DE102007043799B4

DE102007043799B4 - Verfahren zum koinzidenten Nachweisen geladener Teilchen entgegengesetzen Vorzeichens aus Oberflächen

Info

Publication number: DE102007043799B4
Application number: DE102007043799.6A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Schmidt-Böcking Horst; Dr. Jagutzki Ottmar
Original assignee: ROENTDEK-HANDELS GmbH; Roentdek Handels GmbH
Current assignee: ROENTDEK-HANDELS GmbH; Roentdek Handels GmbH
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: DE102007043799A1

Abstract

Verfahren zum koinzidenten Nachweisen von geladenen Teilchen mit unterschiedlichem Ladungsvorzeichen, umfassend die Verfahrensschritte: – Richten eines Projektilstrahls (11) aus Teilchen oder elektromagnetischer Strahlung auf ein Target (1) aus kondensierter Materie, so dass aus der Wechselwirkung zwischen dem Projektilstrahl (11) und dem Target (1) Teilchen unterschiedlichen Ladungsvorzeichens freigesetzt werden, – Bereitstellen eines Beschleunigungsbereichs (33) umfassend einen ersten Bereich (7) und einen zweiten Bereich (8), – gezieltes, zumindest abschnittsweises, Beschleunigen der freigesetzten Teilchen einer zweiten Ladung in einem ersten elektrischen Feld (17) in Richtung auf einen Detektor (6), so dass diese auf dem Detektor (6) nachgewiesen werden können, und gezieltes, zumindest abschnittsweises, Beschleunigen der freigesetzten Teilchen einer ersten Ladung, mit einem gegenüber der zweiten Ladung entgegengesetzten Vorzeichen, in einem, dem ersten elektrischen Feld (17) entgegengesetzten, zweiten elektrischen Feld (18) in Richtung auf den Detektor (6), so dass diese auf dem Detektor (6) nachgewiesen werden können, derart, dass – die Teilchen erster Ladung in dem zweiten Bereich (8) für ein Zeitintervall T1 in dem zweiten elektrischen Feld (18) in Richtung auf den Detektor (6) beschleunigt werden, – und die Teilchen zweiter Ladung für ein Zeitintervall T2 in dem ersten elektrischen Feld (17) in Richtung auf den Detektor (6) beschleunigt werden, – Nachweisen der Teilchen erster Ladung und der Teilchen zweiter Ladung auf dem Detektor (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Impulsspektrometer und ein Verfahren und zum Nachweisen von geladenen Teilchen entgegengesetzen Vorzeichens aus Oberflächen, insbesondere von Elektronen und Ionen.
Hintergrund der Erfindung
Die Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit gasförmiger oder kondensierter Materie führt unter anderem zur Emission von Elektronen und/oder Ionen. Zur Untersuchung dynamischer Prozesse in atomaren und/oder molekularen Systemen, bei denen ein Projektilstrahl auf ein gasförmiges Target geschossen wird, wurde die COLTRIMS-Technik (COld Target Recoil Ions Momentum Spectroscopy) entwickelt (z. B. R. Dörner et al., Phys. Rev. Lett. 72 (1994) 3166). Der Kreuzungspunkt von Projektilstrahl und Target befindet sich in einem wohl definierten elektrostatischen Feld. Die in dem Stoß von Projektil und Target emittierten geladenen Teilchen, insbesondere die Elektronen und Ionen, werden durch gezielte Beschleunigung in dem elektrischen Feld ihrer Ladung entsprechend auf zwei sich gegenüberliegende 2-dimensionale ortsempfindliche Detektoren gelenkt und nachgewiesen ( DE 19604472 C1 ). Durch die gemessenen Positionen und absoluten Flugzeiten kann die 3-dimensionale Impulsverteilung der einzelnen Ionen bzw. Elektronen rekonstruiert und somit die Stoßkinematik bestimmt werden.
Andererseits sind Massenspektrometer bekannt mit denen aus Festkörpertargets freigesetzte Ionen hinsichtlich ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses separiert und auf einem Detektor nachgewiesen werden können, wie beispielsweise aus der DE 20 2004 003 748 U1 oder WO 97/04 856 A1 bekannt.
Jedoch ist bei einem Target aus kondensierter Materie, wie einem Festkörpertarget, der gleichzeitige Nachweis der negativ geladenen Elektronen und der positiv geladenen Ionen, welche aus der selben Wechselwirkung stammen, aufgrund des entgegengesetzten Vorzeichens der Ladung mit den vorstehend beschriebenen Techniken bis jetzt nicht möglich.
Dabei bietet gerade die Wechselwirkung von Strahlung mit kondensierter Materie, vorzugsweise mit einem Festkörpertarget, eine Vielzahl von interessanten Anwendungen, da es infolge der Energiedeposition zur Oberflächen- und/oder Volumenmodifikation am bzw. im Festkörper kommt. Neben der Materialanalyse kann Strahlung auch als Werkzeug zur gezielten Veränderung physikalischer und chemischer Materialeigenschaften des Festkörpers und/oder seiner Oberfläche und/oder zur Untersuchung von chemischen Reaktionen an Festkörperoberflächen verwendet werden. Typische Anwendungen sind beispielsweise die Lithographie oder die Tumorbekämpfung mittels Schwerionen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung daher zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von Teilchen mit unterschiedlichem Ladungsvorzeichen, wie Elektronen und positiv geladenen Ionen, welche insbesondere aus der Wechselwirkung eines Projektilstrahls mit einer Oberfläche von kondensierter Materie resultieren, bereitzustellen.
Hierbei soll insbesondere auch die Bestimmung der Impulskomponenten der einzelnen Teilchen möglich sein.
Gelöst wird diese Aufgabe bereits durch das Verfahren zum Nachweis von geladenen Teilchen und das Impulsspektrometer zum Bestimmen der Impulse von geladenen Teilchen gemäß den Merkmalen der beiden unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 19. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum koinzidenten Nachweisen von geladenen Teilchen mit unterschiedlichem Ladungsvorzeichen, umfassend die Verfahrensschritte:

– Richten eines Projektilstrahls aus Teilchen oder elektromagnetischer Strahlung auf ein Target aus kondensierter Materie, so dass aus der Wechselwirkung zwischen dem Projektilstrahl und dem Target Teilchen unterschiedlichen Ladungsvorzeichens, insbesondere Elektronen und Ionen, freigesetzt werden,
– Bereitstellen eines Beschleunigungsbereichs umfassend einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich,
– gezieltes, zumindest abschnittsweises, Beschleunigen der freigesetzten Teilchen einer zweiten Ladung in einem ersten elektrischen Feld in Richtung auf einen Detektor, so dass diese auf dem Detektor nachgewiesen werden können, und gezieltes, zumindest abschnittsweises, Beschleunigen der freigesetzten Teilchen einer ersten Ladung, mit einem gegenüber der zweiten Ladung entgegengesetzten Vorzeichen, in einem, dem ersten elektrischen Feld entgegengesetzten, zweiten elektrischen Feld in Richtung auf den Detektor, so dass diese auf dem Detektor nachgewiesen werden können, derart, dass
– die Teilchen erster Ladung, insbesondere die Elektronen, in dem zweiten Bereich für ein Zeitintervall T1 in dem zweiten elektrischen Feld in Richtung auf den Detektor beschleunigt werden,
– und die Teilchen zweiter Ladung, insbesondere die positiv geladenen Ionen, für ein Zeitintervall T2 in dem ersten elektrischen Feld in Richtung auf den Detektor beschleunigt werden,
– Nachweisen der Teilchen erster Ladung und der Teilchen zweiter Ladung auf dem Detektor.

In einer Ausführungsform werden die Teilchen einer ersten Ladung, insbesondere die Elektronen, in dem zweiten Bereich für ein Zeitintervall T1 in dem zweiten elektrischen Feld in Richtung auf den Detektor beschleunigt, während die Teilchen zweiter Ladung, mit dem gegenüber der ersten Ladung entgegengesetzten Vorzeichen, insbesondere die positiv geladenen Ionen, sich noch in dem ersten Bereich befinden.
Die Ladung der Teilchen erster Ladung und die Ladung der Teilchen zweiter Ladung besitzen ein unterschiedliches Vorzeichen. Der Betrag der Ladung der Teilchen erster Ladung und der Teilchen zweiter Ladung kann unterschiedlich sein.
Weiterhin beansprucht die vorliegende Erfindung ein Impulsspektrometer zum Bestimmen der Impulse von geladenen Teilchen mit unterschiedlichem Ladungsvorzeichen, umfassend:

– ein Target aus kondensierter Materie, auf welches ein Projektilstrahl aus Teilchen oder elektromagnetischer Strahlung richtbar ist, so dass aus der Wechselwirkung des Projektilstrahls mit dem Target Teilchen positiver und negativer Ladung, insbesondere Elektronen und Ionen, freigesetzt werden
– einen Detektor zum Nachweis der freigesetzten Teilchen,
– einen Beschleunigungsbereich, welcher einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst, welche hintereinander angeordnet und durch ein parallel zum Target positioniertes erstes Gitter zum Separieren der elektrischen Felder voneinander getrennt sind,
– zumindest eine steuerbare Spannungsversorgung zum Anlegen eines gepulsten ersten elektrischen Feldes zum Beschleunigen der Teilchen positiver oder negativer Ladung in Richtung auf den Detektor und zum Anlegen eines gepulsten zweiten elektrischen Feldes zum Beschleunigen der Teilchen negativer oder positiver Ladung in Richtung auf den Detektor, welches zum ersten elektrischen Feld in entgegengesetzter Richtung verläuft,
– eine Steuereinrichtung, welche, in Ansprechen auf den Zeitpunkt der Wechselwirkung zwischen dem Projektilstrahl und dem Target, ein Triggersignal erzeugt, mit dem die Spannungsversorgung angesteuert wird und
– eine Koinzidenzeinrichtung zum koinzidenten Messen der Flugzeiten und Auftrefforte auf dem Detektor der Teilchen positiver und negativer Ladung.

Das Impulsspektrometer ist insbesondere ausgebildet zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren ist insbesondere ausführbar mittels des erfindungsgemäßen Impulsspektrometers. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren auch ein Verfahren zum Nachweisen von geladenen Teilchen und zum Bestimmen der Impulse der geladenen Teilchen sein.
Unter einem elektrischen Feld, welches die Teilchen in Richtung auf den Detektor beschleunigt, wird ein Feld verstanden, welches parallel oder im wesentlichen parallel zur Längsachse des Spektrometers verläuft.
Unter einem elektrischen Feld, welches im wesentlichen entgegengesetzt oder entgegengesetzt zu einem anderen elektrischen Feld verläuft, wird ein Feld verstanden, welches antiparallel oder im wesentlichen antiparallel zu dem anderen Feld verläuft. Das erste Gitter zum Separieren der elektrischen Felder ist ein elektrisch leitfähiges Gitter. Auch die nachstehend aufgeführten Gitter sind elektrisch leitfähig.
Der Projektilstrahl kann ein Teilchenstrahl, wie ein Elektronenstrahl, ein Ionenstrahl oder ein Neutralstrahl, oder aber eine elektromagnetische Strahlung sein. Da vorliegend die Flugzeiten der einzelnen in der Wechselwirkung emittierten Teilchen oder der Stoßfragmente gemessen werden, wird der jeweilige Projektilstrahl gepulst bereitgestellt, so dass einzelne ”Pakete” auf das Target treffen, in denen jeweils zumindest ein Teilchen bzw. Photon vorhanden ist. Das Auftreffen der einzelnen Pakete oder das Timing der Pulsung des Projektilstrahls wird insbesondere mittels der Steuereinrichtung gesteuert. Hierbei kann das Timing auch zusätzlich durch eine Pulsung der Projektilquelle beeinflusst oder vorgegeben werden. Dies ist zum Beispiel bei elektromagnetischer Strahlung gegeben, welche durch ein Synchroton bereitgestellt wird oder bei Projektilen, die durch ein Zyklotron beschleunigt bereitgestellt werden.
Das Target aus kondensierter Materie weist, im Gegensatz zu einem gasförmigen Target, eine Grenzfläche auf. Das Target ist hierbei vorzugsweise ein Festkörper, kann aber auch als eine Flüssigkeit bereitgestellt werden. Das Target ist vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Target.
Die positiv oder negativ geladenen Teilchen, insbesondere die positiv geladenen Ionen oder negativ geladenen Elektronen, können aus dem Target oder, je nach Art des Projektils, auch aus dem Projektil emittiert werden.
Das gezielte Beschleunigen bezieht sich auf den Betrag der Beschleunigung, so dass neben dem Beschleunigen auch das Verzögern und auch das Driften, mit einer Beschleunigung gleich Null, erfasst sind.
Die Beschleunigung der Teilchen erster, insbesondere negativer, Ladung und die Beschleunigung der Teilchen zweiter, insbesondere positiver, Ladung können zeitlich und/oder räumlich getrennt erfolgen. Die räumliche Trennung bezieht sich auf eine Beschleunigung in unterschiedlichen Bereichen des Spektrometers. Die zeitliche Trennung bezieht sich auf eine Beschleunigung zu unterschiedlichen Zeitpunkten, die jedoch aufeinander abgestimmt sind. Der Zeitpunkt und die Dauer der jeweiligen Beschleunigung wird mittels der Steuereinrichtung gesteuert.
Der Detektor ist ein orts- und zeitauflösender Detektor. Vorzugsweise ist der Detektor ein 2-dimensionaler ortsempfindlicher ”Multi-Hit-Channel-Plate-Detektor” (z. B. US 2002/0014839 A1 ). Der erfindungsgemäße Detektor ist durch seine Konfiguration sowohl zum Nachweis der positiv als auch der negativ geladenen Teilchen ausgebildet. Dies ist beispielsweise dann der Fall wenn die Vorderseite des Detektors auf dem Erdpotential liegt. Das Abbilden der Stoßfragmente erfolgt vorzugsweise nur durch ein Verändern der Parameter des Spektrometers, wie das gezielte Anpassen der elektrischen Absaugfelder der Vorrichtung oder des Spektrometers, und nicht durch ein Verändern der Parameter des Detektors. Der Detektor kann auch aus mehreren kleineren Detektoren oder Detektionseinheiten aufgebaut sein oder mehrere kleinere Detektoren bilden zusammen eine gemeinsame Detektionsfläche für die nachzuweisenden Teilchen.
Der Beschleunigungsbereich setzt sich zumindest aus dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zusammen. Hierbei weist der erste Bereich eine Länge von etwa 1 mm bis etwa 200 mm, bevorzugt von etwa 1 mm bis etwa 30 mm, besonders bevorzugt von etwa 1 mm bis etwa 5 mm auf. Der zweite Bereich besitzt eine Länge von etwa 1 mm bis etwa 200 mm, bevorzugt von etwa 1 mm bis etwa 30 mm, besonders bevorzugt von etwa 1 mm bis etwa 5 mm.
Die Beschleunigung der Teilchen erster Ladung wird dann bereitgestellt, sobald der wesentliche Anteil der Teilchen erster Ladung in den zweiten Bereich eingetreten ist. Unter einem wesentlichen Anteil wird der Anteil der Teilchen erster Ladung verstanden, die hinsichtlich ihrer Impulse im Interesse des Experimentators stehen. Sollen beispielsweise nur die Teilchen erster Ladung mit einer großen Geschwindigkeit detektiert werden, so kann deren Beschleunigung auch schon dann erfolgen, wenn die langsamen Teilchen erster Ladung in den zweiten Bereich noch nicht eingetreten sind.
In einer Ausführungsform wird das erste elektrische Feld zeitgleich mit dem zweiten elektrischen Feld bereitgestellt, so dass die Teilchen erster und zweiter Ladung zeitgleich in unterschiedlichen Bereichen des Beschleunigungsbereiches jeweils in Richtung auf den Detektor beschleunigt werden. Die Teilchen erster Ladung werden somit zusammen mit den Teilchen zweiter Ladung beschleunigt. Sofern sich die Teilchen erster Ladung bereits im zweiten Bereich und die Teilchen zweiter Ladung noch im ersten Bereich befinden, können beide Teilchensorten in Richtung auf den Detektor durch Anlegen eines Spannungspulses entsprechender Polarität an dem ersten Gitter gleichzeitig beschleunigt werden, da dieser für die Teilchen erster Ladung abstoßend und für die Teilchen zweiter Ladung anziehend wirkt. In diesem Fall wären die beiden Zeitintervalle T1 und T2 gleich groß.
Dazu ist die Spannungsversorgung zum Erzeugen des ersten elektrischen Feldes in dem ersten Bereich und des zweiten elektrischen Feldes in dem zweiten Bereich an das erste Gitter angeschlossen. Die Teilchen erster Ladung und die Teilchen zweiter Ladung werden durch Anlegen eines Spannungspulses an einer ersten Elektrode oder dem ersten Gitter, durch welche bzw. welches der erste Bereich von dem zweiten Bereich getrennt ist, beschleunigt. Es erfolgt somit ein zeitgleiches Beschleunigen der beiden Teilchensorten in unterschiedlichen Bereichen, hier in dem ersten und dem zweiten Bereich.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Teilchen erster Ladung durch Anlegen eines ersten Spannungspulses an einer zweiten Elektrode oder einem zweiten Gitter, durch welche bzw. welches der zweite Bereich begrenzt ist, beschleunigt. Dazu ist die Spannungsversorgung zum Erzeugen des zweiten elektrischen Feldes in dem zweiten Bereich an das zweite Gitter, welches den zweiten Bereich begrenzt, angeschlossen.
Die Beschleunigung der Teilchen erster Ladung erfolgt für die Dauer T1, welche im wesentlichen der Breite oder Dauer des ersten Spannungspulses entspricht. Die Beschleunigung der Teilchen erster Ladung für das Zeitintervall T1 erfolgt für eine Dauer von etwa 0,1 ns bis etwa 1000 ns, bevorzugt von etwa 1 ns bis etwa 200 ns, besonders bevorzugt von etwa 10 ns bis etwa 100 ns. Der maximale Betrag des zweiten elektrischen Feldes liegt in einem Bereich von größer als 0 V/cm bis etwa 5000 V/cm, bevorzugt von etwa 5 V/cm bis etwa 1000 V/cm, besonders bevorzugt von etwa 10 V/cm bis etwa 500 V/cm.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Teilchen zweiter Ladung noch in dem ersten Bereich beschleunigt. Die Beschleunigung der Teilchen zweiter Ladung kann auch in der nachstehend beschriebenen Ausführungsform in dem ersten Bereich erfolgen. Hierbei werden die Teilchen zweiter Ladung durch Anlegen eines zweiten Spannungspulses an einer Oberfläche des Targets, durch welche der erste Bereich begrenzt ist, und/oder an einer ersten Elektrode oder einem ersten Gitter, durch welche der erste Bereich begrenzt ist, beschleunigt. Dabei ist der erste Bereich durch eine Oberfläche des Targets und das erste Gitter begrenzt. Die Spannungsversorgung zum Erzeugen des ersten elektrischen Feldes in dem ersten Bereich ist an das Target, welches den ersten Bereich begrenzt, angeschlossen. Die Beschleunigung der Teilchen zweiter Ladung erfolgt für die Dauer T2, welche im wesentlichen der Breite des zweiten Spannungspulses entspricht. Die Beschleunigung der Teilchen erster Ladung und der Teilchen zweiter Ladung kann in dieser Ausführung, da sie in unterschiedlichen Bereichen des Spektrometers erfolgt, zeitgleich oder zeitlich versetzt erfolgen.
Die Dauer der Beschleunigung der Teilchen zweiter Ladung beträgt für das Zeitintervall T2 etwa 0,1 ns bis etwa 1000 ns, bevorzugt etwa 1 ns bis etwa 500 ns, besonders bevorzugt etwa 10 ns bis etwa 200 ns. Die Dauer der Beschleunigung wird durch die Dauer oder Breite des zweiten Spannungspulses bestimmt. Dabei werden die Teilchen zweiter Ladung in einem ersten elektrischen Feld der maximalen Stärke von größer als 0 V/cm bis etwa 5000 V/cm, bevorzugt von etwa 5 V/cm bis etwa 1000 V/cm, besonders bevorzugt von etwa 10 V/cm bis etwa 500 V/cm beschleunigt.
Neben dem Beschleunigen der Teilchen zweiter Ladung in dem ersten Bereich ist jedoch auch die Möglichkeit gegeben, dass die Teilchen zweiter Ladung erst in dem zweiten Bereich für ein Zeitintervall T2 beschleunigt werden. In einem solchem Fall werden die Teilchen zweiter Ladung durch Anlegen eines zweiten Spannungspulses an einer ersten Elektrode, durch welche der zweite Bereich auf der einen Seite begrenzt ist, und/oder an einer zweiten Elektrode, durch welche der zweite Bereich auf der anderen Seite begrenzt ist, beschleunigt.
Sofern die Teilchen erster Ladung und die Teilchen zweiter Ladung nicht durch einen gemeinsamen Spannungspuls beschleunigt werden, werden die Teilchen erster Ladung vorzugsweise vor den Teilchen zweiter Ladung beschleunigt werden. Dies liegt darin begründet, dass die Teilchen erster Ladung vorzugsweise die Elektronen sind, welche gegenüber einem Ion eine deutlich reduzierte Masse besitzen und zudem im allgemeinen mit einer höheren Geschwindigkeit emittiert werden. Somit liegt in einer Ausführungsform das zweite elektrische Feld zeitlich vor dem ersten elektrischen Feld. Das zweite elektrische Feld wird somit vor dem ersten elektrischen Feld initiiert. Ein zeitliches Überlappen des ersten und des zweiten elektrischen Feldes ist jedoch möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird, ausgehend vom Zeitpunkt der Wechselwirkung, in dem ersten Bereich, welcher durch eine Oberfläche des Targets begrenzt ist, für ein Zeitintervall T0 ein im wesentlichen feldfreier Raum bereitgestellt, so dass sich die freigesetzten Teilchen zunächst zumindest durch den ersten Bereich entsprechend ihrer aus der Wechselwirkung resultierenden Geschwindigkeit oder Anfangsgeschwindigkeit bewegen. Somit ist der an der Oberfläche des Targets angrenzende Raum, vorzugsweise der erste Bereich, ausgehend vom Zeitpunkt der Wechselwirkung zumindest zunächst im wesentlichen feldfrei oder feldfrei.
Ein feldfreier Raum wird beschrieben durch ein externes elektrisches Feld der Stärke Null. Es werden darunter nur die Felder verstanden, die beispielsweise durch das Anlegen einer Spannung und das Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden erzeugt werden können. Mögliche, durch die Wechselwirkung des Projektils mit dem Target entstehende lokale Felder werden darunter nicht verstanden.
Unter einem im wesentlichen feldfreien Raum wird ein Raum verstanden, in dem ein äußerst schwaches elektrisches Feld angelegt ist. Unter einem schwachen elektrischen Feld wird ein Feld verstanden, welches die Abbildungseigenschaften des Spektrometers nicht wesentlich verändert. Beispielsweise ist das schwache Feld derart ausgebildet und ausgerichtet, dass die Ionen eine geringe vorteilhafte Beschleunigung in Richtung auf den Detektor erfahren, während die Elektronen aufgrund ihrer hohen Energie bzw. deren Trajektorie nur unwesentlich beeinflusst wird.
Das Zeitintervall T0, welches den feldfreien Zustand, insbesondere im ersten Bereich, bezeichnet, beträgt etwa 0,1 ns bis etwa 1000 ns, bevorzugt von etwa 1 ns bis etwa 500 ns, besonders bevorzugt von etwa 1 ns bis etwa 100 ns.
Sofern die Beschleunigung der Teilchen zweiter Ladung in dem ersten Bereich erfolgt, tritt deren Beschleunigung mit dem Anlegen eines Feldes in dem ersten Bereich und somit nach der Zeit T0 nach dem Zeitpunkt der Wechselwirkung ein. Die Teilchen zweiter Ladung werden, insbesondere unmittelbar, nach dem Zeitintervall T0 beschleunigt.
Die Teilchen erster Ladung können dagegen, insbesondere unmittelbar, nach dem Zeitintervall T0 oder aber auch bereits während des Zeitintervalls T0 beschleunigt werden.
Gemäß der Erfindung wird die Beschleunigung der Teilchen erster Ladung etwa 0,1 ns bis etwa 1000 ns, bevorzugt von etwa 1 ns bis etwa 500 ns, besonders bevorzugt von etwa 1 ns bis etwa 100 ns nach dem Zeitpunkt der Wechselwirkung bereitgestellt.
Zumindest das erste elektrische Feld und das zweite elektrische Feld des Spektrometers bzw. die sie generierenden Spannungen werden gepulst bereitgestellt. In einer Ausführungsform besitzt zumindest ein Teil der Spannungspulse einen im wesentlichen halb-sinus-förmigen Verlauf. In einer alternativen Ausführungsform besitzt zumindest ein Teil der Spannungspulse einen im wesentlichen rechteckigen Verlauf.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Teilchen erster Ladung und/oder die Teilchen zweiter Ladung zumindest durch einen feldfreien Bereich geführt. Das Spektrometer weist daher zumindest einen, zwischen dem Target und dem Detektor, insbesondere hinter dem Beschleunigungsbereich, angeordneten, vorzugsweise permanent, feldfreien Bereich auf. Vorzugsweise grenzen der feldfreie Bereich und der Beschleunigungsbereich, insbesondere der zweite Bereich als Teil der Beschleunigungsstrecke, aneinander. Dieser feldfreie Raum wird auch als Driftstrecke bezeichnet. Der feldfreie Bereich weist eine Länge von etwa 1 mm bis etwa 1000 mm, bevorzugt von etwa 1 mm bis etwa 500 mm, besonders bevorzugt von etwa 1 mm bis etwa 100 mm auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Teilchen erster Ladung und/oder die Teilchen zweiter Ladung zumindest in einem weiteren elektrischen Feld vor dem Detektor nachbeschleunigt. Somit ist das Spektrometer durch zumindest einen weiteren Bereich vor dem Detektor zum Nachbeschleunigen der Teilchen auf den Detektor gekennzeichnet.
Die Nachbeschleunigung kann zum einen zum Verbessern der Abbildungseigenschaften des Spektrometers, wie z. B. der Massenauflösung, dienen. Weiterhin kann die Nachbeschleunigung auch zur Verbesserung der energieabhängigen Nachweiseffizienz des Detektors erforderlich sein. Eine zumindest ausreichende Nachweiseffizienz wird für Elektronen mit einer Energie von etwa 100 eV erreicht. Für leichte Ionen liegt dieser Wert bei einer Energie von größer als etwa 500 eV.
Zudem weist die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform noch eine Auswerteeinrichtung auf, die zum Bestimmen der dreidimensionalen Impulsvektoren der einzelnen Teilchen ausgebildet ist. Die Impulse werden aus den detektierten Flugzeiten der Teilchen vom Target zum Detektor und den Auftrefforten der Teilchen auf dem Detektor bestimmt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2.a und 2.b zeigen schematisch jeweils einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der einzelnen Spannungspulse.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften vereinfachten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Mitteln zum Betrieb der Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt die schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein nicht dargestellter Projektilstrahl 11, beispielsweise ein gepulster Ionenstrahl 11, trifft auf einen Festkörper oder ein Festkörpertarget 1 auf. Durch die Wechselwirkung mit den Atomen und Elektronen des Festkörpers deponiert der Projektilstrahl 11 zumindest einen Teil oder seine gesamte Energie in dem Festkörper. Die Energie kann sowohl an der Oberfläche 1a als auch in dem Volumen des Festkörpers deponiert werden. Dabei kann zur Untersuchung ausgewählter Moleküle die Oberfläche 1a des Festkörpers gezielt mit diesen besetzt werden.
Aufgrund dieser Energiedeposition an der Oberfläche 1a und/oder in dem Volumen des Festkörpers kommt es zur Verschiebung von Atomen aus ihrem Gleichgewichtszustand, dem Aufbrechen chemischer Bindungen, der Zerstörung geordneter Strukturen und der Emission von Sekundärteilchen, wie Elektronen, Photonen, geladener oder neutraler Atome, Moleküle und Cluster. In 1 sind die Emission eines Elektrons und eines Ions bzw. ein Elektronenimpuls 10a und ein Ionenimpuls 10b beispielhaft dargestellt. Typische Elektronenimpulse 10a liegen in einer Größenordnung von etwa 0,2 bis 5 a. u. (atomic units, d. h. atomare einheiten), während typische Ionenimpulse 10b in einer Größenordnung von etwa 0,1 bis 200 a. u. liegen.
Die in 1 gezeigte beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oder des Spektrometers 30 setzt sich aus mehreren Bereichen 7, 8, 9, 33 zusammen.
Dem ersten Bereich 7, welcher zwischen der Oberfläche 1a des Targets 1 und dem ersten Gitter 2 gebildet wird, schließt sich ein zweiter Bereich 8 an, welcher zwischen dem ersten Gitter 2 und dem zweiten Gitter 3 gebildet wird. Ein erstes elektrisches Feld 17 bezeichnet das in dem ersten Bereich 7 anlegbare oder angelegte elektrische Feld. Ein zweites elektrisches Feld 18 bezeichnet das in dem zweiten Bereich 8 anlegbare oder angelegte elektrische Feld. Der erste Bereich 7 und der zweite Bereich 8 bilden zusammen den Beschleunigungsbereich 33. In der gezeigten Ausführungsform ist der Beschleunigungsbereich somit durch eine Oberfläche 1a des Targets 1 und ein zweites Gitter 3 begrenzt.
Dem zweiten Gitter 3 schließt sich eine sogenannte Driftstrecke 4 an. Nach der Driftstrecke 4 und vor dem Detektor 6 befindet sich noch, ein optionales, drittes Gitter 5. Die einzelnen Gitter 2, 3, 5 können auch als Gitterelektrode oder nur als Elektrode bezeichnet werden. Mittels der Gitter 2, 3, 5 werden die elektrischen Felder 17, 18 des Spektrometers 30 separiert. Das erste Gitter 2 ist bevorzugt sowohl parallel zum Target 1 als auch parallel zum Detektor 6 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform sind das erste Gitter 2, das zweite Gitter 3 und das dritte Gitter 5 sowohl parallel zum Target 1 als auch zum Detektor 6 angeordnet.
Das Spektrometer 30 wird durch den Detektor 6 abgeschlossen. Die Oberfläche 6a des Detektors 6 und die Oberfläche 1a des Targets 1 stehen parallel oder im wesentlichen parallel zueinander. Der Detektor 6 kann beispielsweise ein Multi-Hit-fähiger Channelplate-Detektor 6 sein. Durch die Verwendung von Multi-Hit-Detektoren 6 können alle in der Wechselwirkung von Projektil 11 und Target 1 entstehenden geladenen Teilchen impulsaufgelöst nachgewiesen werden.
Nachfolgend wird das Prinzip der Messung illustriert. Zum Zeitpunkt der Wechselwirkung des Projektils 11 mit dem Target 1, welche beispielsweise eine Molekülfragmentierung an der Oberfläche 1a induziert, ist der erste Bereich 7 oder die Zone zwischen der Oberfläche 1a des Targets 1 und dem ersten Gitter 2 zunächst feldfrei.
Die Elektronen werden typischerweise nahezu mit einem Raumwinkel von 2π in den zweiten Bereich 8 zwischen dem ersten Gitter 2 und dem zweiten Gitter 3 fliegen. Durch einen an das zweite Gitter 3 kurzzeitig angelegten positiven ersten Spannungspuls 12, vorzugsweise der Dauer T1, durch welchen das zweite elektrische Feld 18, hier in dem zweiten Bereich 8, generiert wird, können die Elektronen auf den Detektor 6 projiziert oder in Richtung auf den Detektor 6 gelenkt werden.
Nach dem COLTRIMS-Prinzip kann dann in bekannter Weise der Anfangsimpuls 10a jedes einzelnen Elektrons bestimmt werden. Aus den gemessenen Positionen und absoluten Flugzeiten der Elektronen und Ionen können die 3-dimensionalen Impulskomponenten rekonstruiert werden. Dies ist vergleichbar mit dem freien Fall mit Anfangsbewegung eines Körpers im Schwerefeld der Erde mit dem Unterschied, dass in dem elektrischen Feld noch eine Separation der einzelnen Teilchensorten nach der Masse m und ihrem Ladungszustand q mit der Wurzel aus m/q erfolgt. Der genaue Verlauf der Trajektorie in dem Feld ist eine Funktion des Startimpulses. Grundlage der Impulsmessung ist, dass das jeweilige elektrische Feld 17, 18 entsprechend niedrig gewählt ist, dass abhängig von dem Impuls der Teilchen eine messbare Abweichung von den Messgrößen der Flugzeit und des Auftreffortes des Elektrons bzw. Ions mit dem Impuls Null entsteht.
Die, im Vergleich zu den schnellen Elektronen, sehr langsamen Ionen fliegen, während die Elektronen sich bereits im zweiten Bereich 8 befinden oder sogar bereits auf dem Detektor 6 aufgetroffen sind, noch im feldfreien ersten Bereich 7 zwischen der Oberfläche 1a des Targets 1 und dem ersten Gitter 2. Nach einer bestimmten, an den Zeitpunkt der Fragmentierung und an die Flugzeit der Elektronen angepassten Zeit, wird nun an dem Target 1 bzw. an der Oberfläche 1a des Targets 1 ein zweiter Spannungspuls 13, vorzugsweise der Dauer T2, angelegt. Das erste Gitter 2 bleibt auf dem selben Potential, insbesondere auf dem Erdpotential. Der zweite Spannungspuls 13 generiert das erste elektrische Feld 17, hier in dem ersten Bereich 7. Durch den zweiten Spannungspuls 13 bzw. durch die an der Oberfläche 1a des Targets 1 angelegte Spannung erhalten nun alle positiv geladenen Ionen einen entsprechenden Impulsstoß und werden auf den gleichen Detektor 6 projiziert. Nach dem vorstehend illustrierten COLTRIMS-Prinzip kann dann auch der Anfangsimpuls jedes einzelnen Ions bestimmt werden. Nach dem Durchtritt der Ionen durch das zweite Gitter 3 können sie noch durch einen weiteren Spannungspuls 14, beispielsweise durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen dem zweiten Gitter 3 und der Driftstrecke 4 und/oder durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen dem dritten Gitter 5 und der Oberfläche 6a des Detektors 6, nachbeschleunigt werden.
Die elektrischen Feldlinien des ersten 18 und/oder des zweiten 17 elektrischen Feldes und/oder der weiteren elektrischen Felder des Spektrometers verlaufen parallel oder im wesentlichen parallel zur Längsachse 31 des Spektrometers 30. Die Teilchen positiver Ladung werden in dem elektrischen Feld auf den Detektor 6 beschleunigt, welches vom Target 1 in Richtung auf den Detektor 6 verläuft. Die Teilchen negativer Ladung werden in dem elektrischen Feld auf den Detektor 6 beschleunigt, welches vom Detektor 6 in Richtung auf das Target 1 verläuft. Das erste elektrische Feld 17 verläuft entgegengesetzt zum zweiten elektrischen Feld 18. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die positiv als auch die negativ geladenen Teilchen auf den selben Detektor 6 projiziert oder in Richtung auf den selben Detektor 6 gelenkt werden.
Sofern es die Messung erfordert, ist es zudem möglich, neben der Verwendung einfacher homogener elektrischer Felder noch wesentlich aufwendigere Konfigurationen zu verwenden, wie beispielsweise eine Ortsfokussierung mit Hilfe elektrostatischer Linsen oder die Überlagerung eines elektrischen Feldes mit einem parallelen magnetischen Feld zur Abbildung von hohen radialen Elektronenenergien (z. B. DE 19613281 C1 ).
Es können somit die Elektronenimpulse 10a koinzident zu den Impulsen 10b der aus der gleichen Reaktion emittierten Ionenfragmente gemessen werden. Die Ionenimpulse 10b tragen die wesentliche Information über die Ausrichtung der Moleküle an der Oberfläche 1a des Targets 1. Es können hierbei alle relevanten Orientierungen oder Alignments der Moleküle an der Oberfläche 1a des Targets 1 bestimmt werden. Dies erlaubt insbesondere Rückschlüsse über die Bindungsart der Moleküle an die Oberfläche 1a des Targets 1.
Weiterhin kann auch die Bestimmung der Impulsverteilung 10a der Elektronen relativ zur Oberfläche 1a des Targets 1, zur Photopolarisationsrichtung, sofern der Projektilstrahl 11 durch elektromagnetische Strahlung bereitgestellt wird, und sogar auch koinzident zur Molekülorientierung erfolgen.
In Abhängigkeit der Elektronenimpulse 10a, der Ionenimpulse 10b sowie der geforderten Impulsauflösung des Spektrometers 30 sind die Spannungspulse 12, 13, 14 in der Höhe und Zeitdauer dem Problem anzupassen. Auch sind die Abstände zwischen der Oberfläche 1a des Targets 1, den Gittern 2, 3, 5, die Länge der Driftstrecke 4 etc. dem jeweiligen Problem anzupassen.
2.a zeigt dazu schematisch einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der einzelnen Spannungspulse 12, 13, 14 und somit auch der einzelnen elektrischen Felder 17, 18 in dem in 1 dargestellten Spektrometer 30. Im Detail ist der Spannungsverlauf an dem Target 1, dem ersten Gitter 2 und dem zweiten Gitter 3 dargestellt. Die jeweils dargestellten Spannungspulse 12, 13, 14 weisen beispielhaft eine rechteckige Form auf.
Die Potentialverläufe an der Oberfläche 6a des Detektors 6, an dem dritten Gitter 5 und der Driftstrecke 4 sind nicht in 2.a dargestellt. Die Oberfläche 6a des Detektors 6 bleibt vorzugsweise immer auf dem gleichen Potential, insbesondere dem Erdpotential. Somit können alle positiv und negativ geladenen Teilchen mittels des Detektors 6, ohne dass dessen Konfiguration geändert werden muss, erfasst werden. Mittels des dritten Gitters 5 können beispielsweise die Elektronen noch einmal zur Verbesserung der energieabhängigen Nachweiseffizienz des Detektors 6 durch Anlegen eines Spannungspulses nachbeschleunigt werden. Die Driftstrecke 4 kann auf ein entsprechendes Potential gesetzt werden, um beispielsweise die Teilchen zwischen dem dritten Gitter 3 und der Driftstrecke 4 oder zwischen der Driftstrecke 4 und dem dritten Gitter 5, insbesondere ergänzend, zu beschleunigen.
Der Zeitpunkt T = 0 in 2.a bezeichnet den Zeitpunkt der Projektil-Target-Wechselwirkung oder den Zeitpunkt einer möglichen Molekülfragmentation an der Targetoberfläche 1a. Zum Zeitpunkt T = 0 befinden sich alle dargestellten Bauteile 1, 2, 3 auf dem selben Potential, beispielsweise auf dem Erdpotential.
Für die typischen Impulse der Elektronen von etwa 0,2 bis 5 a. u. und der Ionen von etwa 0,1 bis 200 a. u. und einen ersten Bereich 7 mit einer Länge von beispielsweise 2 mm werden die Elektronen nahezu mit einem Raumwinkel von 2π in den zweiten Bereich 8 zwischen dem ersten 2 und dem zweiten Gitter 3 fliegen. Durch einen beispielsweise 20 ns gegenüber der Fragmentierung verzögerten positiven ersten Spannungspuls 12, mit einer Höhe von etwa 20 Volt und einer Dauer T1 von etwa 20 ns, ergibt dies für ein Elektron typischerweise einen Impulsstoß von etwa 2 a. u. in Feldrichtung. Die negativ geladenen Elektronen werden somit in dem zweiten elektrischen Feld 18 in Richtung auf den Detektor 6, vorliegend beispielhaft für ein Zeitintervall T1 von 20 ns, beschleunigt.
Etwa 30 ns (Nanosekunden) nach der Fragmentierung wird nun an die Oberfläche 1a des Targets 1 ein positiver, etwa 50 Volt hoher, zweiter Spannungspuls 13 von etwa 50 ns Länge angelegt. Die Ionen werden somit in einem ersten elektrischen Feld 17 für ein Zeitintervall T2 von 50 ns beschleunigt. Das erste Gitter 2 bleibt auf Erde. Nun erhalten alle positiv geladenen Ionen einen Impulsstoß von ca. 25 a. u. und damit eine Beschleunigung in Richtung auf den Detektor 6. Nach Durchtritt durch das zweite Gitter 3 können die Ionen noch durch einen weiteren positiven Spannungspuls 14, beispielhaft angelegt an dem zweiten Gitter 3, wobei die Driftstrecke 4 insbesondere auf dem Erdpotential liegt, nachbeschleunigt werden
2.b zeigt schematisch einen weiteren beispielhaften zeitlichen Verlauf der einzelnen Spannungspulse 12, 13. Es wird quasi unmittelbar nach dem Zeitpunkt T0 ein im Vergleich zum zweiten Spannungspuls 13 äußerst kurzer aber deutlich erhöhter Spannungspuls 12 der Dauer T1 an das erste Gitter 2 angelegt. Das elektrische Feld 17, das dadurch im ersten Bereich 7 zwischen der Oberfläche 1a des Targets 1 und zwischen dem ersten Gitter 2 erzeugt wird, wirkt beschleunigend für die Elektronen in Richtung auf den Detektor 6 und für die Ionen in Richtung auf das Target 1.
Die Elektronen erfahren aufgrund ihrer, durch die gegenüber den Ionen deutlich geringeren Masse bedingten, geringen Trägheit in dem kurzzeitig angelegten elektrischen Feld 17 die erforderliche Beschleunigung Richtung auf den Detektor 6. Dagegen reagieren die Ionen aufgrund ihrer höheren Trägheit auf das angelegte elektrische Feld 17, nur sehr langsam bzw. verzögert. Sobald sie anfangen, auf das kurzzeitig angelegte elektrische Feld 17 zu reagieren, ist dieses im wesentlichen nicht mehr existent. Sie werden in dem kurz darauf angelegten elektrischen Feld 17, welches durch den zweiten Spannungspuls 13 der Dauer T2 an dem Target 1 erzeugt wird, in Richtung auf den Detektor 6 gelenkt. Somit ist bei entsprechender Konfiguration der Felder auch eine Beschleunigung der Teilchen unterschiedlicher Ladung in dem selben, hier dem ersten 7, Bereich möglich. Die gleiche Beschleunigung wird erzielt, wenn die Spannungspulse 12, 13, dann aber mit entgegengesetzter Polarität, entweder nur an dem Target 1 oder nur an dem ersten Gitter 2 angelegt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften, gegenüber der in 1 dargestellten, vereinfachten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Spektrometer 30 weist wiederum einen ersten 7 und einen zweiten Bereich 8 auf, in welchem jeweils ein erstes 17 bzw. ein zweites elektrisches Feld 18 angelegt werden können und welche durch das erste Gitter 2 voneinander getrennt sind. Ebenso besitzt das Spektrometer 30 eine Driftstrecke 4. Dabei bilden das zweite 3 und das dritte Gitter 5 auch gleichzeitig den Eingang bzw. Ausgang oder den jeweiligen Abschluss der Driftstrecke 4.
Zusätzlich zu dem eigentlichen Spektrometer 30 sind auch entsprechende Mittel zum Betrieb des Spektrometers bzw. zum Durchführen der Messung dargestellt. Im Detail sind Spannungsversorgungen 21, 22, 23, Mittel zum Betreiben des Detektors und/oder Verarbeiten der Detektorsignale 24, die Koinzindenzelektronik 25, eine Auswerteeinrichtung 26 und eine Steuerungseinrichtung 27 dargestellt.
Eine Steuerungseinrichtung 27 kann beispielhaft ein Computer sein, welcher die Koinzidenzelektronik 25 und die Auswerteeinrichtung 26 beinhaltet. Die Mittel zum Betreiben des Detektors 6 und zum Verarbeiten der Detektorsignale umfassen Spannungsgeneratoren, Verstärker, Diskriminatoren und, da die Detektorsignale im allgemeinen nicht direkt von einem Messsystem verarbeitet werden können, auch entsprechende Konverter, welche die Detektorsignale in logische Standardsignale umwandeln.
Das Messen der Auftrefforte der Teilchen auf dem Detektor 6 kann zum Beispiel mittels einer Delay-Line-Anode und somit, wie auch die Flugzeitmessung, über eine Zeitmessung, im Detail über eine Laufzeitmessung der Signale auf der Anode, erfolgen. Die Koinzidenzeinrichtung 25 zum Messen der Laufzeiten und der Auftrefforte umfasst daher einen Time-To-Digital-Konverter.
Zusätzlich zum eigentlichen Spektrometer 30 ist auch der Projektilstrahl 11 dargestellt. Als Quelle des Projektilstrahls 11 wird beispielhaft ein Laser 11b bereitgestellt. Dieser emittiert einzelne elektromagnetische Strahlungspakete 11a. Der Projektilstrahl 11 tritt unter schrägem Einfall, insbesondere unter einem Winkel von kleiner als 90° relativ zur Oberfläche 1a des Targets 1, auf das Target 1. Um eine Wechselwirkung des Projektilstahls 11 mit dem ersten Gitter 2 zu vermeiden, ist in dem ersten Gitter 2 ein Loch 32 eingefügt. Dadurch kann der Projektilstrahl 11 direkt auf das Target 1 treffen. Ein mögliches Erzeugen von beispielsweise störenden Untergrundelektronen wird dadurch verhindert. Das Loch 32 ist derart seitlich versetzt von der Zone der Wechselwirkung angeordnet, dass das elektrische Feld 17, 18 im Bereich der Wechselwirkung nicht oder nur unwesentlich gestört ist. Die aus dem Loch resultierende Verzerrung der elektrischen Felder 17, 18 vermindert somit nicht die Abbildungseigenschaften des Spektrometer 20.
Ein weitere jedoch nicht dargestellte Ausführungsform stellt die Verwendung eines Detektors 6 dar, welcher in seinem Zentrum ein Loch aufweist, so dass auch Projektile 11a unter einem Winkel von 90° und somit senkrecht auf die Oberfläche 1a des Targets 1 auftreffen können. Ferner könnte das Target 1 auch derart dünn ausgebildet sein, dass Projektile 11a von der Rückseite aus in das Spektrometer 30 eintreten können. Somit können Eintrittswinkel von 0° bis 180° relativ zur Oberfläche 1a des Targets 1 bzw. zur Rückseite des Targets 1 gewählt werden.
Die Emission der einzelnen Projektile oder Projektilpakete 11a wird über die Steuerungseinrichtung 27 getriggert oder ausgelöst. Unter Berücksichtigung der Flugzeit des Projektils 11a zum Target 1 kann mittels des Triggersignals der Zeitpunkt T = 0, d. h. der Zeitpunkt der Wechselwirkung des Projektils 11a mit dem Target 1 bestimmt werden.
Das Triggersignal für das Projektil 11a stellt folglich das eigentliche Referenzsignal für die Zeitpunkte zum Anlegen der einzelnen Spannungspulse 12, 13, 14 an dem Spektrometer 30 und die Flugzeitmessung der Teilchen dar. Um sowohl die Elektronen als auch die Ionen auf dem gleichen Detektor 6 nachweisen zu können, stimmt die Steuerungseinrichtung 27 die Pulsung des ersten elektrischen Feldes 17 und die Pulsung des zweiten elektrischen Feldes 18 bzw. das Anlegen der einzelnen Spannungspulse 12, 13, 14 auf den Zeitpunkt der Wechselwirkung zwischen dem Projektil 11a mit dem Target 1 ab. Das Anlegen der Spannungspulse 12, 13, 14 zum richtigen Zeitpunkt, relativ zu T = 0, erfolgt insbesondere unter Berücksichtigung der Anfangsgeschwindigkeiten der emittierten Teilchen und der Abmessungen des Spektrometers 30. In Ansprechen auf den Zeitpunkt der Wechselwirkung zwischen dem Projektil 11 und dem Target 1 erzeugt die Steuereinrichtung 27 zumindest ein weiteres Triggersignal, mit welchem die Spannungsversorgungen 21, 22, 23 angesteuert wird. Die einzelnen Spannungspulse 12, 13, 14 werden an den entsprechenden Bauteilen 1, 2, 4 zu den entsprechenden Zeitpunkten für die entsprechende Zeitdauer T1, T2 angelegt.
Ebenso werden in Koinzidenz zum Zeitpunkt T = 0 bzw. zu dem Triggersignal die absoluten Flugzeiten und die Auftrefforte auf dem Detektor 6 der einzelnen Teilchen mittels der Koinzidenzeinrichtung 25 gemessen. Aus diesen können dann die Impulsverteilungen der einzelnen Teilchen mittels der Auswerteeinrichtung 26 rekonstruiert werden.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Target
1a: Oberfläche des Targets
2: Erstes Gitter oder erste Elektrode
3: Zweites Gitter oder zweite Elektrode
4: Driftstrecke oder -röhre
5: Drittes Gitter
6: Detektor
6a: Oberfläche des Detektors
7: Erster Bereich
8: Zweiter Bereich
9: Feldfreier Raum oder Bereich
10a: Elektronenimpuls
10b: Ionenimpuls
11: Projektil oder Projektilstrahl
11a: Strahlungspaket oder gepulster Projektilstrahl
11b: Projektilquelle
12: Erster Spannungspuls
13: Zweiter Spannungspuls
14: Weiterer oder Dritter Spannungspuls
17: Erstes elektrisches Feld oder erster Feldbereich
18: Zweites elektrisches Feld oder zweiter Feldbereich
21: Spannungsversorgung
22: Spannungsversorgung
23: Spannungsversorgung
24: Mittel zum Betreiben des Detektors und/oder Verarbeiten der Detektorsignale
25: Koinzidenzeinrichtung oder Koinzidenzelektronik
26: Mittel zum Auswerten der Daten oder Auswerteeinrichtung
27: Mittel zum Steuern oder eine Steuerungseinrichtung
30: Impulsspektrometer oder Spektrometer
31: Spektrometerachse oder Achse
32: Loch im Gitter
33: Beschleunigungsbereich

Claims

Verfahren zum koinzidenten Nachweisen von geladenen Teilchen mit unterschiedlichem Ladungsvorzeichen, umfassend die Verfahrensschritte: – Richten eines Projektilstrahls (11) aus Teilchen oder elektromagnetischer Strahlung auf ein Target (1) aus kondensierter Materie, so dass aus der Wechselwirkung zwischen dem Projektilstrahl (11) und dem Target (1) Teilchen unterschiedlichen Ladungsvorzeichens freigesetzt werden, – Bereitstellen eines Beschleunigungsbereichs (33) umfassend einen ersten Bereich (7) und einen zweiten Bereich (8), – gezieltes, zumindest abschnittsweises, Beschleunigen der freigesetzten Teilchen einer zweiten Ladung in einem ersten elektrischen Feld (17) in Richtung auf einen Detektor (6), so dass diese auf dem Detektor (6) nachgewiesen werden können, und gezieltes, zumindest abschnittsweises, Beschleunigen der freigesetzten Teilchen einer ersten Ladung, mit einem gegenüber der zweiten Ladung entgegengesetzten Vorzeichen, in einem, dem ersten elektrischen Feld (17) entgegengesetzten, zweiten elektrischen Feld (18) in Richtung auf den Detektor (6), so dass diese auf dem Detektor (6) nachgewiesen werden können, derart, dass – die Teilchen erster Ladung in dem zweiten Bereich (8) für ein Zeitintervall T1 in dem zweiten elektrischen Feld (18) in Richtung auf den Detektor (6) beschleunigt werden, – und die Teilchen zweiter Ladung für ein Zeitintervall T2 in dem ersten elektrischen Feld (17) in Richtung auf den Detektor (6) beschleunigt werden, – Nachweisen der Teilchen erster Ladung und der Teilchen zweiter Ladung auf dem Detektor (6).
Verfahren nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen erster Ladung in dem zweiten Bereich (8) für ein Zeitintervall T1 in dem zweiten elektrischen Feld (18) in Richtung auf den Detektor (6) beschleunigt werden, während sich die Teilchen zweiter Ladung, mit einem gegenüber der ersten Ladung entgegengesetzten Vorzeichen, noch in dem ersten Bereich (7) befinden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen erster Ladung und die Teilchen zweiter Ladung durch Anlegen eines Spannungspulses an eine erste Elektrode (2), durch welche der erste Bereich (7) von dem zweiten Bereich (8) getrennt ist, beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen erster Ladung durch Anlegen eines ersten Spannungspulses (12) an eine zweite Elektrode (3), durch welche der zweite Bereich (8) begrenzt ist, beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen zweiter Ladung im ersten Bereich (7) beschleunigt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder dem auf diesen Anspruch rückbezogenen Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen zweiter Ladung durch Anlegen eines zweiten Spannungspulses (13) an eine Oberfläche (1a) des Targets (1), durch welche der erste Bereich (7) begrenzt ist, und/oder an eine erste Elektrode (2), durch welche der erste Bereich (7) begrenzt ist, beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen erster Ladung zeitlich vor den Teilchen zweiter Ladung beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 2, 3 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Feld (17) zeitgleich mit dem zweiten elektrischen Feld (18) bereitgestellt wird, so dass die Teilchen erster und zweiter Ladung zeitgleich in unterschiedlichen Bereichen (7, 8) des Beschleunigungsbereiches (33) jeweils in Richtung auf den Detektor (6) beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen zweiter Ladung im zweiten Bereich (8) beschleunigt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder einem der auf diesen Anspruch rückbezogenen Ansprüche 5, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen zweiter Ladung durch Anlegen eines zweiten Spannungspulses (14) an eine erste Elektrode (2), durch welche der zweite Bereich (8) begrenzt ist, und/oder an eine zweite Elektrode (3), durch welche der zweite Bereich (8) begrenzt ist, beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Zeitpunkt der Wechselwirkung zwischen dem Projektilstrahl (11) und dem Target (1) in dem ersten Bereich (7), welcher durch eine Oberfläche (1a) des Targets (1) begrenzt ist, für ein Zeitintervall T0 ein feldfreier Raum bereitgestellt wird, so dass sich die freigesetzten Teilchen zunächst zumindest teilweise durch den ersten Bereich (7) entsprechend ihrer aus der Wechselwirkung resultierenden Anfangsgeschwindigkeit bewegen.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen erster Ladung nach dem Zeitintervall T0 beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen erster Ladung während des Zeitintervalls T0 beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der drei vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen zweiter Ladung nach dem Zeitintervall T0 beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Feld (17) und das zweite elektrische Feld (18) gepulst bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen erster Ladung und/oder die Teilchen zweiter Ladung zumindest durch einen feldfreien Bereich (9) geführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen erster Ladung und/oder die Teilchen zweiter Ladung zumindest in einem weiteren elektrischen Feld vor dem Detektor (6) nachbeschleunigt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen Impulsvektoren der Anfangsimpulse der Teilchen erster Ladung und der Teilchen zweiter Ladung aus den Flugzeiten und den Auftrefforten auf dem Detektor ermittelt werden.
Impulsspektrometer (30) zum Bestimmen der Impulse von geladenen Teilchen mit unterschiedlichem Ladungsvorzeichen, insbesondere ausgebildet zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: – ein Target (1) aus kondensierter Materie, auf welches ein Projektilstrahl (11) aus Teilchen oder elektromagnetischer Strahlung richtbar ist, so dass aus der Wechselwirkung des Projektilstrahls (11) mit dem Target (1) Teilchen positiver und negativer Ladung freigesetzt werden – einen Detektor (6) zum Nachweis der freigesetzten Teilchen, – einen Beschleunigungsbereich (33), welcher einen ersten Bereich (7) und einen zweiten Bereich (8) umfasst, welche hintereinander angeordnet und durch ein parallel zum Target (1) positioniertes erstes Gitter (2) zum Separieren der elektrischen Felder (17, 18) voneinander getrennt sind, – zumindest eine steuerbare Spannungsversorgung (21, 22, 23) zum Anlegen eines gepulsten ersten elektrischen Feldes (17) zum Beschleunigen der Teilchen positiver oder negativer Ladung in Richtung auf den Detektor (6) und zum Anlegen eines gepulsten zweiten elektrischen Feldes (18) zum Beschleunigen der Teilchen negativer oder positiver Ladung in Richtung auf den Detektor (6), welches zum ersten elektrischen Feld (17) in entgegengesetzter Richtung verläuft, – eine Steuereinrichtung (26), welche, in Ansprechen auf den Zeitpunkt der Wechselwirkung zwischen dem Projektilstrahl (11) und dem Target (1), ein Triggersignal erzeugt, mit dem die Spannungsversorgung (21, 22, 23) angesteuert wird und – eine Koinzidenzeinrichtung (25) zum koinzidenten Messen der Flugzeiten und Auftrefforte auf dem Detektor (6) der Teilchen positiver und negativer Ladung.
Impulsspektrometer nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (21, 22, 23) zum Erzeugen des ersten elektrischen Feldes (17) in dem ersten Bereich (7) und des zweiten elektrischen Feldes (18) in dem zweiten Bereich (8) an das erste Gitter (2) angeschlossen ist.
Impulsspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (21, 22) zum Erzeugen des ersten elektrischen Feldes (17) in dem ersten Bereich (7) an das Target (1), welches den ersten Bereich (7) begrenzt, angeschlossen ist.
Impulsspektrometer nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (21, 22) zum Erzeugen des zweiten elektrischen Feldes (18) in dem zweiten Bereich (8) an ein zweites Gitter (3), welches den zweiten Bereich (8) begrenzt, angeschlossen ist.
Impulsspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsbereich (33) durch eine Oberfläche (1a) des Targets (1) und das zweite Gitter (3) begrenzt ist.
Impulsspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (7) durch eine Oberfläche (1a) des Targets (1) und das erste Gitter (2) begrenzt ist.
Impulsspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (8) durch das erste Gitter (2) und das zweite Gitter (3) begrenzt ist.
Impulsspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein an einer Oberfläche (1a) des Targets (1) angrenzender Raum ausgehend vom Zeitpunkt der Wechselwirkung für ein Zeitintervall T0 feldfrei ist.
Impulsspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch zumindest einen, zwischen dem Target (1) und dem Detektor (6) angeordneten feldfreien Bereich (4, 9).
Impulsspektrometer nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der feldfreie Bereich (4, 9) und der Beschleunigungsbereich (33) aneinander angrenzen.
Impulsspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch zumindest einen weiteren Bereich vor dem Detektor (6) zum Nachbeschleunigen der Teilchen auf den Detektor (6) in einem weiteren elektrischen Feld.
Impulsspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung (27) ausgebildet zum Bestimmen der dreidimensionalen Impulsvektoren der Anfangsimpulse der Teilchen positiver und negativer Ladung aus den Flugzeiten und den Auftrefforten der Teilchen auf dem Detektor (6).