DE2534796C3 - Rotationssymetrischer Ionen-Elektronen-Konverter - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen rotationssymmetrischen lonen-EIektronen-Konverter (IEK) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher IEK ist aus der US-PS 35 38 321 bekannt

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

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.