teilchenstrahl kann über mehrere Stufen abge-bremst und bezüglich seiner Bildvergrößerung undImpulsbild-Skalierung angepasst werden. Zur Steige-rung der Impulsauflösung kann die Größe des Quell-volumens auf der untersuchten Probe durch die va-riable und lateral justierbare erste Blende in einemGauß'schen Bild in der elektronenoptischen Säulebegrenzt und definiert werden.

[0040] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfin-dung werden aus der folgenden Beschreibung derbeigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

[0041] Fig. 1: eine schematische Querschnittsan-sicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsge-mäßen Messvorrichtung;

[0042] Fig. 2: schematische Querschnittsansichtenverschiedener Varianten einer Objektivlinseneinrich-tung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung;

[0043] Fig. 3 und Fig. 4: schematische Querschnitts-ansichten weiterer Ausführungsformen der erfin-dungsgemäßen Messvorrichtung mit einer Spinfilte-rung;

[0044] Fig. 5 bis Fig. 8: weitere Varianten der erfin-dungsgemäßen Messvorrichtung mit einer Spinfilte-rung;

[0045] Fig. 9: schematische Querschnittsansichtweiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßenMessvorrichtung mit einer Choppereinrichtung; und

[0046] Fig. 10: eine schematische Illustration einesherkömmlichen abbildenden Spektrometers.

[0047] Bei der folgenden Beschreibung bevorzugterAusführungsformen der Erfindung wird beispielhaftauf eine Messvorrichtung zur Detektion von Elektro-nen Bezug genommen, die von einer Oberfläche ei-ner zu untersuchenden Probe emittiert werden. Eswird betont, dass die Umsetzung der Erfindung nicht

auf dieses Beispiel beschränkt ist, sondern auch beider Messung anderer geladener Teilchen möglich ist.Es werden die Teile der Messvorrichtung und Schrittedes Verfahrens insbesondere in Bezug auf die Mes-sung der Impulskomponenten der geladenen Teil-chen beschrieben. Die Messvorrichtung, insbesonde-re die Elektroden und die mit diesen erzeugten Fel-der, können vom Fachmann unter Verwendung ansich bekannter Simulations- und Designtechniken, z.B. aus der Elektronenmikroskopie, gestaltet werden,um die Funktion der erfindungsgemäßen Messvor-richtung bereitzustellen.

[0048] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform dererfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 in Gestalteines Flugzeit-Impuls-Mikroskops auf der Basis ei-ner linearen elektronenoptischen Säule mit mehre-ren Linsengruppen und einer niederenergetischenDriftstrecke vor dem Bilddetektor. Bei dieser Ausfüh-rungsform der Messvorrichtung 100 ist kein Spinfiltervorgesehen.

[0049] Die Messvorrichtung 100 umfasst eine elek-tronenoptische Abbildungseinrichtung 10 mit eineroptischen Achse OA, die sich in z-Richtung er-streckt. Die elektronenoptische Abbildungseinrich-tung 10 umfasst eine Objektivlinseneinrichtung 11, ei-ne erste Teleskopoptik 12, eine variable erste Blende13 mit einer senkrecht zur optischen Achse OA jus-tierbaren Blendenöffnung, und eine Retardierungs-optik 14 mit mehreren, entlang der optischen Ach-se OA angeordneten Retardierungsoptik-Segmenten141. Die Objektivlinseneinrichtung 11 ist mit drei Elek-troden aufgebaut, die eine Extraktorelektrode 111, ei-ne Fokuselektrode 112 und eine elektronenoptischeSäule 113 umfassen. Weitere Einzelheiten der Objek-tivlinseneinrichtung 11 werden unten mit Bezug aufFig. 2 beschrieben.

[0050] Des Weiteren umfasst die Messvorrichtung100 eine Drifteinrichtung 20 mit einer Driftstrecke 21entlang der optischen Achse OA. Die Länge der Drift-strecke 21 beträgt z. B. 80 cm. Die Drifteinrichtung 20kann einen Abschnitt der optischen Achse OA umfas-sen, der durch keine Elektrode begrenzt wird, odersie kann die Gestalt einer hohlzylinderförmigen Elek-trode aufweisen, in deren feldfreiem Innenraum dieDriftstrecke 21 gebildet ist. Die Drifteinrichtung 20 ar-beitet als Energieanalysator, da sie von geladenenTeilchen mit einer energieabhängigen Flugzeit durch-laufen wird, ohne die Teilchenposition in einer Ebenesenkrecht zur optischen Achse OA zu verändern, unddaher eine energieaufgelöste Abbildung der Teilchenstrahlabwärts von der Driftstrecke 21 ermöglicht.

[0051] Zur zeitaufgelösten Aufnahme eines Impuls-bildes eines Ensembles 1 (in Fig. 1 gepunktet mar-kiert) geladener Teilchen weist die Messvorrichtung100 eine in der optischen Achse A angeordnete zwei-te Teleskopoptik 50 und eine Detektoreinrichtung 30

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auf. Die Detektoreinrichtung 30, die z. B. einen Mul-tichannelplate-Detektor oder einen Halbleiter-Bildde-tektor umfasst, ist für eine Bildaufnahme mit einercharakteristischen Zeitauflösung von z. B. 150 pseingerichtet, siehe A. Oelsner et al. in ”Journal ofElectron Spectroscopy and Related Phenomena” Bd.137–140, 2004, S. 757–761.

[0052] Bei einem Verfahren zur Erfassung einer Im-pulsverteilung eines Ensembles 1 von Photoelektro-nen aus einer untersuchten Probe 2 werden die ausder Probe 2 ausgelösten Photoelektronen in einemmit der Extraktorelektrode 111 erzeugten Extraktor-feld auf eine Energie von z. B. 20 keV beschleunigt.Die Dicke der Extraktorelektrode 111 entlang der op-tischen Achse OA beträgt z. B. 2 mm, während derBohrungsdurchmesser in der Extraktorelektrode 111z. B. 4 mm beträgt. Anschließend werden die Pho-toelektronen durch die Fokuselektrode 112 so in dieelektronenoptische Säule 113 abgebildet, dass sichin einer ersten reziproken Ebene 3 ein hochaufge-löstes Bild der lateralen Impulsverteilung der ausge-lösten Photoelektronen (erstes Impulsbild) ergibt. ImImpulsbild repräsentieren Koordinaten der Teilchenin radialer Richtung (siehe Pfeil r) die x- und y-Kom-ponenten der Impulsvektoren der Teilchen. Die Lageder reziproken Ebene 3 (Beugungsebene) ist achro-matisch, d. h. die erste reziproke Ebene 3 verschiebtsich bei Variation der Elektronenenergie räumlichnicht. Mit der ersten Teleskopoptik 12 wird in einerersten Zwischenbildebene 4 ein Gauß'sches Bild er-zeugt, dessen Größe und Position durch Variation derersten Blende 13 (Bildfeldblende) ausgewählt wer-den kann. Im Inneren der Retardierungsoptik 14 be-findet sich ein zweites Impulsbild 5. Mit der Retardie-rungsoptik 14 wird ein zweites Zwischenbild in einerzweiten Zwischenbildebene 22 am Beginn der Drift-strecke 21 der Drifteinrichtung 20 erzeugt und die En-ergie des Strahls auf die gewünschte Driftenergie an-gepasst.

[0053] In der Driftstrecke 21 der Drifteinrichtung 20wird der Elektronenstrahl bezüglich seiner kineti-schen Energie dispergiert, so dass am Ende derDriftstrecke 21 eine Flugzeitverteilung der Elektro-nen gemäß der kinetischen Energien gebildet ist. Mitder zweiten Teleskopoptik 50 wird ein teleskopischerStrahlengang erzeugt, so dass ein drittes Impulsbild(Bild der Impulsverteilung) auf die Detektoreinrich-tung 30 fokussiert wird. Mit der Detektoreinrichtung30 wird das Impulsbild des Ensembles 1 der Photo-elektronen zeitaufgelöst aufgenommen, wobei die z-Komponenten der Impulsvektoren der Teilchen par-allel zur optischen Achse OA durch die Flugzeit in derDrifteinrichtung 20 erfasst werden.

[0054] Die Fig. 2A bis Fig. 2D zeigen schemati-sche Skizzen mehrerer Varianten von Objektivlin-seneinrichtungen 11 auf der Basis von planarenElektroden (Fig. 2A), konisch geformten Elektroden

(Fig. 2B) oder hinterdrehten Elektroden zur Erhö-hung der Feldstärke und Reduktion der Brennweite(Fig. 2C). In allen Fällen nimmt der Durchmesser derdrei Elektroden 111 bis 113 strahlabwärts schrittwei-se zu. Die Variante gemäß Fig. 2B hat Vorteile beieiner Messgeometrie, bei der ein Anregungsstrahl 7schräg auf die Oberfläche der Probe 2 einfällt. Beider Variante gemäß Fig. 2C ist die Extraktorelektro-de 111 so hinterdreht, dass sich im Bereich hinter derExtraktorelektrode 111 eine möglichst hohe Feldstär-ke ergibt. Dies hat vorteilhafterweise eine Steigerungder Impulsauflösung zur Folge. Die Gestaltung vonElektronenlinsen mit minimierten Aberrationen wird z.B. von M. Szilagyi et al. in ”Appl. Phys. Lett.” Bd. 49,No. 13, 1986, S. 767; M. Szilagyi et al. ”J. Vac. Sci.Technol.” Bd. A 5 (2), 1987, S. 273; oder M. Szilagyiet al. in ”J. Vac. Sci. Technol.” Bd. B 6 (3), 1988, S.953 beschrieben.

[0055] Fig. 2D illustriert in schematischer Draufsichtentlang der optischen Achse eine Objektivlinsenein-richtung 11 gemäß einem axial-symmetrischen Typ,z. B. aus den Fig. 2A bis Fig. 2C, wobei eine odermehrere der Elektroden 111 bis 113, insbesonderedie Extraktorelektrode 111, durch eine nicht-rotati-onssymmetrische Multipol-Anordnung ersetzt sind. Inder Variante gemäß Fig. 2D sind somit anstelle vonRundlinsen Multipolelemente, die mit variablen Po-tenzialen u1 bis uN beaufschlagt werden, in die Objek-tivlinseneinrichtung 11 integriert. Diese Ausführungs-form ermöglicht eine Korrektur der Strahllage bereitsin der Objektivlinseneinrichtung 11. Dies ist vorteil-haft, um Abbildungsfehler zu reduzieren, die durcheine Fehljustage der reziproken Ebene 3 des erstenImpulsbildes (siehe Fig. 1), welches nicht durch eineAperturblende begrenzt wird, in den darauf folgendenLinsengruppen hervorgerufen werden könnten.

[0056] Die Fig. 3 und Fig. 4 zeigen schematischeDarstellungen der erfindungsgemäßen Messvorrich-tung 100 zur Flugzeit-Impulsmikroskopie mit einer in-tegrierten abbildenden Spinfiltereinrichtung 40. DieMessvorrichtung 100 ist mit den Komponenten 10,20, 30 und 50 aufgebaut, wie oben unter Bezugauf die Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben wurde. Ge-mäß Fig. 3 enthält die Spinfiltereinrichtung 40 einenSpinfilterkristall 41, dessen Kristalloberfläche für einespinabhängige Reflexion mit einer Ablenkung um 90°ausgerichtet ist, während Fig. 4 den allgemeinen Falleiner Streuung um einen frei wählbaren Polarwinkelθ zeigt. Bei den in den Fig. 3 und Fig. 4 gezeigtenAusführungsformen liegt auf oder in der Nähe desSpinfilterkristalls 41 ein Zwischenbild und auf der De-tektoreinrichtung 30 ein Impulsbild (reziprokes Bild).Die Energie der Photoelektronen in der Driftstrecke21 der Drifteinrichtung 20 ist identisch mit der Streu-energie am Spinfilterkristall 41.

[0057] Die Spinfiltereinrichtung 40 umfasst denSpinfilterkristall 41 und eine Stelleinrichtung (nicht

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dargestellt), mit welcher der Spinfilterkristall 41 in Be-zug auf alle drei Raumrichtungen drehbar und ver-schiebbar ist. Der Spinfilterkristall 41 ist in oder in derNähe der Ebene des zweiten Zwischenbildes (sieheBezugszeichen 22 in Fig. 1) positioniert und kann mitder Stelleinrichtung bezüglich Position und Winkelko-ordinaten justiert werden. Wahlweise kann der Spin-filterkristall 41 mit der Stelleinrichtung aus dem Strah-lengang herausgefahren werden, um ein nicht-spin-gefiltertes Bild in Geradeausrichtung (gemäß Fig. 1)durchzulassen.

[0058] Die folgenden Drehungen des Spinfilterkris-talls 41 sind einzeln oder in Kombination vorgesehen.Eine erste Drehung des Spinfilterkristalls 41 um ei-ne von drei Raumachsen ist die Drehung zur Einstel-lung des Polarwinkels θ relativ zur optischen AchseOA der strahlaufwärts angeordneten Elektroden. DerPolarwinkel θ bezeichnet den Winkel zwischen der z-Richtung vor und der z'-Richtung nach dem Spinfil-terkristall 41. Gemäß Fig. 3 beträgt der Polarwinkelθ 45°, so dass die gezeigte 90°-Reflexion am Spinfil-terkristall 41 resultiert.

[0059] Des Weiteren ist eine Drehung um eineOberflächennormale des Spinfilterkristalls 41 mög-lich. Diese Drehung bestimmt den Azimutalwinkel Φ.Bei Variation des Azimutalwinkels Φ wird die Streu-bedingung der Niederenergie-Elektronenbeugung sogeändert, dass sich die Spinasymmetrie in großemMaße variieren lässt. Diese Abhängigkeiten von In-tensität und Spinasymmetrie vom Azimutalwinkel Φ(auch Rotationsdiagramme genannt) werden z. B.von J. Kirscher and R. Feder in ”Phys. Rev. Lett.” Bd.42, Nr. 15, 1979, S. 1008, beschrieben.

[0060] Eine weitere Drehung, die den Kristallorien-tierungswinkel α definiert, kann um die strahlauf-wärts gelegene optische Achse OA (z-Richtung) er-folgen. Bei Variation des Kristallorientierungswinkelsα lässt sich die Quantisierungsrichtung der Spinana-lyse des Spinpolarisationsvektors P verändern. DerSpinpolarisationsvektor P steht immer senkrecht aufder Streuebene. Durch eine Änderung des Kristallori-entierungswinkels α von 0° auf 90° lassen sich so-mit beide transversalen Spinpolarisationskomponen-ten des einfallenden Elektronenstrahls analysieren.Durch Änderung des Kristallorientierungswinkels αvon 0° auf 180° (und analog von 90° auf 270°) lässtsich darüber hinaus die Spinasymmetrie umkehren.Auf diese Weise lassen sich vorteilhafterweise appa-rative Asymmetrien bei der spinabhängigen Beugungeliminieren.

[0061] Die Fig. 5 und Fig. 6 zeigen weitere Vari-anten der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100zur Flugzeit-Impulsmikroskopie mit den Komponen-ten 10, 20, 30 und 50 und der integrierten abbilden-den Spinfiltereinrichtung 40. Zusätzlich ist eine An-passungs-Linsengruppe 60 zwischen der Spinfilter-

einrichtung 40 und der Drifteinrichtung 20 angeord-net. Die Anpassungs-Linsengruppe 60 ermöglicht ei-ne unabhängige Variation der Streuenergie am Spin-filterkristall 41 und der kinetischen Energie (Driftener-gie) bei Eintritt in die niederenergetische Driftstrecke21 der Drifteinrichtung 20. Die Anpassungs-Linsen-gruppe 60 bildet eine asymmetrische Einzellinse (Im-mersionslinse), die unmittelbar hinter dem Spinfilter-kristall 41 in den Strahlengang eingefügt ist.

[0062] Wahlweise kann die Impulsverteilung (Fig. 6)oder die Bildebene (Fig. 5) in die Ebene des Spinfil-terkristalls 41 gelegt werden. So ist in dem in Fig. 5gezeigten Fall eine zweite reziproke Ebene 5 mit demzweiten Impulsbild wie bei der Ausführungsform derFig. 1 in der Retardierungsoptik 14 positioniert. DieAnpassungs-Linsengruppe 60 ist nur schwach erregtund dient der Anpassung der Strahlenergie der Teil-chen von der Streuenergie auf die Driftenergie. BeideEnergien liegen typischerweise im Bereich von 20–80eV. In dem in Fig. 6 gezeigten Fall wurde das zweiteImpulsbild aus dem Inneren der Retardierungsoptik14 auf den Spinfilterkristall 41 verschoben. In diesemFall ist die Anpassungs-Linsengruppe 60 stärker er-regt, so dass hinter dieser die zweite Zwischenbild-ebene 22 mit dem zweiten Zwischenbild liegt.

[0063] Auf die Detektoreinrichtung 30 wird in beidenFällen der Fig. 5 und Fig. 6 ein Impulsbild fokussiert.Eine zweite Blende 23 am Ort der zweiten Zwischen-bildebene 22 dient der Eliminierung von Sekundär-elektronen, welche beim Beugungsprozess im Spin-filterkristall 41 entstehen und zu einem inelastischenUntergrund in den Beugungsbildern führen können(aus Übersichtlichkeitsgründen sind die zweite Blen-de 23 und die zweite Zwischenbildebene 22 neben-einander gezeigt).

[0064] Gemäß Fig. 6 ist zusätzlich beispielhaft illus-triert, dass unmittelbar vor der Drifteinrichtung 20 ei-ne elektronenoptische Choppereinrichtung 70 in denStrahlengang eingefügt sein kann. Da die zweiteBlende 23 den Elektronenstrahl nur auf der optischenAchse passieren lässt, wird mit dieser Anordnungeine Zeitstruktur des abgebildeten Elektronenstrahlserzeugt. Die Funktion der Choppereinrichtung 70 wirdunten unter Bezug auf die Fig. 9A bis Fig. 9D mit wei-teren Einzelheiten beschrieben.

[0065] Die Fig. 7 und Fig. 8 zeigen weitere Varian-ten der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 mitden Komponenten 10, 20, 30 und 40, wobei ein reel-les Ortsbild auf dem Bilddetektor der Detektoreinrich-tung 30 abgebildet wird. So zeigt Fig. 7 die Betriebs-art, bei der auf dem Bilddetektor der Detektoreinrich-tung 30 anstelle des Impulsbildes ein Realraumbild(Gauß'sches Bild) fokussiert wird. Diese Betriebsartist vorteilhaft, um den analysierten Probenbereich imRealraum festzulegen. Für diese Betriebsart kann dieerste Blende 13 geöffnet werden, so dass ein aus-

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gedehntes Bildfeld zur Festlegung des zu analysie-renden Bereiches abgebildet wird. Der gewünschteBildbereich kann dann mittels der Lateraljustierungder Probe 2 in radialer Richtung (r-Richtung) zentriertwerden und anschließend durch Hineinfahren einerkleinen ersten Blende 13 ausgewählt werden. Aufdem Spinfilterkristall 41 kann entweder ein Impulsbild(Fig. 7) oder ein Zwischenbild liegen (Fig. 8).

[0066] Alternativ lässt sich die Abbildung eines rea-len Bildes auf dem Bilddetektor der Detektoreinrich-tung 30 durch eine geänderte Erregung der elektro-nenoptischen Abbildungseinrichtung 10 und der Re-tardierungsoptik 14 erreichen, indem in die Ebene derersten Blende 13 ein Impulsbild fokussiert wird.

[0067] Bei der Erzeugung der geladenen Teilchenmit einer Anregungsquelle ohne Zeitstruktur wird einkontinuierliches Ensemble der geladener Teilchen er-zeugt. Auch in diesem Fall kann ein gepulster Betrieberreicht werden, indem an einer geeigneten Positioninnerhalb der Messvorrichtung 100 eine Chopperein-richtung 70 mit einer Ablenkoptik (Zerhacker, elektro-statischer Chopper) eingefügt ist. In den Fig. 9A bisFig. 9D sind Varianten der Erfindung illustriert, beidenen mit der Choppereinrichtung 70 ein Ensemblegeladener Teilchen entsprechend einer vorbestimm-ten Zeitfunktion moduliert wird. Der Strom der gela-denen Teilchen wird zeitabhängig moduliert. Die Ver-arbeitung des zeitaufgelösten Impulsbildes des En-sembles geladener Teilchen erfolgt unter Berücksich-tigung der Zeitfunktion, so dass im Ergebnis die z-Komponenten der Impulse wie im Fall eines inhärentpulsförmigen Ensembles geladener Teilchen ermitteltwerden können.

[0068] Die Choppereinrichtung 70 umfasst z. B.zwei parallele Platten oder ein Multipolelement, wel-che von einem elektrischen Pulsgenerator oder voneiner Hochfrequenz-Spannungsquelle (nicht darge-stellt) angesteuert werden. Die Anregungsfrequenzder Choppereinrichtung 70 wird in Abhängigkeit vomgewünschten Zeitabstand der mit der Detektorein-richtung 30 aufzunehmenden pulsförmigen Impuls-bilder gewählt. Beispielsweise führt eine Frequenzvon 10 MHz zu einem Abstand der einzelnen Pulsevon 100 ns. Die Amplitude der Hochfrequenz und dieLochgröße der zweiten Blende 23 (siehe unten) kön-nen so aufeinander abgestimmt werden, dass sichPulse von 1 ns Länge ergeben. Dies entspricht einemTastverhältnis von 1:100, d. h. die Intensität wird imVergleich zum Betrieb ohne Zeitstruktur um 2 Grö-ßenordnungen reduziert. Für gängige Laborquellenohne Zeitstruktur, z. B. intensive Edelgasentladungs-lampen, ist dieser Verlust tolerierbar, da insgesamtdie erfindungsgemäße Methode durch die paralleleWinkel- und Energieerfassung einen Effizienzgewinnvon 6 Größenordnungen ermöglicht.

[0069] Die Choppereinrichtung 70 kann wahlweisein der Nähe des Gauß'schen Bildes am Anfang derDriftstrecke der Drifteinrichtung 20 (Fig. 9A) oder inder Nähe der zweiten reziproken Bildebene im In-neren (Fig. 9B) oder hinter der Retardierungsoptik14 (Fig. 9C) angeordnet sein. Zur Eliminierung vonAberrationen durch die Strahlablenkung durch dieChoppereinrichtung 70 kann eine antisymmetrischeTandemanordnung mit zwei Choppern ausgenutztwerden (Fig. 9D). Wenn die Choppereinrichtung 70in die Retardierungsoptik 14 (Fig. 9B) integriert ist,kann die Strahlablenkung durch die Choppereinrich-tung 70 in der zweiten reziproken Ebene 5 des zwei-ten Impulsbildes erfolgen.

[0070] Zur unabhängigen Wahl der Energie desElektronenstrahls im Bereich der Choppereinrichtung70 und in der niederenergetischen Driftstrecke 21 derDrifteinrichtung 20 lässt sich eine Adaptions-Linsen-gruppe 60 verwenden, wie in den Fig. 9C und Fig. 9Dgezeigt ist. Gemäß Fig. 9C ist die Choppereinrich-tung 70 am Ausgang der Retardierungsoptik 14 ange-ordnet, wobei zur Vermeidung von Abbildungsfehlerndie zweite reziproke Ebene 5 so verschoben wird,dass sie am Ort der Choppereinrichtung 70 liegt undein Gauß'sches Zwischenbild an der zweiten Blende23 mit Hilfe der Adaptions-Linsengruppe 60 erzeugtwird.

[0071] Bei Nutzung eines Signals mit z. B. 10 MHzRepetitionsrate und 1 ns Pulslänge lässt sich dieEnergie und Länge der Driftstrecke so anpassen,dass das Intervall von 100 ns zwischen den auf-einander folgenden Pulsen für die Flugzeitdispersi-on voll ausgenutzt wird. Durch Wahl einer Biasspan-nung an der Probe 2 und die Wahl der Betriebsspan-nungen der elektronenoptischen Abbildungseinrich-tung 10 und der Retardierungsoptik 14 lässt sich er-reichen, dass Elektronen mit Energien unterhalb ei-ner Mindestenergie effektiv unterdrückt werden. Diesist vorteilhaft, wenn vermieden werden soll, dass be-sonders niederenergetische Elektronen mit Flugzei-ten > 100 ns durch die Driftstrecke hindurchtretenkönnen. Solche Elektronen würden zu einem Unter-grund im Messsignal führen, da sie nicht mehr ein-deutig mit der Zeitstruktur der Quelle korreliert wer-den können.

[0072] Bei der Tandemanordnung gemäß Fig. 9Dumfasst die Choppereinrichtung 70 zwei antisymme-trische Ablenkoptiken 71, 72, die zur Reduzierungvon Abbildungsfehlern mit Linsengruppen 73, 74 aufbeiden Seiten der zweiten Blende 23 zusammenwir-ken, wobei in der Mitte beider Ablenkoptiken 71, 72jeweils eine zweite und dritte reziproke Ebene 5, 6liegt.

[0073] Die in der vorstehenden Beschreibung, denZeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merk-male der Erfindung können sowohl einzeln als auch

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in Kombination für die Verwirklichung der Erfindungin ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeu-tung sein.

Bezugszeichenliste

100, 100' Messvorrichtung1 Ensemble geladener Teil-

chen2 Probe3 erste reziproke Ebene4 erste Zwischenbildebene5 zweite reziproke Ebene6 dritte reziproke Ebene7 Anregungsstrahl10, 10' elektronenoptische Abbil-

dungseinrichtung11 Objektivlinseneinrichtung111 Extraktorelektrode112 Fokuselektrode113 elektronenoptische Säule12 erste Teleskopoptik13 erste Blende14 Retardierungsoptik141 Retardierungsoptik-Segmen-

ten20, Drifteinrichtung20' Energieanalysator21 Driftstrecke22 zweite Zwischenbildebene23 zweite Blende30, 30' Detektoreinrichtung40 Spinfiltereinrichtung41 Spinfilterkristall50 zweite Teleskopoptik60 Anpassungs-Linsengruppe70 Choppereinrichtung71, 72 Ablenkoptiken73, 74 LinsengruppenOA, OA' optische Achsenθ PolarwinkelΦ Azimutalwinkelα KristallorientierungswinkelP Spinpolarisationsvektoru1, u2 ... uN Potenziale der Elektrodenr, r' Radialkoordinatenz, z' Axialkoordinaten

Patentansprüche

1.  Messvorrichtung (100), die zur Erfassung einerImpulsverteilung eines Ensembles (1) geladener Teil-chen eingerichtet ist, umfassend:– eine elektronenoptische Abbildungseinrichtung (10)mit einer elektronenoptischen Achse (OA), wobei dieelektronenoptische Abbildungseinrichtung (10) eineObjektivlinseneinrichtung (11) aufweist, die zur Er-zeugung eines Impulsbildes (3) der x- und y-Kom-ponenten der Impulsvektoren der Teilchen senkrechtzur elektronenoptischen Achse (OA) eingerichtet ist,

– einen Energieanalysator, der zur energieaufgelös-ten Abbildung des Ensembles (1) eingerichtet ist, und– eine Detektoreinrichtung (30), die zur Aufnahmedes Impulsbildes des Ensembles (1) eingerichtet ist,wobei die x- und y-Komponenten der Impulsvektorender Teilchen durch Koordinaten der Teilchen im Im-pulsbild erfassbar sind,dadurch gekennzeichnet, dass– der Energieanalysator eine Drifteinrichtung (20)umfasst, die angeordnet ist, von den Teilchen desEnsembles (1) mit einer Flugzeit durchlaufen zu wer-den, die von der z-Komponente der Impulsvektorender Teilchen parallel zur elektronenoptischen Achse(OA) abhängt,– die Detektoreinrichtung (30) zur zeitaufgelöstenAufnahme des Impulsbildes des Ensembles (1) ein-gerichtet ist, wobei die z-Komponenten der Impuls-vektoren der Teilchen durch die Flugzeit in der Drift-einrichtung (20) erfassbar sind, und– die elektronenoptische Abbildungseinrichtung (10)des Weiteren umfasst:– eine erste Teleskopoptik (12), die zur Erzeugung ei-nes ersten Realraumzwischenbildes (4) des Ensem-bles (1) der Teilchen mit einer räumlich festen Lageeingerichtet ist,– eine variable und senkrecht zur elektronenopti-schen Achse (OA) justierbare erste Blende (13), diezur Definition eines Gesichtsfeldes der Messvorrich-tung (100) eingerichtet ist, und– eine Retardierungsoptik (14), die zur Anpassungder Strahlenergie der Teilchen auf das Potential derDrifteinrichtung (20) eingerichtet ist.

2.    Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, die um-fasst– eine zweite Teleskopoptik (50), die zur Erzeugungeines teleskopischen Strahlengangs von der Driftein-richtung (20) zur Detektoreinrichtung (30) eingerich-tet ist.

3.    Messvorrichtung gemäß einem der vorherge-henden Ansprüche, bei der– die Objektivlinseneinrichtung (11) eine Extraktor-elektrode (111) aufweist, die zur Erzeugung eines Ex-traktorfeldes angeordnet ist und eine Dicke von min-destens dem halben Bohrungsdurchmesser aufweist.

4.  Messvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der– die Extraktorelektrode (111) mehrere Extraktorelek-troden-Segmente (u1, ..., uN) umfasst, die um dieelektronenoptische Achse (OA) in azimutaler Rich-tung verteilt angeordnet sind.

5.    Messvorrichtung gemäß einem der vorherge-henden Ansprüche, bei der– die Retardierungsoptik (14) mindestens fünf, ent-lang der elektronenoptischen Achse (OA) angeord-nete Retardierungsoptik-Segmente (141) aufweist,mit denen eingangs- und ausgangsseitige Brennwei-

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ten der Retardierungsoptik (14) unabhängig vonein-ander einstellbar sind.

6.    Messvorrichtung gemäß einem der vorherge-henden Ansprüche, die umfasst– eine abbildende, verstellbare Spinfiltereinrichtung(40), die zur spinabhängigen Abbildung des Ensem-bles (1) eingerichtet ist.

7.  Messvorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der dieSpinfiltereinrichtung (40)– einen Spinfilter-Kristall (41) umfasst, der relativ zurelektronenoptischen Achse (OA) drehbar ist,– zwischen der elektronenoptischen Abbildungsein-richtung (10) und der Drifteinrichtung (20), insbeson-dere unmittelbar vor der Drifteinrichtung (20), ange-ordnet ist, und/oder– so angeordnet ist, dass eine reelle oder reziprokeBildebene der elektronenoptischen Abbildungsein-richtung (10) auf der Spinfiltereinrichtung (40) liegt.

8.  Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche6 oder 7, bei der– zwischen der Spinfiltereinrichtung (40) und der Drift-einrichtung (20) eine Anpassungs-Linsengruppe (60)so angeordnet ist, dass die Streuenergie der Spin-filtereinrichtung (40) und die kinetische Energie derTeilchen in der Drifteinrichtung (20) unabhängig von-einander einstellbar sind.

9.    Messvorrichtung gemäß einem der vorherge-henden Ansprüche, bei der– in der Drifteinrichtung (20) eine Blende (22) ange-ordnet ist, mit der diffus gestreute Teilchen aufgefan-gen werden können.

10.  Messvorrichtung gemäß einem der vorherge-henden Ansprüche, die umfasst– eine Choppereinrichtung (70), mit der ein konti-nuierliches Ensemble (1) entsprechend einer vorbe-stimmten Zeitstruktur modulierbar ist, um die zeitauf-gelöste Aufnahme des Impulsbildes des Ensembles(1) zu ermöglichen.

11.  Messvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der– die Choppereinrichtung (70) eine Aperturblende(23) und eine Ablenkoptik (71–72) umfasst, die inder elektronenoptischen Abbildungseinrichtung (10)oder zwischen der elektronenoptischen Abbildungs-einrichtung (10) und der Drifteinrichtung (20) so an-geordnet sind, dass durch eine hochfrequente An-regung der Ablenkoptik (71–72) ein kontinuierlichesEnsemble (1) entsprechend der vorbestimmten Zeit-struktur modulierbar ist.

12.  Messvorrichtung gemäß Anspruch 11, bei wel-cher die Ablenkoptik (71–72)– eine Multipolanordnung umfasst,– zwei antisymmetrische Ablenker (71, 72) und Lin-sengruppen (73, 74) auf beiden Seiten der Apertur-

blende (23) umfasst, wobei die antisymmetrischenAblenker (71, 72) zur Eliminierung von Aberrationendurch die Strahlablenkung in den Linsengruppen (73,74) der Choppereinrichtung (70) eingerichtet sind,und/oder– in die Retardierungsoptik (14) integriert oder an de-ren Ausgang angeordnet ist.

13.  Verfahren zur Erfassung einer Impulsverteilungeines Ensembles (1) geladener Teilchen aus eineruntersuchten Probe (2), mit den Schritten:– Erzeugung eines Impulsbildes (3) der Teilchen miteiner Objektivlinseneinrichtung (11) einer elektronen-optischen Abbildungseinrichtung (10), wobei das Im-pulsbild (3) in einer reziproken Ebene der Objektiv-linseneinrichtung (11) die x- und y-Komponenten derImpulsvektoren der Teilchen senkrecht zu einer elek-tronenoptischen Achse (OA) der elektronenoptischenAbbildungseinrichtung (10) umfasst,– energieaufgelöste Abbildung des Ensembles (1) miteinem Energieanalysator,– Aufnahme des Impulsbildes des Ensembles (1) miteiner Detektoreinrichtung (30), wobei die x- und y-Komponenten der Impulsvektoren der Teilchen durchKoordinaten der Teilchen im Impulsbild erfasst wer-den,dadurch gekennzeichnet, dass– der Energieanalysator eine Drifteinrichtung (20)umfasst, die von den Teilchen des Ensembles (1) miteiner Flugzeit durchlaufen wird, die von der z-Kom-ponente der Impulsvektoren der Teilchen parallel zurelektronenoptischen Achse (OA) abhängt, und– das Impulsbild des Ensembles (1) mit der Detek-toreinrichtung (30) mit Zeitauflösung aufgenommenwird, wobei die z-Komponenten der Impulsvektorender geladenen Teilchen durch die Flugzeit in der Drift-einrichtung (20) erfasst werden.

14.  Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem– das Ensemble (1) mit einer Retardierungsoptik (14)abgebremst und bezüglich seiner Bildvergrößerungund Impulsbild-Skalierung angepasst wird.

15.  Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis14, bei dem– zur Steigerung der Impulsauflösung die Größe desQuellvolumens auf der Probe (2) durch eine variableund senkrecht zur elektronenoptischen Achse (OA)justierbare Blende (13) in einem Gauß'schen Zwi-schenbild entlang der optischen Achse (OA) begrenztund definiert wird.

16.  Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis15, mit dem Schritt– spinabhängige Abbildung des Ensembles (1) miteiner abbildenden, verstellbaren Spinfiltereinrichtung(40).

17.  Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem

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– durch Variation eines Kristallorientierungswinkels α(Rotation um den einfallenden Strahl) die Quantisie-rungsrichtung der Spinfilterung verändert wird und/oder durch Variation eines Azimutalwinkels Φ (Rotati-on um die Oberflächennormale des Spinfilterkristalls)der Kontrast der Spinfilterung verändert wird.

18.  Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis17, mit den Schritten– Modulation eines kontinuierlichen Ensembles (1)entsprechend einer vorbestimmten Zeitstruktur miteiner Choppereinrichtung (70), und– zeitaufgelöste Aufnahme des Impulsbildes des En-sembles (1) nach Durchlaufen der Drifteinrichtung(20).

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Bibliographische DatenBeschreibungAnsprücheZeichnungen