DE2534796C3 - Rotationssymetrischer Ionen-Elektronen-Konverter - Google Patents
Rotationssymetrischer Ionen-Elektronen-KonverterInfo
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Description
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen rotationssymmetrischen lonen-EIektronen-Konverter (IEK) gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
IEK werden zum Nachweis von Ionenströmen sowie für Untersuchungen des Mechanismus der Sekundär-Elektronen-Emission
durch Ionenbeschuß verwendet. Beim Nachweis von Ionenströmen werden die nachzuweisenden
Ionen auf eine elektronenemissionsfähige so Sekundäremissions-Elektrode (SE-Elektrode) beschleunigt
und der Strom der durch den Ionenbeschuß ausgelösten Sekundär-Elektronen wird mit Hilfe eines
Elektronendetektors, zum Beispiel eines Halbleiteroder Szintillationsdetektors gemessen.
Bei dem aus der US-PS 35 38 328 bekannten IEK treten die nachzuweisenden Ionen durch eine öffnung
am kleineren Ende einer kegelstumpfmantelförmigen SE-Elektrode in diese ein und werden durch eine hohe
negative Spannung zur Innenwand dieser SE-Elektrode gezogen, wo sie mehr oder weniger steifend auftreffen.
Die dabei ausgelösten Sekundär-Elektronen werden auf einen Szintillations-Kristall beschleunigt, der der größeren
öffnung der SE-Elektrode gegenüberliegt und etwa die gleichen Abmessungen wie diese hat. Der Szintillationskristall
ist mit einer elektronendurchlässigen Elektrode zur Beschleunigung der Sekundär-Elektronen
versehen und der dem Rand dieser Elektrode gegenüberliegende Rand der SE-Elektrode ist zur Vermeidung
übermäßiger Feldstärkekonzentrationen abgerundet.
Ein anderer Typ von IEK ist aus der Veröffentlichung »International Journal of Mass Spectrometry and Ion
Physics« U (1973) 255-276 bekannt Bei diesem IEK handelt es sich um einen sogenannten »Spiegel-IEK«,
der eine obene SE-Elektrode aufweist, der^ine parallele
Elektrode eines Szintülationskristalles gegenübersteht
Die SE-Elektrode hat ein Loch, durch das die Ionen in Richtung auf die Elektrode des SE-Detektors eintreten.
Die Elektrode des SE-Detektors ist positiv vorgespannt, so daß alle oder ein niederenergetischer Teil der
eintretenden Ionen zur SE-Elektrode reflektiert werden und aus der dem SE-Detektor gegenüberliegenden
Oberfläche dieser Elektrode Sekundär-Elektronen auslösen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten IEK hinsichtlich der Feldgeometrie
zu verbessern, so daß eine effektivere Sammlung der Sekundär-Elektronen gewährleistet ist und gleichzeitig
Störungen durch Feldemission von Elektronen erheblich verringert werden.
Diese Aufgabe wird bei einem IEK der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Der kompakte Aufbau und die hohe Nachweisempfindlichkeit des IEK gemäß der Erfindung machen ihn
ganz allgemein zum Nachweis von positiven Ionenströmen im Hoch- und Ultrahochvakuum geeignet Vor
allem in der Massenspektrometrie ist sein Einsatz vorteilhaft, weil durch die hohen erreichbaren Betriebsspannungen
der Massendiskriminationseffekt klein gehalten werden kann. Wenn zum Nachweis der
Sekundärelektronen ein Szintillationszähler verwendet wird, lassen sich Zählfreqfienzeu his über 100 MHz
erreichen.
Bei der Anwendung in der Sekundärionen-Massenspektrometrie
(»SIMS«) ermöglicht der vorliegende IEK eine Entscheidung darüber, ob eine Massenlinie
einem Atom- oder einem Molekülion zuzuordnen ist (sog. Masseninterferenz), da die Sekundärelektronen
von MolekOlionen sich von denen der Atomionen bezüglich ihrer Häufigkeitsverteilung (Sekundäremissionskoeffizient)
unterscheiden.
Ein Ausführungsbeispiel eines Ionen-Elektronen-Konverters gemäß der Erfindung ist in der einzigen
Figur der Zeichnung im Axialschnitt dargestellt
Der IEK enthält eine rohrförmige, rotationssymmetrische
Sekundärernissionselektrode 10 (SE-Elektrode) mit einer zylinderförmigen Außenfläche. Die Innenfläche
hat etwa die Form einer Standuhr und bildet eine blendenartige Verengung mit einer axialen Durchbrechung
12, die im Betrieb von den nachzuweisenden Ionen durchlaufen wird. Der in der Zeichnung untere
Teil der Innenfläche der SE-Elektrode umschließt einen Konverterraum 14 und bildet eine an die Durchbrechung
12 angrenzende konkave, insbesondere halbkugelförmige Sekundäremissionsfläche 16, an die sich ein
zylindrischer Teil der Innenfläche anschließt Alle Ränder der SE-Elektrode 10 und der anderen
Elektroden sind, wie dargestellt, abgerundet
Im Konverterraum 14 befindet sich ein Elektronendetektor 18, der z. B. ein Szintillationsdetektor oder ein
Oberflächensperrschicht-Halbleiterdetektor ist Der
Elektronendetektor 18 ist von einer rohrförmigen koaxialen Hilfselektrode 20 umgeben, deren der
Durchbrechung 12 zugewandtes Ende, bei dem sich der Elektronendetektor 18 befindet, geringfügig blendenartig
verengt ist, um so z.B. die Randbereiche eines Halbleiterdetektors abzuschirmen.
Auf der Eintrittsseite der Ionen hat die Innenfläche
der SE-Elektrode 10 angrenzend an die Durchbrechung 12 einen schalisiförmigen Teil, der etwa die Fcrm einer
Hälfte eines flachen Rotationsellipsoids hat, während der an das Ende der Elektrode angrenzende Teil der
Innenwand zylindrisch ist.
Der dargestellte IEK hat also einen rotationssymmetrischen
Aufbau bezüglich einer durch die Durchbrechung 12 gehenden Achse 22.
Die Eintrittsseite der SE-Elektrode 10 braucht nicht die in der Zeichnung dargestellte Form zu haben. Die
Eintrittsseite oder der Vorderteil der SE-Elektrode dient in erster Linie zur ionenoptischen Anpassung des
IEK an eine Ionenquelle 24 oder an zwischen der Ionenquelle und dem IEK angeordnete (in der
Zeichnung nicht dargestellt) ionenoptische Einrichtungen,
wie Linsen. Die SE-Elektrode 10 kann also z. B. an der der Ionenquelle 24 zugewandten Seite eine ebene
Stirnfläche oder eine zur Ionenquelle hin konvexe Stirnseite haben.
Zum Nachweis von Ionen mit einer bestimmten Strahlspannung muß vor dem Elektronendetektor 18
durch diesen und die Hilfselektrode 20 ein Gegenfeld für die Ionenumkehr aufgebaut werden. Hierfür muß das
Potential von Elektronendetektor 18 und Hilfselektrode 20 etwas größer (z. B. um einige 100 Volt) sein als die
Strahlspannung der nachzuweisenden Ionen. Das Potential der SE-Elektrode 10 muß hingegen unter der
Ionenstrahlspannung liegen, wobei die Differenz im allgemeinen nicht geringer als etwa 10 kV sein sollte, um
eine effektive Sekundärelektronenauslösung zu gewährleisten.
Wenn beispielsweise die von der Ionenquelle 24 emittierten Ionen eine Beschleunigungsspannung von
1 kV haben, so kann die Spannung an der SE-Elektrode 10 etwa —20 kV und das Potential an der Hilfselektrode
20 etwa +5 kV betragen. Die Spannung am Elektronendetektor
18 ist gleich oder etwas kleiner als die Spannung an der Hilfselektrode.
Zur Verminderung von Verlusten durch Ionen, welche durch die Durchbrechung 12 reflektiert werden,
to ohne die Sekundäremissionsfläche 16 zu erreichen, kann
zwischen der Ionenquelle 24 und dem IEK eine ionenoptische Linse angeordnet werden, die die
Divergenz des Ionenstrahl erhöht, oder der IEK kann
bezüglich der Ionenquelle 24, wie dargestellt, so
is angeordnet werden, daß der Ionenstrahl 26 schräg zur
Achse 22 verläuft Schließlich kann man auch das die Ionen reflektierende Feld durch Abweichungen von der
Rotationssymmetrie so ausbilden, daß die Ionen in erster Linie zur Sekundäremissionsfläche 16 und nur in
geringem Maße durch die Durchbrechung 12 reflektiert werden.
Die Sekundäremissionsfläche 16 braucht nicht kugelkalottenförmig
zu sein, sondern kann z. B. die Form eines Teiles eines Rotationsellipsoides haben. Die
Sekundäremissionselektrode 10 kann aus irgendeinem bekannten sekundärelektronenemissionsfähigen Material,
wie Edelstahl, bestehen oder im Bereich der Sekundäremissionsfläche 16 mit einem sekundäremissionsfähigem
Material, wie Cu-Be- MgO, usw., beschichtetsein.
Bei dem vorliegenden IEK ist der Untergrundbeitrag durch Feldelektronen niedrig, da die Sekundärelektronenauslösung
im Bereich niedriger Feldstärken erfolgt. Wegen der leichten Berechenbarkeit der axialsymmetrisehen
ionenoptischen Bedingungen lassen sich außerdem die Potentialverhältnisse bezüglich lonenreflexion
und Sekundärelektronenfokussierung einfach optimieren.
Claims (5)
1. Rotationssymmetrischer Ionen-Elektronen-Konverter
mit einer Sekundäretnissionselektrode, s
welche eine lonendurcbtrittsöffnung aufweist und auf der Ionenaustrittsseite dieser öffnung eine
konkave Sekundäremissionsfläche bildet, ferner mit einer auf der Achse angeordneten Sekundärelektronendetektoranordnung,
die einen Elektronendetektor und eine zur Ablenkung der Ionen auf die Sekundäremissionsfläche beitragende Hilfselektrode
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundäremissionsfläche eine Kalotte ist und
daß sich die Sekundärelektrodendetektoranordnung is
(18, 20), deren Hilfselektrode (20) im Betrieb auf einem solchen Potential liegt, daß alle nachzuweisenden
Ionen reflektiert werden, axial in das offene Ende der Kalotte erstreckt
2. Ionea-Elektronen-Konverter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte aus einem kugelsymmetrischen (16) und einem daran anschließenden
zylindrischen Teil besteht
3. Ionen-Elektroden-Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrade
(20) zylindrisch ist und den Elektronendetektor (18) umschließt
4. Ionen-Elektronen-Konverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das der lonendurchtrittsöffnung
(12) zugewandte Ende der zylindrisehen Hilfselektrode (18) blendenartig verengt ist
und daß der Elektronendetektor (18) sich in nahem Abstand hhiter dieser Verengung befindet
5. Ionen-Elektronen-Konverter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß oer Elektronendetektor
(18) ein Halbleiterdetektor ist, dessen Randbereiche durch die blendenartige Verengung gegen
Elektroneneinfall abgeschirmt sind.
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