Institut fuer Angewandte Physik
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Das fourierspektroskopische Verfahren zur Messung von Spektralverteilungen ist für elektromagnetische Strahlung seit Anfang des Jahrhunderts bekannt, konnte jedoch, in Ermangelung einer optischen Komponente zur Longitudinalverschiebung vom Materiewellenpaketen, nicht auf Teilchenstrahlen angewendet werden. Nachdem Möllenstedt und Wohland 1979 zeigten, daß mittels eines Wienfilters Elektronenwellenpakete longitudinal gegeneinander verschoben werden können, haben Hasselbach und Schäfer in einem Modellexperiment die Methode zur Fourierspektroskopie mit Elektronenwellen verfeinert. Während es bei diesem Experiment darum ging, prinzipiell erstmals zu zeigen, daß das neue Verfahren Fourierspektroskopie geladener Teilchen möglich macht, demonstriert die vorliegende Arbeit dessen praktische Anwendbarkeit und sein Potential im Hinblick auf die erreichbare Energieauflösung. Fourierspektroskopie beruht darauf den Konstrastverlauf in einem Interferenzfeld quantitativ aufzunehmen, in einen Rechner einzulesen und durch Fourieranalyse das Spektrum zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe eines Elektronenbiprismas zwei kohärente Wellenpakete erzeugt und im Wienfilter kontinuierlich gegeneinander verschoben. Die Einzelbilder des Intensitätsverlauf des bei der Überlagerung der beiden Wellenpakete zu beobachtenden Interferenzfeldes wird mit einer CCD-Kamera aufgenommen, zum Gesamtinterferenzfeld zusammengesetzt, fouriertransformiert und hieraus die Energiebreite der Elektronenquelle bestimmt. In der Elektroneninterferometrie besteht ein Gesamtinterferenzfeld aus, je nach Energiebreite, 10 000 - 100 000 Interferenzstreifen. Während Schäfer zur Datenaufnahme und Analyse eines Spektrums über 10 Stunden benötigte konnte durch Automatisierung, insbesondere der Datenaufnahme, die Experimentierzeit auf ca. 90 Minuten herabgesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit musste zunächst ein in Einzelbausteinen vorhandenes miniaturisiertes Interferometer wieder in Betrieb genommen werden. Die dabei, infolge von Störeinstrahlung und Erdschleifen, auftretenden Schwierigkeiten und ihre Lösungen wurden in einem Kapitel über die Funktionsfähigkeit der Apparatur im elektromagnetischen Umfeld beschrieben. Neben experimentellen Details werden die theoretischen Grundlagen der Elektronenoptik des Interferometers, des Wienfilters und der Fourieranalyse des Interferenzstreifenkontrastes ausführlich dargelegt. Der Umbau der vorhandenen Zeilenkamera von 8- auf 12-bit Speichertiefe und die entwickelte Software wird in eigenen Kapiteln beschrieben.\\ Für die Automatisierung des Experiments wurde unter anderem das bisherige Aufnahmeverfahren, bei dem eine CCD-Kamera mit 512 x 512 Pixeln über eine Faseroptik direkt an den Bildverstärker gekoppelt war, modifiziert. Um die Intensitätskurve zu glätten und um mehr Intensität zu gewinnen, wurde über alle in einer Pixelspalte des zweidimensionalen CCD-Sensors angesammelten Werte aufsummiert. Im neuen Aufnahmeverfahren bei dem eine CCD-Zeilenkamera mit 1740 Pixeln verwendet wurde, erfolgt die Integration der Intensität in Richtung der Interferenzstreifen lichtoptisch durch Einsatz einer Zylinderlinse. Zur Realisierung wurde eine mikrooptische Bank gebaut, auf der die zur Abbildung nötige Zylinderlinse und Rundlinse sowie der CCD-Zeilensensor zueinander justiert werden können. Als Anwendung des automatisierten Verfahrens wurde die Halbwertsbreite der Energieverteilung feldemittierter Elektronen einer 100 orientierten Wolframkathode gemessenen. Die Energiebreite, bei einer Saugspannung von 2,4kV, betrug Delta E = (0.334 pm 0.022)eV. Die Fehlergrenzen des neuen Verfahrens sind vergleichbar mit denen der besten Elektronenspektrometer.
N. Wiener wrote in 1961 about Fourier-spectroscopy: ``It is indeed the most accurate type of spectrometer known to us'' (Wiener N.: Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine (M.I.T. Press, Cambridge 1961). To realize this very promising spectroscopic method also for matter waves was out of reach until recently due to the lack of a phase- or wave packet shifting device for matter waves. In 1979, Möllenstedt and Wohland (G. Möllenstedt, G. Wohland, Electron Microscopy 1980, P. Bredoro, G. Boom eds., Vol. 1, pp. 28-29). discovered in a Wien filter's crossed electric and magnetic fields such a device and measured the coherence length of electron waves for the first time. Subsequently we developed their method into a precision method (I. Daberkow, H. Gauch, F. Hasselbach, Joint Meeting on Electron Microscopy (Antwerpen 1983), Abstract No. 104, p 100). and only recently were successful in refining it to high resolution Fourier-spectroscopy of electron waves. The state of the art of the new spectrometric method that has been reached recently is to measure the energy width of an electron field emitter with an accuracy of about 30 meV. Ingredients of the novel spectrometer (F. Hasselbach, A. Schäfer, German Patent DE 40 24 624 A1.) are, an electron optical biprism as a beam splitter, a Wien filter, a CCD-camera for quantitative registration of the interference fringes and an on line computer for their quantitative evalutation. To implement the new spectroscopy in a conventional electron microscope the electron optical biprism may be inserted instead of the selective area aperture. Apart from an electron optically very uncomplicated Wien filter, all other components are standard accessories of modern analytical electron microscopes. To Fourier-spectroscopy a bright future also in electron- and charged particle spectroscopy can be predicted.
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