轴向对准组件和包含此类对准组件的带电粒子显微镜的制作方法

1.本发明涉及一种轴向对准组件，所述轴向对准组件包含具有第一轴向对准轴线的第一主体和具有第二轴向对准轴线的第二主体，并且其中所述轴向对准组件被布置成用于将所述第一轴向对准轴线和第二轴向对准轴线基本上彼此对准。
2.本发明还涉及一种包含此类轴向对准组件的带电粒子显微镜。


背景技术：

3.带电粒子显微法，特别是呈电子显微法的形式是众所周知且日益重要的微观物体成像技术。从历史上看，电子显微镜的基本类已演变成许多众所周知的装置种类，如透射电子显微镜（tem）、扫描电子显微镜（sem）和扫描透射电子显微镜（stem），并且还演变成各种亚种，如所谓的“双波束”装置（例如fib
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sem），其附加地采用“加工”聚焦离子波束（fib），允许支持活动，如例如离子波束研磨或离子波束诱导沉积（ibid）。技术人员将熟悉不同类型的带电粒子显微法。
4.在sem中，扫描电子束对样品的辐照促进“辅助”辐射以二次电子、背散射电子、x射线和阴极发光（红外、可见光和/或紫外光子）的形式从样品发出。可检测此发出辐射的一个或多个分量且将其用于样品分析。
5.在tem中，电子束透射穿过样品以在电子束透射穿过样品时通过电子与样品的相互作用形成图像。然后将图像放大并聚焦到成像装置上，所述成像装置例如荧光屏、照相胶片层或传感器，例如连接到电荷耦合装置（ccd）的闪烁器。闪烁器将显微镜中的原电子变换为光子，使得ccd能够检测其。
6.带电粒子显微镜包含需要相对于公共轴向对准轴线精确对准的多个模块。这种公共轴向对准轴线通常是电子光学轴线。需要精确对准的模块包括光学模块，例如电磁透镜，特别是这些电磁透镜的极片。用于对准上极片和下极片所需的公差例如可以是1 μm的数量级。在其它机械系统中有时也需要这些严格的公差。


技术实现要素：

7.本公开的目的是提供一种轴向对准组件，其提供这些所需的公差，或者至少改进现有的轴向对准组件。特别地，本发明的目的是通过结合此类轴向对准组件来提供改进的带电粒子显微镜。
8.为此，提供了如权利要求1所限定的轴向对准组件。
9.如本文所限定的轴向对准组件包含第一主体，所述第一主体包含基本上圆柱形外护套。第一主体包含第一对准轴线。第一对准轴线通常对应于由所述圆柱形外护套限定的圆柱体的纵向轴线。第一主体例如可以是带电粒子显微镜的光学模块，例如电磁透镜的极片。第一主体可以包含相对于第一对准轴线居中的中空孔。当然也可以想到第一主体的其它实施例。
10.如本文所限定的，轴向对准组件包含第二主体，所述第二主体包含基本上圆柱形
内护套。第二主体包含第二对准轴线。第二对准轴线通常对应于由所述圆柱形内护套限定的（虚拟）圆柱体的纵向轴线。所述第二主体相对于所述第一主体定位成使得所述第一主体的所述内护套面向所述第二主体的所述外护套。换句话说，第一主体至少部分地位于由所述虚拟圆柱体限定的圆柱形间隙内。第一主体的大小和尺寸以及圆柱形间隙的尺寸和大小使得在所述内护套与所述外护套之间形成环形凹部。因此，在所述内护套与所述外护套之间形成基本上环形凹部。所述凹部可以具有至少几十毫米，或甚至几十微米的标称宽度。
11.如本文所限定的轴向对准组件还包含位于所述环形凹部内的多个弹性元件。这些弹性元件原则上可以具有任何几何形状，只要这些弹性元件的至少一个尺寸超过环形凹部的标称大小。在实际的实施例中，弹性元件基本上是球形的，其中球形弹性元件的直径超过环形凹部的标称大小，即内护套与外护套之间的距离。如本文所限定的，多个弹性元件中的每一个与所述第一主体的所述外护套和所述第二主体的所述内护套接触。弹性元件向所述外护套和所述内护套施加力，并且由于该力，第一对准轴线和所述第二对准轴线被对准，从而使第一主体与第二主体对准。
12.在由外圆柱形护套和内圆柱形护套形成的环形凹部中使用弹性元件确保了两个主体的良好对中，即轴向对准，尽管在两个主体和弹性元件中可能出现大的尺寸和几何形状偏差。
13.注意，使用塑料球的轴向对准组件可从申请人nl10257037c中获知。在本公开中，需要对准的两个主体设置有对应的v形环形槽。两个主体以这样的方式彼此相对，即两个主体的v形环形槽形成具有四个邻接表面的基本上矩形的环形槽。通过将塑料球设置在槽中并且使用例如夹紧力将两个主体朝向彼此按压，球形球与环形槽的四个邻接表面中的每一个接触，并且确保两个主体的轴向对准。
14.这种已知的轴向对准组件的缺点之一是这种v型槽设计需要将两个主体“拉在一起”。两个主体需要彼此固定，并且塑料球需要挤压到四个邻接表面上，以便对准组件能够工作。使球变形的夹紧力相当大。减小夹紧力的一种选择是使用“较软的”球，即可以更容易压缩的球，但是这具有负面的副作用，即它也减小了用于对准两个主体的力。
15.在如本文所限定的轴向对准组件中，使用外护套和内护套来形成其中设置有弹性元件的环形凹部。这具有优于nl10257037c中所描述的对准组件的优点，因为根据本发明的轴向对准组件不需要存在四个邻接表面，并且不需要使用轴向夹紧力。由此，提供了一种改进的轴向对准组件，其另外能够提供大约1 μm的公差。由此，实现了本发明的目标。
16.下面将描述其它有利的实施例。
17.在实施例中，弹性元件包含基本上球形的元件。通过使用球形元件，减轻了以正确方式定向弹性元件的需要，特别是在球形弹性元件具有基本上各向同性的弹性特性的情况下。可以生产具有良好尺寸公差的球形元件。另外，球形元件的使用允许弹性元件在环形凹部内滚动，导致弹性元件上的最小（低至零）切向残余力，这有助于轴向对准特性。
18.在实施例中，弹性元件的尺寸和数量与第一主体的外护套的直径相适应。优选地，弹性元件的数量尽可能高，但是弹性元件的尺寸不应该太小，因为这增加了所有部件（第一主体、第二主体和弹性元件）所需的公差。弹性元件的尺寸可以在第一主体的半径的1%到10%的范围内，并且优选为大约5%。此比率确保了大约125个弹性元件可以围绕第一主体的外圆柱形护套装配。作为实例，第一主体可以具有大约100 mm的半径，并且总共120个球形
弹性元件具有大约4 mm的直径。在这种情况下，该比率为（4/100=）4%。
19.在实施例中，螺旋弹簧设置有构成弹性元件的绕组。由于需要安装更少的部件，螺旋弹簧可以提供更容易地组装轴向对准组件的方式。
20.在实施例中，弹性元件由塑料材料构成，例如聚甲醛。作为替代，也可以使用橡胶元件。
21.在实施例中，第一主体具有第一邻接表面，并且第二主体具有第二邻接表面，所述第二邻接表面在轴向对准组件的连接状态下连接到所述第一邻接表面。第一邻接表面包含可以基本上平行于第一对准轴线定向的法线。第二邻接表面包含可以基本上平行于第二对准轴线定向的法线。第一主体的法线和第二主体的法线指向相反的方向。
22.在实施例中，第一邻接表面和第二邻接表面中的至少一个具有与平行于所述第一对准轴线和/或第二对准轴线的部件正交的表面。第一邻接表面可以相对于第一主体的外圆柱形护套基本上正交。第二邻接表面可以基本上正交于圆柱形内护套。因此，第一邻接表面和第二邻接表面中的至少一个相对于外护套和/或内护套正交地定位。
23.在实施例中，轴向对准组件包含用于固持多个弹性元件的固持器。固持器可以设置在形成于外圆柱形护套和内圆柱形护套之间的凹部中。固持器能够有效地制造轴向组件，因为它允许预制造具有多个弹性元件的固持器。然后可以将具有弹性元件的固持器插入第一主体与第二主体之间。作为替代，固持器可以邻近第二主体的内圆柱形护套放置，并且第一主体可以定位到适当位置。
24.在实施例中，固持器包含用于特别是在平行于所述对准轴线的方向上包围所述弹性元件的保持架。
25.根据方面，提供了一种带电粒子显微镜，其包含如本文所限定的轴向对准组件。
26.在实施例中，所述第一主体是透镜的极片。
27.根据方面，提供了一种轴向对准第一主体和第二主体的方法，其中所述方法包含以下步骤：
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提供第一主体，所述第一主体包含基本上圆柱形外护套，并且具有第一对准轴线；
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提供第二主体，所述第二主体包含基本上圆柱形内护套，并且具有第二对准轴线；以及
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提供多个弹性元件；其中所述方法进一步包含以下步骤：
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将所述第二主体相对于所述第一主体定位成使得所述内护套面向所述外护套并且在所述内护套与所述外护套之间形成基本上环形凹部；以及
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将所述多个弹性元件定位在所述环形凹部中，使得每个弹性元件与所述第一主体的所述外护套和所述第二主体的所述内护套接触，并且将力施加到所述外护套和所述内护套上，以对准所述第一对准轴线和所述第二对准轴线。
28.注意，如本文所限定的方法步骤可以以各种方式进行置换。上述步骤不必按所述顺序执行。第一主体、第二主体和弹性元件的定位可以包括：
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首先定位第一主体，然后定位第二主体，并且最后定位弹性元件；
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首先定位第一主体，然后定位弹性元件，并且最后定位第二主体；
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首先定位第二主体，然后定位第一主体，并且最后定位弹性元件；
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首先定位第二主体，然后定位弹性元件，并且最后定位第一主体；
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首先定位弹性元件，然后定位第一主体，并且最后定位第二主体；
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首先定位弹性元件，然后定位第二主体，并且最后定位第一主体；在实施例中，所述方法包含以下步骤：提供用于固持所述多个弹性元件的固持器，以及将所述多个弹性元件定位在所述固持器中。如前所述，提供固持器的步骤可以以多种方式进行。例如，在固持器和弹性元件的组合与第一主体或第二主体中的任一个接触之前，多个弹性元件被定位在所述固持器中。
29.在实施例中，所述多个弹性元件首先与外护套和内护套中的一个接触，并且随后与外护套和内护套中的另一个接触。
30.在实施例中，所述方法可以包含以下步骤：在大体上平行于所述第一对准轴线和所述第二对准轴线的方向上相对于所述第二主体移动所述第一主体。
附图说明
31.现在将基于示例性实施例和所附示意图更详细地阐明本发明，其中：图1
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示出根据本发明的第一实施例的带电粒子显微镜的纵向剖视图；图2
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示出根据本发明的第二实施例的带电粒子显微镜的纵向剖视图；图3是穿过如本文所限定的轴向组件的第一主体和第二主体的纵向截面图；图4a
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通过如本文所限定的轴向组件的纵向截面图；图4b
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图4a的轴向组件的特写图；图5
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如本文所限定的轴向组件的实施例；图6
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如本文所限定的轴向组件的另一实施例，特别是用于带电粒子显微镜。
具体实施方式
32.图1（未按比例）为根据本发明的实施例的带电粒子显微镜m的实施例的高度示意性描绘。更具体地，它示出透射型显微镜m的一个实施例，其在此情况下为tem/stem（尽管，在本发明的上下文中，它可能只是有效地为sem（见图2），或例如基于离子的显微镜）。在图1中，在真空外壳2内，电子源4产生电子射束b，电子射束b沿电子光学轴线b'传播并穿过电子光学照明器6，从而用于将电子引导/聚焦到标本s的选定部分上（其可例如（局部地）薄化/平面化）。还描绘了偏转器8，其（尤其）可用来实现波束b的扫描运动。
33.样品s被固持在样品固持器h上，所述固持器可由定位装置/台a以多个自由度定位，所述定位装置/台移动其中（可拆卸地）附着有固持器h的托架a'；例如，样品固持器h可包含（尤其）可在xy平面中移动的手指（参见所描绘的笛卡尔坐标系；通常情况下，平行于z的运动和关于x/y的倾斜也为可能的）。这类移动允许样品s的不同部分被（在z方向上）沿轴线b'行进的电子波束b照明/成像/检查（和/或允许执行扫描运动，以作为波束扫描的替代）。如果需要，可将（未描绘的）任选的冷却装置与样品固持器h进行密切的热接触，以便例如将它（以及其上的样品s）维持在低温下。
34.电子波束b将以一定方式与样品s相互作用，所述方式使得各种类型的“受激”辐射从样品s发出，包含（例如）二次电子、背散射电子、x射线和光学辐射（阴极发光）。如果需要，
可借助于分析装置22检测这些辐射类型中的一种或多种，所述分析装置可为例如组合的闪烁体/光电倍增管或edx或eds（能量分散x射线光谱仪）模块；在这种情况下，可使用与sem中基本相同的原理构建图像。然而，替代地或补充地，可研究穿过（通过）样品s，从其离开/发出并继续沿轴线b'传播（基本上，尽管通常具有一定偏转/散射）的电子。这类透射电子通量进入成像系统（投影透镜）24，所述系统通常包括各种静电/磁透镜、偏转器、校正器（如消象散器）等。在正常（非扫描）tem模式下，此成像系统24可将透射电子通量聚焦到荧光屏26上，如果需要，所述荧光屏可缩回/撤回（如箭头26'示意性所示），从而使其远离轴线b'。样品s的（一部分）的图像（或衍射图）将由屏幕26上的成像系统24形成，并且这可通过位于壳体2的壁的适当部分中的观察端口28来查看。屏幕26的缩回机制可例如本质上为机械和/或电气的，且在此处未描绘。
35.作为在屏幕26上观察图像的替代，可反而利用以下事实：离开成像系统24的电子通量的聚焦深度通常很大（例如，约1米）。因此，可在屏幕26的下游使用各种其它类型的分析装置，如：
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tem相机30。在相机30处，电子通量可以形成静态图像（或衍射图），其可以由控制器/处理器20处理并且显示在显示装置14，例如平板显示器上。当不需要时，相机30可以缩回/撤回（如箭头30'示意性地指示），以使其脱离轴线b'。
36.‑ꢀ
stem相机32。来自相机32的输出可被记录为标本s上的射束b的（x,y）扫描位置的函数，并且可构建图像，所述图像为作为x,y函数的来自相机32的输出的“映射”。相机32可包含直径为例如20 mm的单个像素，与相机30中特征性地存在的像素矩阵相反。此外，相机32的采集速率（例如每秒106个点）通常比相机30（例如每秒102个图像）高得多。再次，当不需要时，相机32可缩回/撤回（如箭头32'示意性所示），以使其脱离轴线b'（但在例如面包圈形环形暗场相机32的情况下这类缩回不为必需的；在这类相机中，当不使用相机时，中心孔将允许通量通过）。
37.‑ꢀ
作为使用相机30或32成像的替代，也可调用分光镜装置34，所述分光镜装置可为例如eels模块。
38.应当注意，物品30、32和34的顺序/位置并不严格，并且可想到许多可能的变化。举例来说，分光镜装置34也可集成到成像系统24中。
39.在所示的实施例中，显微镜m还包括可伸缩的x射线计算机断层扫描（ct）模块，通常由附图标记40表示。在计算机断层扫描（也称为断层扫描成像）中，源和（径向相对的）检测器用来沿不同的视线观察样品，以便从各种角度获取样品的穿透性观察。
40.注意，控制器（计算机处理器）20经由控制线（总线）20'连接到各种图示的组件。此控制器20可提供多种功能，如同步动作、提供设定点、处理信号、执行计算以及在显示装置（未描绘）上显示消息/信息。不用说，（示意性地描绘的）控制器20可（部分地）在外壳2的内部或外部，并且可根据需要具有整体或复合结构。
41.本领域技术人员将理解，壳体2的内部不必保持在严格的真空下；例如，在所谓的“环境tem/stem”中，有意地将给定气体的本底大气引入/维持在壳体2内。熟练的技术人员还将理解，在实践中，如此可能是有利的：限制外壳2的体积以使其在可能的情况下基本上围绕轴b'，采用所用电子束通过其中的小管（例如，直径为1 cm数量级）的形式，但是加宽以容纳例如源4、样品固持器h、屏幕26、相机30、相机32、光谱设备34等结构。
42.现在参考图2，示出了根据本发明的设备的另一实施例。图2（未按比例）为根据本发明的带电粒子显微镜m的高度示意性描绘；更确切地说，其示出了非透射型显微镜m的实施例，其在此情况下为sem（尽管，在本发明的上下文中，其可能只是有效地例如为基于离子的显微镜）。在图中，与图1中的物品对应的部分使用相同的附图标记指示，并且在此不再单独论述。附加到图1中的（尤其）为以下部件：
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2a真空端口，其可被打开以引入物品（组件、标本）到真空室2的内部/从真空室2的内部移除物品（组件、标本），或例如辅助设备/模块可安装在其上。如果需要，显微镜m可包含多个这类端口2a；
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10a、10b：示意性地描绘了照明器6中的透镜/光学元件；
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12：电压源，如果需要，允许样品固持器h或至少样品s偏置（浮动）到相对于地面的电位；
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14：显示器，如fpd或crt；
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22a、22b：分段电子检测器22a，其包括围绕中心孔22b（允许波束b通过）设置的多个独立检测段（例如象限）。此类检测器可例如用于研究从样品s出射的电子的输出（二次或背向散射）通量（的角相依性）。
43.图1和图2所示的带电粒子显微镜的若干部件需要轴向对准。但是通常，可能要求两个或更多个部件需要轴向对准。为此，本公开提供了一种轴向对准组件。
44.现在转向图3，示出了具有第一轴向对准轴线a1的第一基本上圆柱形主体101和具有第二轴向对准轴线a2的第二基本上圆柱形主体201的组件100。注意，第一主体101和第二主体201不一定必须是圆柱形。如本文所限定的，第一主体101包含基本上圆柱形外护套103，并且具有第一对准轴线a1。如图3所示，第一主体101可以具有中心孔104，尽管根据本公开内容，也可以想到基本上实心的第一主体。如本文所限定的第二主体201包含基本上圆柱形内护套203，并且具有第二对准轴线a2。在所示实施例中，第二主体201具有朝向第二对准轴线a2延伸的环形突起202。此环形突起202允许第一主体101搁置在第二主体201的突出上，如将关于图4b更详细地解释的。仍参考图3，可以看出，第二主体201相对于所述第一主体101定位成使得所述内护套203面向所述外护套103。在所述内护套103与所述外护套203之间形成基本上环形凹部401。在图3中可以看出，第一轴线a1相对于第二轴线a2未对准。环形凹部的尺寸在图3的右手侧较小；并且在图3的左手侧稍宽。这两个主体的对准提出了挑战。
45.现在转向图4a，可以看出，通过提供位于所述环形凹部401内的多个弹性元件301、302，第一主体101和第二主体201可以相对于它们的对准轴线a1、a2对准。多个弹性元件301、302中的每一个与所述第一主体101的所述外护套103和所述第二主体201的所述内护套203接触。弹性元件301、302以及第一主体101和第二主体201成形为使得弹性元件301、302中的每一个将力施加到所述外护套103和所述内护套203上，用于对准所述第一对准轴线a1和所述第二对准轴线a2。
46.可以看出，在如图3所示的未对准状态下，环形凹部401在图的右手侧较小。环形凹部401在图的左手侧较大。通过在环形凹部401内设置多个弹性元件301、302，其中弹性元件301、302具有基本上相同的标称尺寸，位于凹部401的窄部分中的弹性元件302将被压缩到比位于凹部401的较宽部分中的弹性元件301更大的程度。由于较大的压缩，与凹部401的较
宽部分中的弹性元件301相比，凹部401的较窄部分中的弹性元件302将更大的力施加到圆柱形护套103、203上。所产生的力将在朝向较宽部分的方向上推动第一主体101远离第二主体201。因此，凹部的较窄部分将变得较宽，并且较宽部分将变得较窄。这种力的平衡将继续，直到第一主体101的对准轴线a1基本上与第二主体201的对准轴线a2对准，并且对准轴线重合成单个对准轴线a（如图4a所示）。
47.图4b示出了如图4a中所示的轴向对准组件100的细节。在此可以看出，第一主体101具有第一邻接表面105，并且第二主体201具有第二邻接表面205。第一邻接表面105和第二邻接表面205大体上彼此平行。第一邻接表面105和第二邻接表面205大体上相对于第一主体101和第二主体201的对应内护套103/外护套203正交。在图4b中可以看出，如本文所限定的轴向对准组件不需要在第一主体101和第二主体201上施加轴向压缩力。轴向对准力由外护套103、内护套203和弹性元件301的尺寸确定。
48.应当注意，如本文所限定的轴向对准组件100是相对于圆柱形主体和环形凹部来说明的。注意，在如本文所限定的轴向对准组件中可应用其它旋转对称级代替圆柱形主体。例如，三角形、正方形、多边形和其它形状在本公开的范围内，并且被认为是上述圆柱形主体的等同物。在这些情况下，可以使用球形弹性元件。申请人保留对这些方面提交一个或多个分案的权利。
49.还要注意，实施例公开了球形弹性元件的使用。这些是有利的，因为它们不需要为了元件工作而以特定方式对准。然而，也可以想到其它形状。
50.在图4b中，注意，邻接表面105、205可以直接接触。作为替代，可以在第一主体101与第二主体201之间将密封元件（未示出）设置成使得第一主体101的邻接表面105与密封元件的第一侧接触，并且第二主体201的邻接表面205与密封元件的另一第二侧接触。密封元件可以相对较薄，并且可以确保组件的内部部分（位于更靠近中心轴线a处）与位于第一主体的径向外侧的部分之间的压力密封。在实施例中，密封元件可以由橡胶制成。在另一个实施例中，密封元件可以由金属制成。这在期望轴向对准组件的内部部分（即，靠近中心轴线a定位的空间）具有非常低的压力（例如（近）真空）的情况下是有利的。因此，金属密封元件能够在如本文所限定的轴向对准组件中提供真空密封。这在用于带电粒子显微镜时是有利的，这将随后解释。
51.现在转到图5，示出了轴向对准组件100的替代实施例。注意，使用相应的附图标记来标识相应的元件。相对于图4a所示的轴向对准组件的主要区别是使用固持器311将弹性元件301、302固持在适当位置。固持器311可以在组装两个主体101、201之前通过将弹性元件301、302添加到固持器311来制备。固持器311可以是用于固持球形弹性元件301、302的保持架。固持器311的其它实施例也是可以想到的。
52.图6示出了带电粒子显微镜的一部分的实施例，其使用如本文所限定的组件来对准总共三个主体1101、1102、201。这里，最重要的对准被认为是上主体1101和下主体1102的对准。在图6所示的实施例中，上主体1101和下主体1102分别是用于带电粒子显微镜（例如图1或图2所示的带电粒子显微镜）的透镜的上极片1101和下极片1102。如本文所限定的轴向对准组件100提供了对准tem的上物镜极1101和下物镜极1102的优良方式。
53.所需的上物镜极片和下物镜极片的对准为1 μm的数量级，这可通过如图6所示的轴向对准组件实现。这里，通过在上环形凹部中使用球形弹性元件301，上主体1101相对于
外主体201轴向对准；并且通过在下环形凹部中使用球形弹性元件401，下主体1102相对于外主体201轴向对准。这导致上主体1101也与下主体1102轴向对准。弹性元件301、401可以设置在相应的固持器311、411中，例如保持架，如图6所示。
54.在如本文所限定的轴向对准组件上进行的测量表明，可以相对容易的方式实现几微米的同心度。
55.如前所述，如本文所限定的轴向对准组件可用于提供超高真空（uhv）样品室。为了实现uhv，通常认为需要金属密封且可能需要烘烤。从现有技术中已知的轴向对准组件要求两个主体被迫朝向彼此以便能够进行轴向对准。使用金属密封将显著增加获得所需轴向对准所需的轴向压缩力。相反，如本文所限定的轴向对准组件不需要使用轴向力来获得轴向对准，并且因此允许使用金属密封。使用如本文所限定的轴向对准组件，例如在圆柱形间隙中具有球阵列的轴向对准组件将不妨碍例如极片1101、1102与“内物镜块”201之间的金属密封的压缩。由此，可以获得带电粒子显微镜中的uhv样品室。
56.上面已经描述了本发明的实施例。期望的保护由所附权利要求书限定。