DE3428944A1

DE3428944A1 - Laufzeit-ionenmasse-analysator

Info

Publication number: DE3428944A1
Application number: DE3428944A
Authority: DE
Inventors: Georgij Georgievi&ccaron; Moskau Managadze
Original assignee: INST KOSMICES I AN
Current assignee: INST KOSMICES I AN
Priority date: 1983-08-16
Filing date: 1984-08-06
Publication date: 1985-02-28
Also published as: FR2550884B1; US4611118A; FR2550884A1; ATA255784A; AT393036B

Description

Institut Kosmicheskikh Issledovany Akademii Nauk SSSR

Laufzeit-Ionenmasse-Analysator

" Die Erfindung betrifft einen Laufzeit-Ionenmasse-Analysator, der zur Bestimmung des Massen- und Isotopenverhältnisses von Stoffen in einem breiten Kreis von Aufgaben der chemischen Analyse und vorwiegend zur Ermittlung des Massen- und · Isotopenverhältnisses des Plasmas im Vakuum eingesetzt wird.

Es ist ein Laufzeit-Ionenmasse-Analysator (Massen-Reflektron) bekannt, in dem die durch fokussierte Laserstrahlen oder durch Einwirkung eines Elektronenbündels erzeugten Ionen des zu untersuchenden Stoffes bei ihrem freien Zerstieben oder nach zusätzlicher Beschleunigung eine Driftstrecke durchfliegen und nach der Reflexion in einem Reflektor von einem Detektor registriert werden. Bei bekannter Anfangsenergie der einfach ionisierten Ionen und bei bekannter Laufzeit kann man die Masse der Ionen bestimmen. Im Reflektron erfolgt die räumliehe und zeitliche Fokussierung der Ionenpakete, die infolge

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der Streuung der Anfangsenergie von Ionen zerfließen, und deshalb weist das Ge-rät—eine hohe Massenauflösung - bis 3000 auf (vgl. z.B. Mamyrin W.A. "Massen-Reflektron", Journal für experimentelle und theoretische Physik, Bd. 64. 1, 1973).

_ Mit diesem bekannten Gerät kann aber die Ionenmasse nicht ~ bestimmt werden, wenn-der Startzeitpunkt der Ionen nicht genau bekannt ist. Ohne eigene Ionenquelle, von der die Ionen gewöhnlich in der Zeitspanne von 1 bis 10 ns ins Gerät' injiziert werden, kann also dieses Gerät nicht benutzt werden.· Als Massenanalysator für die von außen kommenden ~ionen läßt sich das beschriebene Gerät also nicht verwenden.

Bekannt ist auch ein Laufzeit-Ionenmasse-Analysator mit einer Baueinheit zur Nachbeschleunigung der zu analysierenden Ionen sowie mit einem weiter in der Ionenflugrichtung liegenden Aufnehmer (Kohlenstoffolie) eines Gebers zum Fixieren des Zeitpunktes des Ioneneintritts in die Durchlaufstrecke und mit einem Elektronendetektor, der an einen Zeitintervallmesser angeschlossen ist (vgl. "Comet Halley Neutral Gas Experiment-CHALLENGE - Proposal Submitted to ESA in Response of Tiotto. Call for Experiment Proposals. Pr. SCI (80) 7. Max-Planck Institut für Aeronomie, Lindau 1980).

Bei diesem bekannten Analysator erfolgt die Massenanalyse der von außen kommenden Ionen auf Grund der Zeit, in der sie die Durchlaufstrecke passieren, wobei die Bedingung gilt, daß"-die Teilchen eine geringe Energiestreuung und eine niedrige Anfangsenergie haben sollen. In der Nachbeschleunigungseinheit des Gerätes werden diese Ionen gewöhnlich bis zur Energie von 45 ... 70 keV beschleunigt und durch eine Kohlen-

2 stoffolie von geringer Dicke ( = 2 pg/cm ) durchgelassen.

Die aus der Folie ausgelösten Sekundärelektronen werden mit Hilfe'eines Detektors in Form eines Systems von Mikrokanalplatten registriert und ergeben ein Start-Signal zum Zählen

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der Ionenflugzeit in der Durchlaufstrecke von vorgegebener Länge. Ein ähnliches System von Mikrokanalplatten am Ende· der Durchlaufstrecke bestimmt die Zeit der Ionenankunft und erzeugt ein Stop-Signal. Bei bekannter Anfangsenergie der Ionen und bekannter Flugzeit_derselben läßt sich die Masse der einfach geladenen Ionen bestimmen.

Dieser bekannte Massenanalysator ist aber durch niedrige Massenauflösung bei der Registrierung von schweren Ionen gekennzeichnet, weil mit einer Massenvergrößerung der Ionen auchdie effektive Streuung der Energieverluste bei der ■ Ionenbewegung durch die Folie wächst. Daraus ergibt sich auch die Notwendigkeit einer hohen Nachbeschleunigungsspannung

M ^ "im Empfangsteil des Gerätes. Die Massenauflösung -τ-τ? fällt bei einer Nachbeschleunigungsspannung am Gerät von etwa 75 kV für die Massen von ungefähr 100 ME auf 10 (für M = 40 ME ist

τΓ-τϊ = 40) ab, wobei die Erfassung von Massenspitzen der Isotope von mittelschweren und schweren Stoffen unmöglich wird. Durch das unter hoher Spannung stehende Nachbeschleunigungssystem des Gerätes wird seine breite Anwendbarkeit eingeschränkt, seine durch Hochspannungsdurchschläge begrenzte Zuverlässigkeit bedeutend herabgesetzt, sein Gewicht erheblich vergrößert und sein Aufbau kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laufzeit-Ionenmasse -Analysator mit einem Bauelement zu schaffen, welches die Kompensation von Ionenenergieverlusten und eine effektivere Registrierung von beim Foliendurchgang gestreuten Ionen ermöglicht und eine h_ohe Genauigkeit der Massen- und Isotopenanalyse der von außen kommenden Ionen mit bedeutender Energiestreuung und verhältnismäßig hoher Anfangsenergie sowie eine hohe Massenauflösung beim Registrieren von schweren Ionen ergibt, während durch Herabsetzung der Hochspannung ein geringeres Gewicht, eine höhere Zuverlässigkeit des Gerätes und sein einfacherer Aufbau erreicht werden sollten.

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1- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Laufzeit-Ionen-:

masse-Analysator miT~erner Baueinheit zur Nachbeschleunigung der zu analysierenden Ionen und mit einem weiter in de/i^ Ionenflugrichtung liegenden Aufnehmer des Gebers, der den Zeitpunkt des Ioneneintritts in'die Durchlaufstrecke fixiert (Ionen-Eintrittsmomentgeber) sowie mit einem hinter dem Aufnehmer liegenden Elektronendetektor, der an einen Zeitintervallmesser angeschlossen ist, erfindungsgemäß zwischen dem Aufnehmer des Gebers und dem Elektronendetektor ein Reflektor angeordnet ist, der mindestens zwei Gitterelektroden - eine Zwischenelektrode und eine Bodenelektrode - enthält,"von denen die dem Aufnehmer des Gebers näher liegende Zwischenelektrode zur Anlegung eines Potentials an diese Elektrode bestimmt ist, das im Raum des Reflektors zwei Strecken mit, unterschiedlicher Feldsteilheit bildet, wobei die Potentialdifferenz zwischen der Bodenelektrode des Reflektors und dem Aufnehmer des Gebers nach ihrem Betrag gleich oder höher als der Potentialunterschied an der Baueinheit zur Nachbeschleunigung gewählt wird,

Um das eventuelle Eindringen des reflektierten Iofrs in den Nachbeschleunigungsraum zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Ebene der Zwischenelektrode unter einem Winkel O^ zur Richtung der Ionenbeschleunigung anzuordnen und den Raum des Reflektors von· dem Aufnehmer des Gebers an bis zur Zwischenelektrode in zwei identische Kanäle - einen Kanal zur Elektronenvorbeschleunigung und einen Kanal zur Ionenherausführung' zu teilen, deren Achsen einander unter einem Winkel von 2 [IF- CA/) schneiden, und am Ausgang des Kanals zur Ionenherausführung einen zusätzlichen Ionendetektor einzubauen.

Zweckmäßig ist die Ausstattung des Laufzeit-Ionenmasse-Analysators mit einem Ionenenergiefliter, das vor dem Eingang der Baueinheit zur Ionennachbeschleunigung eingebaut und dessen Eingang an den Ausgang des durch ausgangs.se i t ige Signale des Zeitintervallmessers gesteuerten ImpuIsspannungs-

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-δerzeugers angeschlossen ist.

_- Von Vorteil ist die Ausführung des Aufnehmers des Ionen-Eintrittsmomentgebers in Form einer Jalousie, deren Rippen unter einem Winkel kleiner als H)⁰ zur Richtung der fonenbeschleunigung angeordnet sind, wobei die Breite der Rippen ~~zum Abfangen des einfallenden Ionenflusses ausreichend sein

Für den Aufnehmer des Ionen-Eintrittsmomentgebers kann man auch eine Mikrokanalplatte benutzen, bei welcher der Nei-1Ö gungswinkel der Achse der Kanäle zu den Grundflächen der Platte nicht größer"als 10 gewählt wird und die Dicke der Platte ^ zum Abfangen des einfallenden Ionenflusses ausreichend ist.

Der gemäß der Erfindung ausgeführte Laufzeit-Ionenmasse-' Analysator gibt die Möglichkeit, die Nachbeschleunigungsspannung im Vergleich zum bekannten Folien-Massenanalysator um das 5 bis 7-fache herabzusetzen und gleichzeitig die Massenauflösung bei vorgegebener Foliendicke um das Mehrfache-zu erhöhen sowie die Effektivität der Ionenregistrierung bei zulässiger Ionenenergiestreuung von TO-... 20 % um das 3 bis 10-fache zu steigern." Der Aufbau des Gerätes ist einfach und seine Abmessungen sind mit denen der Geräte zum ähnlichen Zweck vergleichbar oder kleiner als diese. Beim"Aufbau des Laufzeit-Ionenmasse-Analysators gemäß der Erfindung ermöglicht die Ausführung des Reflektors mit mehr als zwei" Gitterelektroden eine mehrfache Erhöhung der zulässigen Ionenenergiestreuung und eine hohe Massenauflösung.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf besonders geeignete Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: .--...■

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Fig. 1 ein Prinzip- und Blockschema eines Laufzeit-Ionenmas se^taralysa tors ;

Fig. 2 ein Diagramm von Spannungen an den Elektroden des Ionenmasse-Analysafof~~nach Fig. 1 ;

Fig. 3 ein Prinzip--und Blockschema einer Ausführung des Laufzeit-Ionenmasse-Analysators mit einem Zweikanal-Reflektor; ' ' -

Fig. 4 eine isometrische Darstellung des in der Art^einer Jalousie ausgeführten Aufnehmers des Ionen-Eintrittsmomentgebers;

Fig. 5 einen.in Form einer Mikrokanalplatte realisierten Aufnehmer des Ionen-Eintrittsmomentgebers (teilweise geschnitten).

Der in Fig. 1 gezeigte Laufzeit-Ionenmasse-Analysator enthält eine Baueinheit 1 zur Ionennachbeschleunigung, die aus zwei hintereinander liegenden Elektroden 2 und 3 besteht, von denen die Elektrode 2 eine Gitterelektrode darstellt und die Elektrode 3 in Form einer Metallplatte ausgeführt ist, deren Außenseite mit einem Stoff von hohem Ionen-Elektronen- und Sekundäremissionsfaktor z.B. mit einem Nickelfilm überzogen ist. In der Mitte der Elektrode 3 befindet sich ein Aufnehmer 4 des Ionen-Eintrittsmomentgebers, derden Zeitpunkt des Ioneneintritts in die Durchlaufstrecke fixiert. Dieser Aufnehmer 4 ist z.B. eine Kohlenstoffolie mit einer Dicke von 20 bis 100 X . In Ionenflugrichtung hinter der Baueinheit 1 und dem Aufnehmer 4 liegt der Reflektor 5, der bei dieser Ausführung aus zwei Gitterelektroden

6 und 7 - einer Zwischenelektrode 6 und einer Bodenelektrode

7 - besteht. Näher am Aufnehmer 4 liegt die Zwischenelektrode 6 , an die ein Potential angelegt wird, das im Raum des

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■ Reflektors 5 zwei Strecken 8 und 9 mit unterschiedlicher . ^^^ Steilh'e it "des elektrischen Feldes bildet. In der Strecke 8 werden die Sekundarelektrcmen vorbeschleunigt, während in der Strecke 9 die hauptsächliche Abbremsung der Ionen erfolgt. Der einerseits durch die Elektrode 3 und andererseits durch die Bodenelektrode 7 begrenzte Raum ist die Durchlaufstrecke h.

Hinter der Bodenelektrode ~T~~liegen hintereinander ein Analysegitter 10,· eine Schutzfolie 11 und ein Elektronendetektor 12. Der letztere ist an den Eingang eines Zeitintervallmessers 13 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Impulsspannungserzeugers 14 verbunden ist.Der Laufzeit-Ionenmasse-Analysator enthält auch ein Ionenenergiefilter 15 vor dem ,„- Eingang der Baueinheit 1 , dessen Eingang an den Ausgang des Impulsspannungserzeugers 14 geschaltet ist. Alle Gitterelektröden 2,-6, 7 und das Analysegitter 10 stellen Gitter mit hoher (95 ... 98 I) Transparenz und einem niedrigen Sekundärelektronen-Emissionsfaktor dar. Der Detektor 12 wird bei dieser Ausführung durch zwei hintereinander liegende Mikrökanalplatten gebildet. Als Ionenenergiefilter 15 kann raan^: ζ i R"-^: eine elektrostatische Ablenkeinheit benutzen, die bei Anlegung einer vorgegebenen Spannung an diese Ablenkeinheit den anfänglichen Teilchenfluß um drei bis vier Größenordnungen abschwächen kann. Als Impulsspannungserzeuger 14 kann ein beliebiger Impulsgenerator dienen, der kurze( = 0,01 ... 3 μζ) .25' Einzelimpulse liefert.

L -. ._Die beschriebene Ausführung des Ionenmasse-Analysators enthält nur zwei Gitterelektroden 6 und 7 im Reflektor 5. Die Zahl.solcher Elektroden kann aber vergrößert werden, um eine . ... -kompliziertere nichtlineare Potentialverteilung über die Länge des Reflektors 5 zu erreichen. Dadurch können die physikalischen Kennwerte des Gerätes bedeutend verbessert werden, die eine nofte-Massenauflösung bei der Registrierung von Ionen mit bedeutender Anfangsenergiestreuung ermöglichen.

1- Fig. 2 zeigt ein Diagramm von Spannungen an den Elektroden des Ionenmasse-Analysators, in dem auf der Ordinatenachse die Spannungen V in kV und auf der Abszissenachse die Bezugszeichen der entsprechenden Elektroden des Masse-Analysators aufgetragen sind. In Fig. 2 sind die Koordinatenachsen um den Winkel von 90 bedingt gedreht, um die einzelnen Punkte des Diagramms mit den entsprechenden Elektroden des Ionenmasse-Analysators in Fig. 1- bequem in Zusammenhang zu bringen.

Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 liegt die Ebene der Zwischenelektrode 6 im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 1 unter einem Winkel O^ zur Richtung 16 der Ionenbeschleunigung, während der Raum des Reflektors 5' vom Aufnehmer 4 bis zur Zwischenelektrode 6 in zwei identische Kanäle 17 und 18 geteilt ist, deren Achsen einander unter einem Winkel von 2 {If - öCJ schneiden.· Der Kanal 17 dient zur Elektronenvorbeschleunigung, und der Kanal 18 ist zur Ionenherausführung bestimmt. Am Eingang des letzteren ist eine der Elektrode 6 ähnliche Gitterelektrode 6' eingebaut,und am Ausgang dieses Kanals 18 liegt eine der Elektrode 3 ähnlich ausgeführte Gitterelektrode 19, hinter der ein dem Detektor 12 ähnlicher Detektor 20 angeordnet ist. Der Raum 9' des Reflektors 5' stellt das Gebiet der vollständigen Abbremsung und der Reflexion von Ionen dar. Die Detektoren 12 und 20 sind an die Eingänge des Zeitintervallmessers 13 angeschlossen, wobei vom Detektor 12 das Start-Signal und-vom Detektor 20 das Stop-Signal abgenommen werden.

Eines der wichtigsten und arbeitsaufwendigen Elemente des Gerätes ist der Aufnehmer 4, der den Zeitpunkt des Ioneneintritts in die Durchlaufstrecke fixiert. Dieser Aufnehmer 4 ist eine dünne Kohlenstoffolie. Der Zeitpunkt des Eintritts eines Ions wird durch Registrierung des Sekundärelektrons bestimmt, das vom Ion bei seinem Durchgang der Folie herausgeschlagen wird. Infolge der für eine hohe Massenauflösung erforderlichen geringen Foliendicke ist dieses Element außerordentlich empfindlich.

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^ höhere Zuverlässigkeit weist der in Fig. 4 gezeigte jalousieartige Aufnehmer , dessen plattenförmige Rippen 21 unter einem Winkel ß von höchstens 10 zur Zeichnungsvertikalen bzw. Achse geneigt sind, wobei die Breite b der Rippen 21 zum vollständigen Abfangen des in Achsrichtung einfallenden Ionenflusses 22 ausreichend gewählt ist. Die Rippen "~~21 der Jalousie bestehen aus einem Material mit großer Atomzahl, z.B. aus W oder Mo, oder sind mit einem solchen Stoff über- ■ zogen, um die Ionen-Ionen-Emission klein zu halten.

Für 'den Aufnehmer kann erfindungsgemäß auch eine Mikrokanalplatte gemäß Fig. 5 benutzt werden, wenn der Neigungswinkel ß der Achsen ihrer Kanäle 23 zu den Grundflächen 24 der Platte

/'"nicht größer als 10° gewählt wird und die Dicke H der Platte selbst beim vorgegebenen Durchmesser d der Kanäle 23 für das Abfangen des auf die Platte einfallenden Ionenflusses 22 ausreichend ist*.

Der erfindungsgemäß ausgeführte Laufzeit-Ionenmasse-Analysator funktioniert wie folgt.

An die Elektroden des Gerätes werden folgende Spannungen angelegt. Das Gehäuse und die Elektrode 2 (Fig.1, 2) liegen unter dem Erdpotential (Nullpotential). An die Elektrode 3 und dementsprechend den Aufnehmer 4 wird eine in gegenüber dem Gehäuse negative Spannung V (im einfachsten Fall bei niederenergetischen Ionen etwa 10 kV) angelegt. An der Zwischenelektrode 6 liegt bezogen auf das Gehäuse das Potential V₁ = 0,9 V , und die Bodenelektrode 7 liegt gewöhnlich unter dem Gehäusepotential (oder unter einem kleinen positiven Potential von +0,1 V in Bezug auf das Gehäuse). Dabei ist die Potentialdifferenz V an der Baueinheit 1 nach ihrem Betrag gleich oder kleiner als der Potentialunterschied V_R am Reflektor 5 ( JV_O{£ |V_R1 zwischen den Elektroden 3 und 7). Das Analysegitter 10 liegt unter dem Potential V., wobei

V 4 V -^V₁ ist, während die Schutzfolie 11 das Nullpotential ο a I

führt,- Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Reflektor 5 nur zwei Strecken 8—unxh-9, die durch die Zwischenelektrode 6 getrennt werden und unterschiedliche Steilheit des elektrischen Feldes aufweisen. Bei einem komplizierteren Mehrgitter-Reflektor kann das Feld zwischen den Elektroden 3 und 7 nichtlinear sein oder aus vielen Abschnitten eines Linearfeldes bestehen.

Im Standby-Betrieb ist das Ionenenergiefilter 15 für-den Durchgang von Ionen offen. Ein Ion, dessen Flugbahn in Fig.1 roit der Kurve 25 angedeutet ist, durchdringt ungehindert das Filter 15 und gelangt in die Baueinheit 1, wo es entsprechend der Spannung V beschleunigt wird. Indem das Ion die Folie des Aufnehmers 4 durchschlägt und dabei einen Teil seiner Anfangsenergie verliert, erzeugt es eine erste Sekundärelektronen- gruppe, deren Bewegungsbahn in Fig. 1 durch die Linie 26 angedeutet ist, worauf das Bremsen des Ions im Feld des Reflektors 5 beginnt. Die Sekundärelektronen durchlaufen die Strecken 8 und 9 im Feld des Reflektors 5, das Analysegitter 10, die Folie 11 und gelangen in den Detektor 12. Der bei der Registrierung dieser Elektronen im Detektor 12 entstehende Impuls (das Start-Signal) löst die Zeitzählung im Zeitintervallmesser 13 aus. Derselbe Impuls erzeugt im Impulsspan-· nungserzeuger 14 ein Signal, das dem Ionenenergiefilter 15 zugeführt wird und dieses für den Durchgang von Ionen sperrt.

Das Ion, das die erste Sekundärelektronengruppe erzeugt hat, wird im Feld des Reflektors 5 in der Strecke 9 reflektiert und schlägt auf die Oberfläche der Elektrode 3 auf, die einen Überzug mit einem hohen Koeffizienten der Sekundärelektronenemission aufweist, oder durchdringt noch einmal die Kohlenstofffolie und erzeugt eine zweite Sekundärelektronengruppe, deren Flugbahn in Fig.1 mit einer Linie 27 schematisch angedeutet ist. Diese Elektronen gelängen in den Reflektor 5 und dann zum Detektor 12, wobei sie im Zeitinterval!messer 13

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Stop-Signal zur Unterbrechung der Zeitzählung erzeugen. Durch dasselbe Signal wird jiie Sperrspannung vom Ionenenergiefilter 15 weggenommen.

Bei bekanntem Zeitintervall zwischen zwei Impulsen und bei Berücksichtigung dessen, daTß die Austrittszeit eines Sekundärelektrons nicht länger als 10 ... 10 s ist, kann man mit hoher Genauigkeit die Zeit bestimmen, in der sich ein Ion im Raum des Reflektors 5 (in der Durchlaufstrecke) befindet. Ausgehend von der Anfangsenergie E des Ions, die der Beschleunigungsspannung V entspricht, und von der Verweilzeit des Ions im Reflektor 5 kann man die Masse des Ions eindeutig bestimmen.

Die Bewegungsbahn eines Ions im Reflektor 5 bis zu seiner Reflexion kann man schematisch in zwei Strecken 8 und 9 teilen. In der ersten durch die Elektroden 3 und 6 begrenzten Strecke verliert das Ion einen kleinen Teil seiner Energie.

Diese Strecke 8 ist dem Driftgebiet im Massen-Reflektron analog. Nach dem Durchgang der Elektrode 6 gelangt das Ion weiter in der zweiten Strecke 9 in ein elektrisches Feld mit großer Steilheit, verliert seine ganze Energie und wird reflektiert. Diese Strecke 9 entspricht dem eigentlichen Reflektor im Massen-Reflektron. Bei der Reflexion des Ions im elektrischen Feld mit der oben beschriebenen Konfiguration erfolgt die räumliche und zeitliche Fokussierung der Ionenpakete. Das heißt, daß die Ionen von gleicher Masse aber mit unterschiedlicher Anfangsenergie E in der Durchlaufstrecke während einer und derselben Zeit bleiben und die vorhandene Energiestreuung ' die Genauigkeit der Ionenmassenmessung nicht beeinflussen kann. Dieser Umstand gibt die Möglichkeit, die Auflösung des Gerätes bei einer kleineren Nachbeschle'unigungsspannung zu erhöhen.

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V Im beschriebenen Ionenmasse-Analysator hat die Streuung der Ablenkwinkel der Ioirenflugbahn beim Durchgang der Ionen durch die Folie auch keinen Einfluß auf die Auflösung des" Gerätes. Dies ist dadurch bedingt, daß die Laufzeit eines Ions in der Durchlaufstrecke vom Ablenkwinkel seiner anfänglichen Flugbahn beim Eintritt in die Durchlaufstrecke unabhängig ist. Wichtig ist dabei die Registrierung des Zeitpunktes, in dem das reflektierte Ion auf die Elektrode 3 oder auf den Aufnehmer 4 aufschlägt. Zur Erweiterung des Winkelablenkungsbereiches der Flugbahnen, bei denen das reflektierte Ion die

Elektrode 3 trifft, wird eine entsprechende geometrische ι Form des Gerätes gewählt. Bei einer kleinen Eintrittsöffnung, ,. die in der Regel vom Durchmesser der Kohlenstoffolie begrenzt wird, soll beispielsweise der Innendurchmesser der Gitterelektroden 6, 7 und des Gitters 10 möglichst größer und die Höhe h der Durchlaufstrecke möglichst kleiner gewählt werden. Das letztere wird durch die Durchschlagspannung des Raumes zwischen den Gitterelektroden 6 und 7 bestimmt.

Wenn der Laufzeit-Ionenmasse-Analysator gemäß der Erfindung zur Untersuchung eines als UV-Strahlungsquelle benutzten Plasmas verwendet wird, dient die Folie 11 als Schirm zum Schutz des Detektors 12 vor unerwünschter Aufhellung. Da ein vom Aufnehmer 4 ausgelöstes Elektron eine Energie von ungefähr 10 keV besitzt, kann es die Schutzfolie 11 mit einer Dicke von etwa 1 μπι (10000 A ) durchschlagen, die somit für dieses Elektron kein Hindernis bei seiner Bewegung zum Detektor 12 darstellt. Gleichzeitig reicht· diese Dicke der Folie 11 zum .sicheren Schutz des Detektors 12 vor unerwünschter Aufhellung vollkommen aus.

Die Folie 11 verhindert auch den Aufprall von neutralen Atomen und negativen Ionen auf den Detektor.

Um die Möglichkeit einer Fehlauslösung des Gerätes beim Aufprall eines Ions auf die Gitterelektrode 6 und Bildung

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^, eines Sekundärelektrons auszuschließen , ist das Analysegitter 10 vor dem Detektor 12 eingebaut. Dieses Gitter 10 wirkt als energetisches Filter mit einer Potentialschwelle, welche nur diejenigen Elektronen zum Detektor 12 durchläßt, die eine der vollen Potentialdifferenz zwischen dem Aufnehmer 4 und der Bodenelektrode 7 entsprechende Energie, also V_Q besitzen. "Beim Vorhandensein eines derartigen Filters haben die bei der Wechselwirkung eines Ions mit der gitterartigen Zwischenelektrode 6 entstehenden unerwünschten Sekundärelektronen eine um 10 % kleinere Energie als die nützlichen Sekundärelektronen (bei V = 10 kV ist AV = 1 Kv).

Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante liegt an der Elektrode 6' ^- das gleiche Potential V₁ wie an der Elektrode 6, während an der Elektrode 19 wie an der Elektrode 3 das Potential V_Q liegt.

Zum Unterschied vom Gerät nach Fig. 1 gelangt ein Ion in diesem Falle aus dem Nachbeschleunigungskanal 17 in die Bremsstrecke 9' unter dem Winkel C^ in Bezug auf die diese Strecke begrenzenden Flächen der Elektroden 6 und 7. Entsprechend wird das reflektierte Ion aus der Bremsstrecke 9' ebenfalls unter dem Winkel C^ in den Kanal 18 herausgeführt und wird vom zusätzlichen Detektor 20 registriert (die Bewiegungsbalm des Ions im Gerät ist durch die Linie 28 angegeben). Dadurch, wird ein Eintritt des reflektierten Ions in die Baueinheit 1 zur Nachbeschleunigung und dann wieder in die Durchlaufstrecke ausgeschlossen.

Wenn als Aufnehmer 4 eine Jalousie benutzt wird, trifft der Ionenfluß 22 gemäß Fig. 4 die Oberfläche der Rippen 21 unter einem Gleitwinkel ß von ungefähr 5°. In diesem Falle erhöht sich die Sekundärelektronenemission gegenüber dem Einfallen normal zur Oberfläche annähernd um das 5-fache. Dies ist durch die Verkleinerung der effektiven Schichtdicke bedingt, die ein Elektron überwinden muß, um beim gleitenden Einfall des Ions aus dem Stoff herauszutreten.

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■ Die beim Einfallen des zu untersuchenden Ionenflusses unter einem Gleitwinkel entstehenden verhältnismäßig großen Energieverluste und die Winkelabweichungen der Ionenflugbahnen beim Eintritt der Ionen in die Durchlaufstrecke üben praktisch keinen Einfluß auf die hohe Auflösung des Gerätes aus.

Bei Verwendung einer~Mikrokanalplatte als Aufnehmer 4 gemäß Fig. 5 ergeben sich dieselben Vorteile, wie bei einer Jalousie. Bei einem Verhältnis der Plattendicke H zum-Durchmesser d der Kanäle 23 gleich oder kleiner 10 bis 15 und.bei Neigungswinkeln der Kanäle 23 zu den Plattengrundflächen 24 gleich oder kleiner 10° wird die Möglichkeit eines wiederholten Ionenaufpralls auf die Wand des Kanals 23 beim Durchgang des Ions durch diesen Kanals 23 ausgeschlossen.

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Leerseite

Claims

RTNER . München 22

BEETZ &_PARTNER__{oo 53o}_₃₅.₅₄₆p 6. Aug. 1984

Patentansprüche

Laufzeit-Ionenmasse-AnalySator mit einer Baueinheit (1) zur Nachbeschleunigung der zu analysierenden Ionen und mit folgenden in der Ionen- r flugrichtung'^hintereinander liegenden Elementen: - einem Aufnehmer (4) e'ines Gebers , der den Zeitpunkt des Ioneneintf itts"-in die Durchlauf strecke erfaßt, und einem Elektronendetektor (12), der an einen Zeitintervallmesser angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen dem Aufnehmer (4) und dem Elektronendetektor (12) ein Reflektor (5) angeordnet ist, der mindestens zwei Gitterelektroden - eine Zwischenelektrode (6) und .eine Bodenelektrode (7) - aufweist, von denen an der -- dem Aufnehmer (4) näher liegenden Zwischenelektrode (6) ein Potential angelegt ist, welches im Raum des Reflektors (5) zwei Strecken (8, 9) mit unterschiedlicher Feldsteilheit bildet, wobei die Potentialdifferenz zwischen der Bodenelektrode (7) des Reflektors (5) und dem Aufnehmer (4) nach ihrem Betrag gleich oder höher als der Potentialunterschied an der Baueinheit (1) zur Nachbeschleunigung gewählt ist.

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2. Analysator nach Anspruch 1,

dadurch —g— e kennzeichnet,

daß die Ebene der Zwischenelektrode (6) unter einem Winke I C- zur Richtung (16) der Ionenbeschleunigung geneigt ist, "'

daß der Raum des Reflektors (5) von dem Aufnehmer (4) bis zur Zwischenelektrode (6) aus zwei identischen Kanälen (17, 18) besteht, und zwar aus einem Kanal (17) zur El'&ktronen-Varbeschleunigung und aus einem Kanal (18) zur Ionenherausführung, wobei die Achsen der Kanäle ·

(17,18) einander unter einem Winkel von 2 schneiden, und

daß am Ausgang des Kanals (18) zur Ionenherausführung ein zusätzlicher Ionendetektor (20) eingebaut ist.
3. Analysator nach Anspruch 1 oder 2,

gekennzeichnet durch

ein vor dem Eingang der Baueinheit (1) angeordnetes Ionenenergiefilter (15), dessen Eingang an den Ausgang des durch ausgangsseitige Signale eines Zeitintervall-20. messers (13) gesteuerten Impulsspannungserzeugers (14) angeschlossen ist.
4. ^|||||alysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ~*§§fa. durch gekennzeichnet,

daß der Aufnehmer (4) in Form einer Jalousie ausgeführt ist, deren Rippen (21) unter einem Winkel gleich oder kleiner als 10 zur Richtung (16) der Ionenbeschleunigung geneigt sind, wobei die Breite der Rippen (21) zum Abfangen des einfallenden Ionenflusses (22) ausreichend ist.

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5. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß als Aufnehmer (4) eine Mikrokanalplatte benutzt wird, bei der der Neigungswinkel -von Achsen der Kanäle (23) zu den Grundflächen (24) der Platte 10° nicht überschreitet und deren Dicke._zum Abfangen des einfallenden Ionenflusses (22) ausreichend ist.

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