DE102020133974B3

DE102020133974B3 - Energieanalysator für elektrisch geladene Teilchen

Info

Publication number: DE102020133974B3
Application number: DE102020133974.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Oelsner Andreas
Original assignee: Surface Concept GmbH
Current assignee: Surface Concept GmbH
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2040-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von, sowie einen Energieanalysator zur Filterung geladener Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie. Der Energieanalysator weist zumindest eine erste Elektrode und zumindest eine zur ersten Elektrode beabstandete zweite Elektroden auf, so dass zwischen der ersten und zweiten Elektrode ein Zwischenraum vorhanden ist, welcher von geladenen Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie und einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden passierbar ist. Zumindest eine der Elektroden umfasst einen Stapel von elektrisch leitfähigen Platten, die in Abständen zueinander fixiert sind, wobei die Platten Kantenflächen aufweisen, welche dem Zwischenraum zugewandt sind, wobei die leitfähigen Platten (16) eine kreisförmige Kontur aufweisen und die Kantenflächen (18) der leitfähigen Platten (16) auf einer gedachten Halbkugelfläche liegen.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Energieanalysatoren zur Messung der Energie geladener Partikel. Insbesondere betrifft die Erfindung elektrostatische Energieanalysatoren, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Energieanalysatoren oder Spektrometer zur Analyse von Teilchenenergien werden in einer Reihe von Analyseverfahren, wie etwa der Photoelektronenspektroskopie oder der Massenspektroskopie eingesetzt. Für geladene Partikel bieten sich elektrostatische oder magnetische Analysatoren, sowie auch Mischformen, wie etwa ein Wienfilter an. Elektrostatische Analysatoren bieten sich unter anderem an, wenn der Spin der Partikel erhalten bleiben soll. Weiterhin lassen sich elektrostatische Felder im Analysator gut abschirmen, so dass sich der Einwirkbereich des Felds genau festlegen lässt.
EP 0 570 361 B1 beschreibt beispielsweise ein Massenspektrometer, umfassend eine lonenquelle zum Erzeugen eines lonenstrahls, einen lonenimpulsanalysator, einen elektrostatischen lonenenergie-Analysator sowie einen Mehrkanaldetektor, der in einer Bildbrennebene des elektrostatischen Analysators anordenbar ist. Der elektrostatische Analysator weist eine erste und eine zweite gegenüberstehende Gruppe mit Abstand angeordneter Elektroden auf, zwischen denen bei Gebrauch des Spektrometers ein lonenstrahl hindurchtritt.
Ein Typ eines elektrostatischen Analysators ist ein sogenannter Halbkugelanalysator, wie er zum Beispiel in der WO 2011/036038 A1 und der US 2003/0042416 Al beschrieben wird. Dieser Analysator weist zwei konzentrisch angeordnete Halbkugeln auf, zwischen denen durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen ein kugelsymmetrisches Feld erzeugt wird. An gegenüberliegenden Positionen zwischen den Halbkugeln sind Blenden angeordnet. Aufgrund des kugelsymmetrischen Felds ist die radiale Position eines geladenen Partikels an der Austrittsblende im Idealfall an der Eintrittsblende nur von der kinetischen Energie des Partikels, nicht aber von Impulskomponenten senkrecht zur optischen Achse abhängig.
Ein Nachteil eines solchen Analysators ist allerdings dessen voluminöser, gewichtiger und massiger Aufbau. Die beiden Halbkugeln sind daher in Ihrer Handhabung sehr schwer und wenig platzsparend unterzubringen. Dies führt zu erhöhten Transportkosten sowie hohem Aufwand bei der Montage. Hierbei ist noch zu beachten, dass die beiden Halbkugeln in einer entsprechend großen Vakuumkammer untergebracht werden müssen. Ein weiteres Problem besteht auch darin, dass die Halbkugeln mit ausreichender Präzision gefertigt und spannungsfrei verbaut werden müssen, um Feldinhomogenitäten durch mechanische Deformationen zu vermeiden. Weiterhin ist der Feldverlauf durch die beiden Potentiale an den Halbkugeln vollständig festgelegt und kann demgemäß nicht beeinflusst werden. Die große Fläche der Halbkugeln führt zudem zu einer zu großen elektrischen Kapazität, was einen elektrisch-dynamisch Betrieb stark einschränkt und insbesondere zu einer niedrigen Grenzfrequenz bei schnellen Feldänderungen führt. Mit anderen Worten, das System aus den zwei Halbkugeln reagiert träge bei beabsichtigten Änderungen, insbesondere auch im Zuge einer Änderung der Messeinstellungen während des Betriebs. Hieraus resultiert wiederum eine geringe Flankensteilheit sowie kleine Wiederholfrequenz.
Weiterhin sind die Trajektorien sowie die Abbildungstreue beim Ein- und Austritt der geladenen Partikel in bzw. von Halbkugeln wegen elektronenoptischer Durchgriffe und Brechungseffekten fehlerbehaftet. Dem kann zwar in gewissen Grenzen mit den sogenannten Jost oder Herzogkorrektoren bzw. speziellen Korrekturplatten entgegengewirkt werden, jedoch ist ein derartiger Einsatz bei bekannten Analysatoren sehr aufwendig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Probleme zu lösen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß betrifft die Erfindung einen Energieanalysator zur Filterung geladener Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie. Der Energieanalysator weist zumindest eine erste Elektrode und zumindest eine zur ersten Elektrode beabstandete zweite Elektrode auf, so dass zwischen der ersten und zweiten Elektrode ein Zwischenraum vorhanden ist, welcher von geladenen Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie und einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden passierbar ist. Zumindest eine der Elektroden umfasst einen Stapel von elektrisch leitfähigen Platten, die in Abständen zueinander fixiert sind, wobei die Platten Kantenflächen aufweisen, welche dem Zwischenraum zugewandt sind. Dabei weisen die leitfähigen Platten eine kreisförmige Kontur auf und die Kantenflächen der leitfähigen Platten liegen auf einer gedachten Halbkugelfläche, Zur Ausbildung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes können zumindest einige der Platten auch elektrisch miteinander verbunden sein. Insbesondere können die Platten untereinander mit Abstandhaltern verbunden sein, um den Abstand zwischen den Platten herzustellen.
Dabei weist der Energieanalysator vorzugsweise zumindest eine Eintrittsöffnung, insbesondere ein Eintrittspalt, oder Eintrittsloch auf, die bspw. als Blende ausgebildet sein kann, sowie eine Austrittsöffnung insbesondere ein Austrittspalt, oder Austrittsloch, die bspw. als Blende ausgebildet sein kann. Bevorzugt sind sowohl die Eintrittsöffnung, als auch die Austrittsöffnung derart angeordnet, dass die geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen durch die Eintrittsöffnung in den Zwischenraum zwischen den Elektroden eindringen und durch die, vorzugsweise der Eintrittsöffnung gegenüberliegenden Austrittsöffnung den Zwischenraum wieder verlassen können. Idealerweise können sich die geladenen Teilchen auf einer Bahn, oder Trajektorie durch den Zwischenraum bewegen.
Durch eine geeignete Form, bspw. gekrümmt oder gerade, Kontur und Größe der Ein- und Austrittsöffnungen sind die Anzahl, sowie idealerweise auch die räumliche Verteilung der geladenen Teilchen variierbar, die den Zwischenraum passieren. Die Form des Zwischenraums, und damit auch das elektrische und/oder magnetische Feld zwischen den Elektroden ist vorzugsweise durch die Kantenflächen der Platten, sowie die Form und/oder Größe der Platten sehr gut steuerbar. Der Energieanalysator kann daher auch als Bandpassfilter bezeichnet werden.
Zusätzlich sorgt der Plattenaufbau für eine einfache Konstruktion und verringerte Fertigungskosten, da lediglich die Form einzelner Platten herausgearbeitet werden muss, anstelle einer aufwändigen Formgebung der gesamten Elektrode. Die Platten können anschließend einfach gestapelt werden. Durch Bearbeitung einzelner Teilelemente bzw. Platten ist auch eine deutlich präzisere Fertigung möglich. Durch den Aufbau aus mehreren gestapelten Teilelementen bzw. Platten ist die Elektrode zudem Spannungsfrei ausgebildet bzw. es werden Spannungen innerhalb eines Bauteils, bspw. der Elektrode minimiert. Weiterhin weist jedes Teilelement bzw. jede Platte eine bezüglich einteiligen Halbkugelelektroden geringere elektrische Kapazität auf, wodurch insbesondere auch eine erhöhte Flankensteilheit bzw. eine schnellere Potentialänderung ermöglicht wird. Hierdurch können schnellere Feldänderungen sowie ein dynamischer Betrieb, etwa für Flugzeitanalysen durchgeführt werden.
Vorzugsweise liegen die Kantenflächen der leitfähigen Platten so auf einer gedachten Halbkugelfläche, dass der Stapel der Platten eine halbkugelförmige Elektrode nachbildet. Dabei können die dem Zwischenraum zugewandten Kantenflächen eine plane, insbesondere eine zu einer Grundfläche der Platten quer angeordnete Fläche aufweisen. Auch ein gegenüber der Grundfläche der Platten stumpfer oder spitzer Winkel der Kantenflächen ist denkbar. Durch die kreisförmige Kontur der Platten kann die Halbkugelfläche der Elektrode bestmöglich nachgebildet werden. Es ist allerdings auch möglich, dass nur die Kontur der dem Zwischenraum zugewandten Kanten eine Kreisform aufweisen und, bspw. die Kontur der dem Zwischenraum abgewandten Kanten eine andere Form aufweist, bspw. quadratisch, rechteckig oder polygonal, wie bspw. hexa- oder octagonal ausgebildet ist. Natürlich ist es in diesem Sinne auch denkbar, dass die Platten auch unterschiedliche Konturformen der dem Zwischenraum abgewandten Kanten aufweisen. Auf diese Weise kann die Produktion optimiert werden, in dem Sinne, dass nur die Form der dem Zwischenraum zugewandten Kontur jeder Platte präzise ausgearbeitet werden muss und bspw. die andere Kontur ihre ursprüngliche Form beibehält oder nur grob angepasst werden muss, wodurch nicht nur der Materialabtrag reduziert wird, sondern auch die Fertigungszeit.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Kantenflächen der leitfähigen Platten derart geformt, insbesondere geneigt oder gewölbt, dass sie einer gedachten Halbkugelfläche folgen. Idealerweise weisen die dem Zwischenraum zugewandten Kantenflächen eine Neigung oder Wölbung auf, sodass die Kantenflächen der gestapelten Platten gemeinsam eine Halbkugelfläche bzw. die Halbkugelfläche ausbilden und vorzugsweise die Form, insbesondere die Neigung oder Wölbung jeder Kantenfläche je nach Ort der Platte im Stapel und abhängig vom Radius dieser Halbkugelfläche entsprechend individuell ausgeprägt ist. Dabei kann der Radius der Wölbung dem Radius der Halbkugelfläche entsprechend oder komplementär zu dieser ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Form der Halbkugelfläche sehr präzise nachgebildet werden, und der Feldverlauf des elektrischen und/oder magnetischen Feldes im Zwischenraum homogen geformt und präzise ausgerichtet werden.
Vorteilhaft ist auch, wenn die beiden Elektroden so geformt und angeordnet sind, dass durch Anlegen unterschiedlicher Potentiale an den Elektroden ein radialsymmetrisches elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden ausgebildet wird. Idealerweise bilden die beiden Elektroden eine Hemisphäre aus. Durch das radialsymmetrische elektrische Feld in dem Zwischenraum kann ein Punkt in der Eintrittsebene des Zwischenraums wieder auf einen Punkt in der Austrittsebene der Hemisphäre abgebildet werden (was auch als zweidimensional fokussierend bezeichnet wird), sodass die radiale Position eines geladenen Teilchens an der Austrittsblende idealerweise auch dieser Position an der Eintrittsblende entspricht und vorzugsweise nur von der kinetischen Energie des Teilchens abhängig ist, sodass die geladenen Teilchen auf einer Trajektorie optimal von der Eintrittsöffnung durch den Zwischenraum zur Austrittsöffnung befördert werden können bzw. den Zwischenraum passieren. Dabei können die Teilchen abhängig von ihrer kinetischen Energie und den Öffnungen unterschiedliche Trajektorien oder auch Keplerbahnen beschreiben.
Es ist auch denkbar, dass beide Elektroden jeweils einen Stapel von leitfähigen Platten umfassen. Dabei ist die erste Elektrode vorzugsweise kleiner ausgebildet, als die zweite Elektrode und/oder ein Durchmesser der ersten Elektrode ist kleiner als ein Durchmesser der zweiten Elektrode. Daher kann die zweite Elektrode mehr Platten umfassen, als die erste Elektrode bzw. der Plattenstapel der zweiten Elektrode ist größer als der Plattenstapel der ersten Elektrode. Dadurch, dass beide Elektroden einen Stapel von elektrisch leitfähigen Platten aufweisen, kann die Form der Hemisphäre bzw. die Form der Halbkugelfläche jeder Elektrode präzise angepasst werden und damit auch das elektrische und/oder magnetische Feld zwischen den Elektroden präzise gesteuert werden. Mit anderen Worten die Trajektorien der geladenen Partikel können höchst genau eingestellt werden.
Weiterhin sind einzelne Platten beliebig austauschbar und neu positionierbar. Das bedeutet bspw. in einem Schadensfall, wenn eine mechanische Deformation vorliegt, die zu Feldinhomogenitäten führt, braucht nicht der gesamte Energieanalysator erneuert werden. Es reicht mithin aus, einfach eine oder wenige Platten zu verschieben bzw. neu anzuordnen, oder einfach auszutauschen. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Reparatur mit deutlich verringerten Kosten ggf. sogar ohne langwierige Lieferzeiten.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die dem Zwischenraum zugewandten Kantenflächen der leitfähigen Platten der ersten Elektrode auf einer gedachten Halbkugelaußenfläche liegen. Idealerweise bietet diese Halbkugelaußenfläche eine elektrisch und/oder magnetisch geschlossene Fläche, sodass das Feld im Zwischenraum zwischen den Elektroden, bevorzugt vollflächig nach Außen begrenzt ist. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die dem Zwischenraum zugewandten Kanten der leitfähigen Platten der zweiten Elektrode auf einer gedachten Halbkugelinnenfläche liegen, sodass vorzugsweise auch die Halbkugelinnenfläche elektrisch und/oder magnetisch, insbesondere vollflächig begrenzt ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Elektrode von der zweiten Elektrode zumindest teilweise umschlossen. Vorteilhafterweise sind die erste und/oder zweite Elektrode halbkugelförmig ausgebildet bzw. bilden jeweils ein Halbkugelsegment aus, wobei die dem Zwischenraum zugewandten Kantenfläche der ersten Elektrode vorzugsweise vollständig vom Zwischenraum umgeben sind sowie die dem Zwischenraum zugewandten Kantenflächen der Zweiten Elektrode den Zwischenraum umschließen. Mit anderen Worten erstreckt sich der Zwischenraum zwischen den dem Zwischenraum zugewandten Kantenflächen der ersten und zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode idealerweise innerhalb des Raumes angeordnet ist, der von den dem Zwischenraum zugewandten Kantenflächen der zweiten Elektrode gebildet wird. Bestenfalls sind die erste und zweite Elektrode konzentrisch um dieselbe Achse angeordnet. Auf diese Weise kann ein radial symmetrischer Zwischenraum bestmöglich ausgebildet werden und das Feld im Zwischenraum möglichst homogen, sodass durch geeignete Potentiale der Hemisphären oder halbkugelförmigen Elektroden bzw. deren Platten eine gleichmäßige Laufbahn der geladenen Teilchen mit bestimmten Energien sichergestellt wird.
Vorteilhaft ist auch, wenn zumindest eine Platte, insbesondere mehrere Platten der ersten Elektrode und/oder zweiten Elektrode ringförmig ausgebildet ist/sind. Dabei ist ringförmig im Sinne der Erfindung derart zu verstehen, dass die Platten eine mittig angeordnete, insbesondere kreisförmige Ausnehmung aufweisen, die vorzugsweise den Zwischenraum zu begrenzen vermögen, bzw. diesen formen können. Andererseits können diese Ausnehmungen auch der Gewichtsreduktion der Platten und damit auch des Energieanalysators dienen.
Es ist auch denkbar, dass zumindest eine Platte, insbesondere mehrere Platten der ersten Elektrode und/oder zweiten Elektrode scheibenförmig ausgebildet ist/sind. Scheibenförmig versteht sich im Sinne der Erfindung so, dass die Platte vollflächig, und insbesondere ohne mittig angeordnete Ausnehmung ausgebildet ist bzw. mittig eine geschlossene Fläche aufweist. Zudem sind die Platten bevorzugt platt, also eben geformt, um eine sichere und flexible Handhabung und Anordenbarkeit zu garantieren. Allerdings können auch gewölbte Platten vorgesehen sein, um bspw. beim Stapeln eine verbesserte Fixierung der Platten untereinander zu erzeugen.
Es kann vorgesehen sein, dass eine scheibenförmige Platte eine Deckplatte der Elektrode/n ausbildet, und vorzugsweise eine ringförmige Platte eine Bodenplatte darstellt. Eine scheibenförmige Platte ist bestens geeignet um das Feld und/oder den Zwischenraum gegen eine Umgebung und Umgebungsbedingungen zu begrenzen bzw. abzugrenzen. Mit einer ringförmigen Bodenplatte ist gewährleistet, dass bspw. die erste Elektrode innerhalb des Raumes anordenbar ist, der von den Kantenflächen der zweiten Elektrode geformt wird.
Vorteilhaft ist auch, wenn zumindest eine, vorzugsweise eine Mehrzahl von Platten einer der Elektroden ein separates Anschlusselement aufweist und einzeln, insbesondere elektrisch steuerbar ist, sodass die Elektrode mit zumindest zwei unterschiedlichen elektrischen Potentialen belegbar ist. Idealerweise weisen zumindest zwei, vorzugsweise eine Mehrzahl von Platten jeder Elektrode ein Anschlusselement auf, sodass diese Platten einzeln, insbesondere elektrisch steuerbar sind, und vorzugsweise jede Elektrode mit zumindest zwei unterschiedlichen elektrischen Potentialen belegbar ist. Dadurch ist der Feldverlauf durch die beiden Potentiale an den Hemisphären nicht mehr vollständig festgelegt und kann auch lokal verändert werden. Dies ermöglicht höchste Präzisierbarkeit beim Einstellen des elektrischen und/oder magnetischen Feldes, sodass die Trajektorien der geladenen Teilchen gezielt auch lokal steuerbar sind, und insbesondere Feldverzerrungen oder Inhomogenitäten lokal ausgeglichen bzw. korrigiert werden können. Aufgrund der geringeren Masse der einzelnen Platten und der damit einhergehenden geringen Kapazität können solche Korrekturen auch sehr schnell erfolgen. Vorzugsweise erlauben die Anschlusselemente einen kabelgebundenen, bspw. elektrischen Anschluss der Platten oder auch einen kabellosen Anschluss, bspw. durch Induktion. In dieser Ausgestaltung können bspw. Spulen an den Platten vorgesehen sein, die das Anschlusselement ausbilden. Andererseits können Kabel mittels formbaren Metallen oder Metalllegierungen oder auch mittels anderen Mechanismen bspw. Schrauben oder Klemmen mit den Platten elektrisch verbunden werden.
Es ist auch denkbar, dass zumindest zwei Platten einer Elektrode vorzugsweise durch elektrisch isolierende Abstandhalter voneinander beabstandet sind. Vorzugsweise ist jede Platte einer Elektrode durch elektrisch isolierende Abstandhalter von anderen Platten derselben Elektrode isoliert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Platten, und insbesondere die Potentiale der einzelnen Platten nicht durch Störfelder anderer Platten beeinflusst werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Abstandhalter ein keramisches, Glaskeramisches oder Glasmaterial, insbesondere aber ein dielektrisches Material aufweisen. Auch die Verwendung von Kunststoffen ist denkbar. Idealerweise sind die Abstandhalter hülsenförmig, und insbesondere an Fixierungsstellen der Platten angeordnet, bspw. derart, dass die Hülsen Fixierungselemente, wie bspw. Schrauben, Klemmen, Bolzen oder andere Elemente umhüllen. Die Abstandhalter können allerdings auch ringförmig oder blockförmig, insbesondere mit zwei voneinander beabstandeten und/oder parallelen Flächen ausgebildet sein. Insbesondere auch der Einsatz nicht isolierender, vorzugsweise elektrisch leitender Abstandhalter ist möglich. Damit werden die einzelnen Platten einer Elektrode kurzgeschlossen, so dass ein einzelner elektrischer Anschluss zur Potentialbelegung für beide Platten, typischerweise für mehrere oder sogar alle Platten einer Elektrode ausreicht. Vorzugsweise sind Mittenebenen oder Grundflächen der Platten mehr als 3 mm, bevorzugt mehr als 6 mm, bevorzugt mehr als 9 mm und/oder weniger als 20 mm, bevorzugt weniger als 16 mm, bevorzugt weniger als 12 mm voneinander beabstandet, sodass ein ausreichender Abstand der Platten gewährleistet wird.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Elektroden, insbesondere zumindest eine Platte, aber bevorzugt eine Vielzahl von Platten ein hochfrequenzabschirmendes und/oder elektrisch leitfähiges Material mit geringer Kapazität aufweisen, wie bspw. Metall, insbesondere Aluminium oder Kupfer. Auf diese Weise ist ein sehr schnelles Schalten bzw. Regulieren der Spannungen und damit des elektrischen und/oder magnetischen Feldes realisierbar, insbesondere bis im Subnanosekundenbereich. Dies wirkt sich besonders an ringförmigen Platten im Bereich des Scheitelpunkts der Hemisphäre bzw. der Elektrode hin aus um bei hoher Passenergie eine besonders hohe Energieauflösung zu erreichen. Bevorzugt wird das leichte Aluminium verwendet, um das Gewicht der Platten und damit auch des Energieanalysators gering zu halten. Insbesondere werden auf diese Weise die Transportkosten verringert und eine Montage vereinfacht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Energieanalysator ein Basiselement, welches als Flansch ausgebildet sein kann. Das Basiselement ist bevorzugt aus einem metallischen Material gefertigt, insbesondere einem magnetisch permeablen Material, bspw. µ-Metall, welches auch als Mu-Metall bezeichnet wird. Auf diese Weise können äußere störende Magnetfelder abgeschirmt werden, insbesondere das Erdmagnetfeld, sodass störende Magnetfeldlinien um das Innenvolumen des Energieanalysators, vorzugsweise auch des Zwischenraumes herumgeführt werden und die geladenen Teilchen nicht von ihrer vorgegebenen Bahn abgelenkt werden können.
Es kann vorgesehen sein, dass der Energieanalysator auch einen Detektor zur Erfassung der geladenen Teilchen aufweist. Idealerweise ist der Detektor einer Austrittsöffnung nachgeschaltet und umfasst gemäß einer Ausführungsform eine Mikrokanalplatte (MCP), einen Screen bzw. Schirm bspw. ein kathodolumineszenter Schirm, insbesondere Phosphorschirm und/oder eine CCD-Einheit zum ortsauflösendem Nachweisen und Abbilden der geladenen Teilchen. Sofern eine Abbildung der Winkel- oder Ortsverteilung der Teilchen nicht notwendig ist, kann beispielsweise auch ein beliebiger Sekundärlelektronenvervielfacher als Bestandteil des Detektors verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Energieanalysator auch eine Einrichtung zur Flugzeitmessung (Time of Flight; TOF) aufweisen, insbesondere mit einer Driftstrecke, bspw. in Form einer Driftröhre zum Driften der geladenen Teilchen und einem Detektor zur Erfassung der gedrifteten geladenen Teilchen bzw. der nach kinetischer Energie getrennten und gedrifteten geladenen Teilchen und/oder deren Energie. Mit einer vorzugsweise der Austrittsöffnung nachgeschalteten Einrichtung zur Flugzeitmessung können die geladene Teilchen auch nach ihrer Geschwindigkeit getrennt, und insbesondere simultan und/oder zeitaufgelöst erfasst werden. Dadurch kann ein großer Massenbereich bzw. Energiebereich der geladenen Teilchen gemessen werden und es sind sowohl der Orts-, als auch der Impulsraum abbildbar. Somit kann mit dem Energieanalysator auch in einem dynamischen Chopperbetrieb und/oder im Continuous-Wave-Verfahren gearbeitet werden. Weiterhin kann eine, vorzugsweise der Austrittsöffnung ebenfalls nachgeschaltete Optik zur Veränderung, insbesondere zur Vergrößerung der Driftstrecke vorgesehen sein, wodurch chromatische Fehler verringert werden können.
In einer möglichen Ausführungsform kann dem Energieanalysator ein weiterer Energieanalysator, insbesondere mit den zuvor beschriebenen Merkmalen nachgeschaltet sein. Dadurch können die Trajektorien der geladenen Teilchen vier Elektroden passieren und von zwei Zwischenräumen verlängert werden und durch eine Vielzahl von Platten präzise reguliert werden. Zudem werden durch einen symmetrischen Aufbau der vier Elektroden Flugzeitunterschiede ausgeglichen bzw. kompensiert, die durch das passieren von nur zwei Hemisphären auftreten können.
Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass der Energieanalysator ein Fenster aufweist, welches bevorzugt der Justage dienen kann. Dabei weist zumindest eine Platte eine Ausnehmung auf. Idealerweise weisen aber mehrere Platten Ausnehmungen auf, wobei die Platten derart gestapelt sind, dass die Ausnehmungen eine zusammenhängende, vorzugsweise gemeinsame Ausnehmung in Form des Fensters ausbilden. Die gemeinsame Ausnehmung liegt vorzugsweise auf einer optischen Achse, die durch ein der Eintrittsöffnung vorgeschaltetes Linsensystem gebildet wird, sodass eine zu analysierende Probe durch das Fenster sichtbar ist. Das Fenster kann zudem ein transparentes Element umfassen, durch welches der Zwischenraum zwischen den Elektroden Fluiddicht abgeschlossen ist, um äußerliche Störfaktoren, die die geladenen Teilchen beeinflussen können zu verhindern, und/oder einen Detektor umfassen.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Energieanalysators, insbesondere eines zuvor beschriebenen Energieanalysators, zur Filterung geladener Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie gelöst. Dabei weist der Energieanalysator zumindest zwei voneinander beabstandete Elektroden auf, so dass zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode ein Zwischenraum vorhanden ist, welcher von geladenen Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie und einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden passierbar ist, umfassend die Schritte:

a. Bereitstellen zumindest eines elektrisch leitfähigen Plattenelements, vorzugsweise einer Mehrzahl leitfähiger Plattenelemente,
b. Separieren mehrerer, vorzugsweise kreisförmiger Teilstücke aus den Plattenelementen, wobei die Teilstücke als leitfähige Platten ausgebildet sind, wobei an den Platten Kantenflächen derart geformt werden, dass die leitfähigen Platten auf einer gedachten Halbkugelfläche liegen,
c. Stapeln mehrerer leitfähiger Platten um zumindest eine Elektrode zu formen, wobei die Platten in Abständen zueinander fixiert werden,
d. Bereitstellen einer weiteren Elektrode und Anordnen einer ersten und zweiten Elektrode derart, dass Kantenflächen der Platten der zumindest einen Elektrode dem Zwischenraum zugewandt sind.

Vorteilhafterweise weist der herzustellende Energieanalysator zumindest eines der zuvor genannten Merkmale, vorzugsweise mehrere der zuvor genannten Merkmale auf.
In einem, vorzugsweise ersten Schritt werden eine oder mehrere elektrisch leitfähige Plattenelemente bereitgestellt, aus denen mehrere Teilstücke in Form von Platten herausgearbeitet werden können. Dabei können die Teilstücke aus einem einzigen großen Plattenelement herausgearbeitet werden, oder aus mehreren Plattenelementen. Ohne Beschränkung auf die hier vorgestellte Erfindung ist vorgesehen, dass mehr als 2 Plattenelemente, bevorzugt mehr als 3, bevorzugt mehr als 4 Plattenelemente bereitgestellt werden und/oder weniger als 30, bevorzugt weniger als 20, bevorzugt weniger als 10.
Die Plattenelemente können dabei eine Stärke, bzw. Dicke von weniger als 12 mm, bevorzugt weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 8 mm und/oder mehr als 1 mm, bevorzugt, mehr als 2 mm, bevorzugt mehr als 3 mm aufweisen. Eine derartige Stärke ist optimal geeignet, um Teilstücke aus den Plattenelementen herauszuarbeiten und gleichzeitig optimale technische Eigenschaften der Teilstücke, wie bspw. elektrische Leitfähigkeit oder auch ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten, welche bei der Montage und der späteren Anwendung vorteilhaft sind.
In einem weiteren, vorzugsweise zweiten Schritt werden mehrere Teilstücke voneinander separiert. Diese stellen die späteren Platten der Elektroden dar. Hierzu kann ein Material abtragendes Verfahren, wie bspw. Fräsen, Wasserstrahlschneiden, Funkenerosion oder Lasern genutzt werden. Prozessbedingt ist es vorteilhaft, wenn die Teilstücke während des Herausarbeitens aus den Plattenelementen durch Brückenverbindungen mit dem Plattenelement verbunden bleiben und bspw. erst in einem späteren Schritt vollständig aus dem Plattenelement herausgetrennt werden, bspw. durch Brechen der Brückenverbindungen. Allerdings können die Teilstücke auch direkt mit den erwähnten Verfahren aus den Plattenelementen vollständig herausgetrennt werden. Idealerweise wird die Geometrie der Teilstücke, sowie insbesondere auch deren Anordnung im Plattenelement genau so gewählt, dass alle Teilstücke aus eine geringstmöglichen Anzahl an Plattenelementen herausgetrennt werden kann, sodass maximal material- und kostenoptimiert gearbeitet werden kann. Mit anderen Worten, kann in einem Zwischenschritt ein Schnittmuster der Teilstücke aus den Plattenelementen erstellt werden, nach welchem die Teilstücke anschließend aus den Plattenelementen herausgearbeitet werden können.
Ohne Beschränkung auf das hier genannte Beispiel, können beispielsweise mehr als 16 Teilstücke, bevorzugt mehr als 20 Teilstücke, bevorzugt mehr als 24 Teilstücke und/oder weniger als 40 Teilstücke, bevorzugt weniger als 35, bevorzugt weniger als 30 Teilstücke vorgesehen sein, die idealerweise aus insgesamt mehr als 2, bevorzugt mehr als 3, bevorzugt mehr als 4 und/oder weniger als 10, bevorzugt weniger als 9, bevorzugt weniger als 8 Plattenelemente herausgearbeitet werden können. Dabei weisen die herausgetrennten Teilstücke bzw. Platten ebenfalls vorzugsweise eine Stärke, bzw. Dicke von weniger als 12 mm, bevorzugt weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 8 mm auf und/oder mehr als 1 mm, bevorzugt, mehr als 2 mm, bevorzugt mehr als 3 mm.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass zumindest ein Teilstück ringförmig ausgebildet wird und zumindest ein Teilstück scheibenförmig ausgebildet wird. Dies hat zum einen den Vorteil, dass bei einer späteren Montage der Elektroden, die oberste Platte eine geschlossene Fläche ausbildet und damit das durch die Elektrode erzeugte Feld gegen Einflüsse von außen schützt, sowie auch insbesondere gleichmäßige Fläche zur Erzeugung eines homogenen Feldes bereitgestellt wird. Zum anderen kann durch eine ringförmige Struktur das Schnittmuster dahingegen optimiert werden, dass mehrere Teilstücke ineinandergelegt werden können und somit aus einer kleinen Materialmenge mehrere Teilstücke gefertigt werden können, bspw. dadurch, dass ein kleineres Teilstück im Schnittmuster innerhalb eines größeren ringförmigen Teilstücks angeordnet werden kann. Zudem wird durch ringförmige Teilstücke vorteilhafterweise auch das Gewicht der einzelnen ringförmigen Teilstücke verringert, wodurch eine spätere Montage vereinfacht wird. Weiterhin können bei einer späteren Stapelung der Teilstücke bzw. Platten ebenfalls Platten innerhalb einer anderen ringförmigen Platte angeordnet werden, wodurch vorteilhafterweise auch das Packmaß während des Transports verringert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass bspw. innerhalb eines Stapels ringförmiger Platten, insbesondere der zweiten Elektrode, ein anderer Stapel von Platten, insbesondere der ersten Elektrode, vorzugsweise konzentrisch angeordnet werden kann.
Daher können die Abmessungen bzw. Durchmesser zumindest einiger der Teilstücke bzw. Platten der zweiten Elektrode größer sein, als die Teilstücke bzw. Platten der ersten Elektrode. Ebenso ist auch möglich, dass Radien der kreisförmigen Ausnehmungen der ringförmigen Platten der zweiten Elektrode größer ausgebildet werden, als Radien der kreisförmigen Ausnehmungen der ringförmigen Platten der ersten Elektrode. Allerdings können zugunsten der Gewichtsreduzierung zumindest einige Radien der kreisförmigen Ausnehmungen der Platten der ersten Elektrode größer sein, als die der zweiten Elektrode.
Weiterhin können in die Teilstücke, vorzugsweise im äußeren Randbereich Ausnehmungen geformt werden, die dazu geeignet und bestimmt sind, die Teilelemente miteinander zu fixieren, bspw. durch Schrauben, Klemmen, Bolzen oder andere Elemente. Dabei kann ein Teilstück auch mehrere solcher Ausnehmungen umfassen, um die Teilstücke später als Platten der Elektroden sicher miteinander fixieren zu können. Zudem können sowohl die Abmessungen der Teilstücke, als auch die Ausnehmungen, insbesondere von Teilstücken, die als Bodenplatten vorgesehen sind derart angepasst werden, dass diese an einem Standardflansch montierbar sind. Auf diese Weise kann der Energieanalysator auch mit Standardflanschen verwendet, bzw. auf Standardflansche aufgesetzt und montiert werden.
In einem weiteren Schritt kann vorgesehen sein, dass Kantenflächen der Teilstücke an eine Zielform, bspw. Halbkugelfläche angepasst werden. Vorteilhafterweise werden an den Platten Kantenflächen derart geformt, dass die leitfähigen Platten so auf einer gedachten Halbkugelfläche liegen, dass der Stapel der Platten eine halbkugelförmige Elektrode nachbildet. Dies kann bspw. mittels der zuvor genannten abtragenden verfahren realisiert werden. Vorteilhafterweise werden die Kantenflächen derart geformt, dass ein Stapel aus Teilstücken bzw. Platten eine innere und/oder eine äußere Halbkugelfläche nachbildet. Hierzu können die Kantenflächen jeder Platte bzw. jedes Teilstücks individuell gewölbt werden, jedoch mit demselben Radius der Wölbung. Beispielsweise können die Kantenflächen derjenigen Platten, die gestapelt eine äußere Halbkugelfläche nachbilden sollen, insbesondere der zweiten Elektrode konkav gewölbt geformt werden und/oder die Kantenflächen derjenigen Platten, die gestapelt eine innere Halbkugelfläche nachbilden sollen, insbesondere der ersten Elektrode konvex gewölbt geformt werden. Auf diese Weise werden die Halbkugelflächen homogen nachgebildet, sodass das elektrische und/oder magnetische Feld des fertig montierten Energieanalysators ebenfalls homogen ausgebildet wird, und höchste Präzision bei der Messung erlaubt.
In einem nächsten, insbesondere folgenden Schritt werden die Teilstücke als fertige Platten gestapelt um zumindest eine Elektrode zu formen. Dabei können die Platten, vorzugsweise in vorgegebenen Abständen zueinander gestapelt werden, wobei insbesondere jeweils zwischen zwei Platten ein Abstandshalter angeordnet wird, der als elektrischer Isolator ausgebildet sein kann, um die Platten elektrisch voneinander zu isolieren.
Vorteilhaft ist auch, wenn die Platten in Teilstapeln fixiert werden, wobei vorzugsweise mehrere Teilstapel gestapelt werden und eine scheibenförmige Platte als Deckplatte aufgesetzt wird. Bei einer Anordnung von Teilstapeln, können die Abmessungen bzw. Durchmesser der Platten klein gehalten werden und damit nicht nur Material eingespart, sondern auch das Gesamtgewicht verringert werden. Beispielsweise können die Abmessungen bzw. Durchmesser der Platten der zweiten und/oder ersten Elektrode sukzessive von der Bodenplatte bis zur Deckelplatte abnehmen. Es ist allerdings auch denkbar, dass beispielsweise Platten eines Teilstapels ähnliche oder gleiche Abmessungen bzw. Durchmesser aufweisen. Dies kann bei der Fixierung der Platten vorteilhaft sein, oder bei der Erstellung des Schnittmusters. Idealerweise nehmen aber die Radien der kreisförmigen Ausnehmungen der ringförmigen Platten der ersten und zweiten Elektrode sukzessiv in Richtung der Deckelplatte ab, um die Form der Hemisphären optimal nachbilden zu können und präzise Analysen durch ein fein abgestimmtes elektrisches Feld zu erlauben.
Figurenliste

1 zeigt eine Aufsicht auf einen Grundflansch eines Energieanalysators.
2 zeigt Plattenstapel der Elektroden des Energieanalysators in einer Querschnittsansicht.
3 zeigt den Energieanalysator in Verbindung mit einer Einrichtung zur Flugzeitmessung.
4 zeigt ein Schnittmuster der Platten aus größeren Plattenelementen Energieanalysators in einer Querschnittsansicht.
5 zeigt die Platten vor der Montage des Energieanalysators in einer Querschnittsansicht.

In 1 ist eine Aufsicht auf einen Grundflansch 3 gezeigt, auf welchem der Energieanalysator gemäß dieser Offenbarung aufgebaut werden kann. Der Grundflansch 3 ist mit zwei Anschlussrohren 5, 7 versehen, wobei idealerweise zumindest eines einen Radius aufweist, der größer ist als 50 mm, bevorzugt größer als 90 mm, bevorzugt größer als 120 mm und/oder kleiner als 250 mm, bevorzugt kleiner als 210 mm, bevorzugt kleiner als 180 mm. Typischerweise werden durch eines der Anschlussrohre mit geeigneten Linsen für geladene Teilchen die geladenen Teilchen auf einen Eintrittsspalt bzw. Eintrittsöffnung des Analysators gerichtet. Der Austrittsspalt bzw. Austrittsöffnung befindet sich dann am gegenüberliegenden Anschlussrohr. Hier können die geladenen Partikel bzw. Teilchen weitergeleitet oder auch mit einem geeigneten Detektor, bspw. einem CCD-Detektor nachgewiesen und gezählt werden. Zwei Elektroden 10, 20 des Analysators, vorzugsweise mit kreisförmiger Kontur, die am Grundflansch 3 befestigt sind, sind in 1 eingezeichnet. Der Grundflansch 3 weist außerdem eine Dichtschneide 9 und weiter außen eine Anordnung von Durchgangsbohrungen 12 auf, um ein mit gestrichelten Linien angedeutet dargestelltes kuppelförmiges Gehäuseteil 4 mit dem Grundflansch 3 zu verbinden, welches den Analysator 1 vakuumdicht einschließt. Das Gehäuseteil 4 kann allerdings auch kastenförmig sein und/oder ist vorzugsweise aus µ-Metall gefertigt um den Analysator 1 und das durch die Elektroden 10, 20 erzeugte elektrische Feld vor äußeren Einflüssen, insbesondere dem Erdmagnetfeld abzuschirmen. Die zwei Elektroden 10, 20 formen jeweils einen Elektrodenring 10, 20 bzw. sind als Ringelektroden 10, 20 ausgebildet und konzentrisch zueinander bzw. um dieselbe Achse angeordnet, die vorzugsweise den Scheitelpunkt der Kuppel des Gehäuseteils 4 schneidet.
Auf dem Grundflansch 3, der als Standardflansch ausgebildet sein kann, ist der Analysator 1 montiert. Der Analysator 1 umfasst im Wesentlichen zwei Stapel aus Platten 16, 26, die die Elektroden 10, 20 formen, welche in 2 dargestellt sind. 2 zeigt ebenfalls die spezielle Form, sowie die Anordnung der einzelnen Platten der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 20 in einer Querschnittsansicht. Jede Elektrode 10, 20 bzw. jeder Plattenstapel 16, 26 umfasst eine Bodenplatte 13, 23 sowie eine Deckelplatte 14, 24. Die Bodenplatten 13, 23 sind über geeignete Fixierungselemente, bspw. Schrauben, Bolzen, Klemmen an hier nicht dargestellten Ausnehmungen der Bodenplatten 13, 23 an Durchgangsbohrungen 12 mit dem Grundflansch 3 befestigt. Die anderen Platten 18, 28 sind zueinander beabstandet und ebenfalls mittels geeigneten Fixierungselementen, bspw. Schrauben, Bolzen, Klemmen über hier nicht dargestellte Ausnehmungen der Platten 18, 28 miteinander verbunden, oder zumindest gegeneinander fixiert. Die Deckelplatten 14, 24 bilden jeweils den Abschluss eines Plattenstapels 16, 26 der ersten 10 und zweiten 20 Elektrode.
Um die Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 in ihren Abmessungen möglichst klein zu halten und dadurch auch das Gewicht des Analysators 1 zu verringern, haben die Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 vorzugsweise eine kreisförmige Außenkontur. Idealerweise sind die Durchmesser der Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 so ausgewählt, dass sie je nach Position im Plattenstapel 16, 26 den geringstmöglichen Durchmesser aufweisen. Das bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Bodenplatte 13, 23 einen größeren Durchmesser aufweist, als die Deckelplatte 14, 24 des jeweiligen Plattenstapels 16, 26. Vorzugsweise sind zumindest die Deckelplatten 14, 24 scheibenförmig, also mit geschlossener Fläche ausgebildet, sodass das durch die Elektroden 10, 20 erzeugte Feld deckelseitig begrenzt wird. Zumindest die Bodenplatte 23 der zweiten Elektrode 20 ist hingegen ringförmig, also mit einer mittig angeordneten, kreisförmigen Ausnehmung, sodass die Bodenplatte 13 der ersten Elektrode 10, die idealerweise zugunsten der Gewichtsreduktion ebenfalls ringförmig sein kann, vorzugsweise konzentrisch innerhalb dieser kreisförmigen Ausnehmung der Bodenplatte 23 der zweiten Elektrode 20 angeordnet werden kann.
Wie in 2 dargestellt, ist die Mehrzahl der Platten 23, 28 der zweiten Elektrode 20 ringförmig ausgebildet und derart angeordnet, dass der Plattenstapel 16 der ersten Elektrode 10 innerhalb eines Raumes angeordnet ist, der durch die kreisförmigen Ausnehmungen der ringförmigen Platten 28 der zweiten Elektrode gebildet wird. Beide Elektroden 10, 20 sind zueinander beabstandet, sodass zwischen den Elektroden 10, 20 ein, idealerweise radialsymmetrischer Zwischenraum 15 gebildet wird. Dieser Zwischenraum 15 wird einerseits durch die inneren Kantenflächen 27 der ringförmigen Platten 23, 28, also die dem Zwischenraum 15 zugewandten Kantenflächen 27 der zweiten Elektrode 20 begrenzt und anderseits durch die äußeren Kantenflächen 17 der scheiben- und ringförmigen Platten 13, 14, 18, also der dem Zwischenraum 15 zugewandten Kantenflächen 17 der ersten Elektrode 10.
Um eine Hemisphäre bzw. Halbkugel nachzubilden sind die dem Zwischenraum 15 zugewandten Kantenflächen 17 der Platten 13, 14, 18 der ersten Elektrode 10 vorzugsweise individuell und abhängig von der jeweiligen Position der Platte 13, 14, 18 im Plattenstapel 16 gewölbt, sodass insbesondere die Wölbung jeder Kantenfläche 17 den Radius derselben Halbkugelfläche nachbildet. Diese Halbkugelfläche stellt im Sinne der Erfindung eine innere Halbkugelfläche dar. Eine äußere Halbkugelfläche ist gleichfalls durch die dem Zwischenraum 15 zugewandten Kantenflächen 27 der zweiten Elektrode 20 ausgebildet, wobei die Kantenflächen 27 der Platten 23, 23 der zweiten Elektrode 20 vorzugsweise individuell und abhängig von der jeweiligen Position der Platte 23, 23 im Plattenstapel 26 gewölbt sind, sodass insbesondere die Wölbung jeder Kantenfläche 27 den Radius der äußeren Halbkugelfläche nachbildet. Dabei ist der Radius der äußeren Halbkugelfläche größer als der Radius der inneren Halbkugelfläche. Allerdings können die dem Zwischenraum 15 zugewandten Kantenflächen 17, 27 der ersten 10 und/oder zweiten 20 Elektrode produktionsbedingt nicht gewölbt, sondern planar und vorzugsweise gewinkelt in einem je nach Plattenposition im Plattenstapel 16, 26 bezüglich einer Grundfläche der Platten individuellen Winkel ausgebildet sein, um die Halbkugelflächen nachzubilden.
Die Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 sind weiterhin vorzugsweise voneinander beabstandet angeordnet, insbesondere durch bevorzugt elektrisch isolierende und/oder elektrisch leitende Abstandhalter 35. Ein derartiger Abstand beträgt ohne Beschränkung auf das hier dargestellte Beispiel zwischen 3 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 9 und 12 mm, bevorzugt genau 11 mm. Die Abstandhalter 35 sind dabei vorzugsweise aus Keramik oder Metall oder einem anderen elektrisch isolierendem oder leitendem Material gefertigt. Der Abstand der Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 stellt sicher, dass diese sich bei Erzeugung eines elektrischen Feldes nicht gegenseitig „stören“. Zum Erzeugen dieses Feldes sind an den Platten, die mit einem Potential belegt werden sollen Anschlusselemente zum elektrischen Anschluss der Platten an eine Energiequelle bzw. Stromquelle vorgesehen. Hierzu sind die Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 idealerweise aus einem elektrisch gut leitenden Material gefertigt, bspw. einem Metall, und insbesondere einem Material mit kleiner Kapazität, wie bspw. Aluminium. Die Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 können daher jeweils einzeln mit einem individuellen, oder auch einem einheitlichen Potential belegt werden, sodass ein fein abgestimmtes elektrisches und/oder magnetisches Feld im Zwischenraum 15 erzeugbar ist. Es kann also jede, insbesondere ringförmige oder scheibenförmige Platte 13, 14, 18, 23, 24, 28 als separate Elektrode angesehen werden. Dies bedeutet auch, dass die erste 10 und/oder zweite 20 Elektrode aus einer Mehrzahl einzelner Elektroden zusammengesetzt sein kann.
Der Vorteil besteht darin, dass das Feld, und damit die Trajektorien sehr genau einstellbar sind, sodass durch die Einzelschaltung der Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28, bspw. der Bodenplatten 13, 23 die einzelne Potentiale angepasst werden können und auf diese Weise zum Beispiel auch Korrekturen lokal, bspw. an exakten Positionen von Feldverzerrungen vorgenommen werden können, sodass die Trajektorien der geladenen Teilchen präzise im gesamten Zwischenraum 15 bzw. im Feld steuerbar sind. Durch die geringe Kapazität der Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 wird zudem ein schnelles Schalten der Potentiale bzw. Spannungen bis in einen Subnanosekunden-Bereich ermöglicht, wodurch das gesamte Energiespektrum der geladenen Teilchen in sehr kurzer Zeit, bspw. wenigen Minuten oder sogar nur einigen Sekunden abgefahren bzw. analysiert werden kann.
In 3 ist der Energieanalysator 1 in Verbindung mit einer Einrichtung zur Flugzeitmessung gezeigt. Eine Probe 41 wird angeregt und geladene Teilchen mit zu analysierender Energie werden mittels elektronischer bzw. magnetischer Linsensysteme 46 von der Probe 41 in Richtung des Analysators 1 gelenkt. Dabei werden die Abbildungseigenschaften durch Potentiale auf den Linsensystemen 46 vordefiniert. Auf dem Weg in den Analysator 1 passieren die geladenen Teilchen zumindest eine Blende 44 bevor sie durch eine weitere Blende 44 und die Eintrittsöffnung 45 in den Analysator gelangen. Hier werden die geladenen Teilchen abgebremst um sie auf einer sogenannten Passenergie zwischen der ersten 10 und zweiten 20 Elektrode durch den Zwischenraum 15 passieren zu lassen. Diese Passenergie ist abhängig von der Energie der geladenen Teilchen, welche auf Trajektorien 47 von der Eintrittsöffnung 44 auf eine Austrittsöffnung 43 in einer Blende 44 geleitet werden. Je nach Energie der Teilchen kann also die Passenergie verändert werden, um das gewünschte Energiespektrum der Teilchen auf der Austrittsöffnung 43 abzubilden. Da die geladenen Teilchen auf ihrem Weg bzw. der Trajektorien durch den Zwischenraum eine Vielzahl von Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 passieren, kann die Passenergie und damit auch die Trajektorie an jeder dieser Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 durch ein entsprechend an den Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 angelegtes Potential eingestellt bzw. verändert, angepasst oder korrigiert werden, um die Teilchen bestmöglich auf der Austrittsöffnung 43 abzubilden. Der Austrittsöffnung 43 ist eine Einrichtung zur Flugzeitmessung der geladenen Teilchen nachgeschaltet am Ende derer ein Sensor bzw. Detektor 40, bspw. ein CCD oder eine Mikrokanalplatte angeordnet ist, um die Teilchen zeit- sowie ortsaufgelöst erfassen zu können. Die Einrichtung zur Flugzeitmessung umfasst dabei eine Driftstrecke bzw. Driftröhre 48 und eine Fokussierungsoptik 42.
Die 4 und 5 zeigen ein Schnittmuster der Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 des Energieanalysators aus größeren Plattenelementen 30, die als gestrichelte Linien angedeutet sind, in einer Querschnittsansicht. Beide Figuren verdeutlichen dabei, wie die einzelnen Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 im Schnittmuster und auch in Bezug auf die Plattenelemente 30 verteilt sind, wobei jeweils zwei symmetrisch angeordnete Elemente eines Plattenelements in der Querschnittsansicht jeweils nur eine ringförmige Platte 13, 14, 18, 23, 24, 28 darstellen. Entsprechend des Schnittmusters ist vorgesehen, dass scheibenförmige Platten 14, 24 innerhalb von ringförmigen Platten 13, 18, 23, 28 angeordnet werden und vorzugsweise auch Platten mit einem kleineren Durchmesser innerhalb von ringförmigen Platten mit größerem Durchmesser. Demnach werden im Zuge des Herstellverfahrens der Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 bzw. des Energieanalysators vorzugsweise mehrere Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 aus einem Plattenelement 30, bspw. mittels eines Material abtragenden Verfahrens, wie Laserschneiden oder Fräsen herausgearbeitet. Ohne Beschränkung auf das hier gezeigte Beispiel ist vorgesehen, mehrere Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28, bspw. zwischen 2 und 10, vorzugsweise zwischen 3 und 6 Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28, oder mehr aus einem Plattenelement 30 herauszuarbeiten. In diesem Beispiel können bspw. also zwischen 16 und 40, insbesondere etwa 26 Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28, aus insgesamt zwischen 2 und 10, insbesondere etwa 6 Plattenelementen 30 herausgearbeitet werden. Insgesamt wird aus einer Anzahl von Plattenelementen 30 also eine größere Anzahl von Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 gefertigt.
Dazu wird vorzugsweise mittels eines geeigneten Verfahrens, bspw. ein Laser- oder Wasserstrahl oder Fräskopf, insbesondere quer zur Grundfläche des Plattenelements 30 angeordnet und die Zielform der Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 herausgearbeitet, bevorzugt so, dass die Kantenflächen 17, 27 parallel zum Laser-/Wasserstrahl oder Fräskopf ausgerichtet werden. Um die Bearbeitungszeit zu verringern, können die Plattenelemente 30 und somit auch die herausgetrennten Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 eine geringe Dicke bzw. Stärke aufweisen, bspw. eine Stärke zwischen 12 mm und 1 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 8 mm, bevorzugt eine Stärke von etwa 5 mm.
Eine andere Möglichkeit, die in 5 dargestellt ist, sieht vor die Kantenflächen 17, 27 nicht quer zur Grundfläche der Platten, sondern in einem Winkel zur Grundfläche der Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 anzuordnen. Insbesondere können die Platten 13, 14, 18, 23, 24, 28 direkt in diesem Winkel aus den Plattenelementen 30 herausgetrennt werden. Selbstverständlich können die Kantenflächen 17, 27 allerdings auch erst in einem weiteren Schritt, bspw. nachträglich mittels geeigneten Materialabtragsverfahren angepasst bzw. geformt, bspw. derart gewölbt werden, wie es zu 2 bereits beschrieben wurde.
Bezugszeichenliste

3: 1 Energieanalysator Grundflansch
4: Kuppelförmiges Gehäuseteil
5, 7: Anschlussrohre
9: Dichtschneide
10: Erste Elektrode 12 Durchgangsbohrungen
13: Bodenplatte der ersten Elektrode
14: Deckelplatte der ersten Elektrode
15: Zwischenraum
16: Plattenstapel der ersten Elektrode
17: Kantenflächen der ersten Elektrode
18: Platten der ersten Elektrode
20: Zweite Elektrode
23: Bodenplatte der zweiten Elektrode
24: Deckelplatte der zweiten Elektrode
26: Plattenstapel der zweiten Elektrode
27: Kantenflächen der zweiten Elektrode
28: Platten der zweiten Elektrode
30: Plattenelemente
35: Abstandhalter
40: Detektor
41: Probe
42: Fokussierungsoptik
43: Austrittsöffnung
44: Blende
45: Eintrittsöffnung
46: Linsensysteme
47: Trajektorien
48: Driftstrecke

Claims

Energieanalysator (1) zur Filterung geladener Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie, wobei der Energieanalysator (1) zumindest eine erste Elektrode (10) und zumindest eine zur ersten Elektrode (10) beabstandete zweite Elektroden (20) aufweist, so dass zwischen der ersten und zweiten Elektrode (10, 20) ein Zwischenraum (15) vorhanden ist, welcher von geladenen Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie und einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden (10, 20) passierbar ist, wobei zumindest eine der Elektroden (10, 20) einen Stapel von elektrisch leitfähigen Platten (16) umfasst, die in Abständen zueinander fixiert sind, wobei die Platten (16) Kantenflächen (18) aufweisen, welche dem Zwischenraum (13) zugewandt sind, wobei die leitfähigen Platten (16) eine kreisförmige Kontur aufweisen und die Kantenflächen (18) der leitfähigen Platten (16) auf einer gedachten Halbkugelfläche liegen.
Energieanalysator (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - die Kantenflächen (18) der leitfähigen Platten (16) liegen auf einer gedachten Halbkugelfläche, so dass der Stapel der Platten (16) eine halbkugelförmige Elektrode nachbildet, - die Kantenflächen (18) der leitfähigen Platten (16) sind derart geformt, insbesondere geneigt oder gewölbt, dass sie einer gedachten Halbkugelfläche folgen.
Energieanalysator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (10, 20) so geformt und angeordnet sind, dass durch Anlegen unterschiedlicher Potentiale an den Elektroden (10, 20) ein radialsymmetrisches elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden (10, 20) ausgebildet wird.
Energieanalysator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (10, 20) jeweils einen Stapel von leitfähigen Platten (16, 26) umfassen.
Energieanalysator (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - die dem Zwischenraum (15) zugewandten Kantenflächen (18) der leitfähigen Platten (16) der ersten Elektrode (10) liegen auf einer gedachten Halbkugelaußenfläche (19), - die dem Zwischenraum (15) zugewandten Kanten (28) der leitfähigen Platten (26) der zweiten Elektrode (20) liegen auf einer gedachten Halbkugelinnenfläche (29).
Energieanalysator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (10) von der zweiten Elektrode (20) zumindest teilweise umschlossen ist.
Energieanalysator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Platte (16, 26), insbesondere mehrere Platten (16, 26), der ersten Elektrode (10) und/oder zweiten Elektrode (20) ringförmig ausgebildet ist/sind.
Energieanalysator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Platte (16, 26), insbesondere mehrere Platten (16, 26), der ersten Elektrode (10) und/oder zweiten Elektrode (20) scheibenförmig ausgebildet ist.
Energieanalysator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine scheibenförmige Platte (16, 26) eine Deckplatte der Elektrode/n (10, 20) ausbildet, und vorzugsweise eine ringförmige Platte (16, 26) eine Bodenplatte darstellt.
Energieanalysator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Platte, vorzugsweise eine Mehrzahl von Platten, einer der Elektroden (10, 20) ein separates Anschlusselement aufweist und einzeln, insbesondere elektrisch, steuerbar ist, sodass die Elektrode (10, 20) mit zumindest zwei unterschiedlichen elektrischen Potentialen belegbar ist.
Energieanalysator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Platten (16, 26) einer Elektrode (10, 20), vorzugsweise durch elektrisch isolierende Abstandhalter, voneinander beabstandet sind.
Energieanalysator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieanalysator (1) eine Einrichtung zur Flugzeitmessung aufweist, insbesondere mit einer Driftstrecke und einem Detektor.
Verfahren zur Herstellung eines Energieanalysators (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Filterung geladener Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie, wobei der Energieanalysator (1) zumindest zwei voneinander beabstandete Elektroden (10, 20) aufweist, so dass zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode (10, 20) ein Zwischenraum (15) vorhanden ist, welcher von geladenen Teilchen abhängig von deren kinetischer Energie und einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden (10, 20) passierbar ist, umfassend die Schritte: a. Bereitstellen zumindest eines elektrisch leitfähigen Plattenelements (8), vorzugsweise einer Mehrzahl leitfähiger Plattenelemente (8), b. Separieren mehrerer, vorzugsweise kreisförmiger, Teilstücke (30) aus den Plattenelementen (8), wobei die Teilstücke (30) als leitfähige Platten (16, 26) vorgesehen sind, wobei an den Platten (16, 26) Kantenflächen (18, 28) geformt werden, und die Kantenflächen (18) derart geformt werden, dass die leitfähigen Platten (16) auf einer gedachten Halbkugelfläche liegen, c. Stapeln mehrerer leitfähiger Platten (16, 26) um zumindest eine Elektrode zu formen, wobei die Platten (16, 26) in Abständen zueinander fixiert werden, d. Bereitstellen einer weiteren Elektrode und Anordnen einer ersten (10) und zweiten Elektrode (20) derart, dass Kantenflächen (18, 28) der Platten (16, 26) der zumindest einen Elektrode dem Zwischenraum (15) zugewandt sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstück (30) ringförmig ausgebildet wird und zumindest ein Teilstück (30) scheibenförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Platten (16) so auf einer gedachte Halbkugelfläche liegen, dass der Stapel der Platten (16) eine halbkugelförmige Elektrode nachbildet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch Fixieren der Platten (16, 26) in Teilstapeln, wobei vorzugsweise mehrere Teilstapel gestapelt werden und eine scheibenförmige Platte (16, 26) als Deckplatte aufgesetzt wird.