AT393036B - Laufzeit-ionenmassenanalysator - Google Patents

Description

AT 393 036 B

Die Erfindung betrifft einen Laufzeit-Ionenmassenanalysator, 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 benutzt wird.

Es ist ein Laufzeit-Ionenmassenanalysator (Massen-Reflektron) bekannt, in dem die durch fokussierte Laserstrahlung oder durch Einwirkung eines Elektronenbündels »zeugten Ionen des zu untersuchenden Stoffes bei ihrem freien Zerstieben oder nach zusätzlicher Beschleunigung die 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 räumliche und zeitliche Fokussierung der Ionenpakete, die infolge der Streuung der Anfangsenergie von Ionen zerfließen, und deshalb weist das Gerät eine hohe Massenauflösung - bis 3000 - auf (vgl. z. B. Mamyrin W. A. "Massen-Reflektron", Journal für experimentelle und theoretische Physik, Bd. 64, Nr. 1,1973).

Mit Hilfe dieses bekannten Gerätes 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 ein» 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-Ionenmassenanalysator mit einer Baueinheit zur Nachbeschleunigung der zu analysi»enden Ionen und mit einem (als Kohlenstof folie ausgebildeten) Ionen-Eintrittsmoment-lndikator, der den Zeitpunkt des Ioneneintritts in eine Durchlaufstrecke erfaßt und mit einem in der Ionenflugrichtung danach liegenden Elektronendetektor, der an einen Zeitintervallmesser angeschlossen ist (vgl. "Comet Halley Neutral Gas Experiment-CHALLENGE" -Proposal submitted to ESA in Response of Giotto. Call for Experiment Proposals. Pr. SCI (80)7. Max-Planck Institut für Aeronomie, Lindau, 1980).

Bei diesem bekannten Massenanalysator erfolgt die Massenanalyse der von außen kommenden Ionen auf Grund d» 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 zu einer Energie von 45 ... 70 keV beschleunigt und weiter durch eine

Kohlenstoffolie von geringer Dicke (« 2 pg/cm^) durchgelassen. Die aus der Folie ausgelösten Sekundärelektronen werden mit Hilfe eines Detektors (eines Systems von Mikrokanalplatten) registriert und ergeben ein Start-Signal zum Zählen der Ionenflugzeit in der Durchlaufstrecke von vorgegebener Länge. Ein ähnliches System von Mikrokanalplatten am Ende der Duichlaufstrecke 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 hat aber eine niedrige Massenauflösung bei Registrierung von schweren Ionen. Dies ist dadurch bedingt, daß mit Massenvergrößerung der Ionen auch die effektive Streuung von Energieverlusten bei der Ionenbewegung durch die Folie wächst. Daraus ergibt sich auch die Notwendigkeit ein» hohen Nachbeschleunigungsspannung im Empfangsteil des Gerätes. Gemäß dem vorstehend erwähnten Beitrag fällt die Massenauflösung Μ/ΔΜ bei einer Nachbeschleunigungsspannung am Gerät von etwa 75 kV für die Massen von ungefähr 100 ME nichtsdestoweniger auf 10 (für M « 40 ME ist Μ/ΔΜ » 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 Anwendung eingeschränkt, seine durch Hochspannungsdurchschläge begrenzte Zuverlässigkeit bedeutend herabgesetzt, sein Gewicht »heblich vergrößert und ist ein komplizierter Aufbau des Gerätes bedingt D» Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laufzeit-Ionenmassenanalysator mit einem Bauelement zu entwickeln, welches die Kompensation von Ionenenergieverlusten und eine höhere Effektivität der Registrierung von Ionen, die während des Foliendurchganges eine Abweichung von der anfänglichen Flugbahn erfahren, ermöglicht, und dadurch eine hohe Genauigkeit der Massen- und Isotopenanalyse der von außen kommenden Ionen, auch bei bedeutender Energiestreuung und verhältnismäßig hoh» anfänglich» En»gie, sowie eine hohe Massenauflösung beim Registrieren von schweren Ionen ergibt, und es soll weiter durch Herabsetzung der Hochspannung ein geringeres Gewicht, eine höhere Zuverlässigkeit des Gerätes und ein einfacherer Aufbau desselben erreicht werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Laufzeit-Ionenmassenanalysator mit einer Baueinheit zur Nachbeschleunigung der zu analysierenden Ionen und mit einem Ionen-Eintrittsmoment-Indikator, der den Zeitpunkt des Ioneneintritts in die Durchlaufstrecke erfaßt, und mit einem in der Ionenflugrichtung danach liegenden Elektronendetektor, der an einen Zeitintervallmess» angeschlossen ist, erfindungsgemäß zwischen dem an ein» Elektrode der Baueinheit angeordneten Ionen-Eintrittsmoment-Indikator und dem Elektronendetektor ein Reflektor angeordnet ist, der mindestens zwei Gitterelektroden - eine Zwischenelektiode und eine Bodenelektrode -enthält, von denen die dem Ionen-Eintrittsmoment-Indikator näher liegende Zwischenelektrode für die Anlegung eines Potentials an diese Elektrode bestimmt ist, welches im Raum des Reflektors zwei Strecken mit unterschiedlich» Feldsteilheit bildet, wobei die Potentialdifferenz zwischen der Bodenelektrode des Reflektors und dem Ionen-Eintrittsmoment-Indikator ihrem Betrag nach gleich od» höh» als der Potentialunterschied an der Baueinheit zur Nachbeschleunigung gewählt ist.

Um das eventuelle Eindringen des reflektierten Ions in den Nachbeschleunigungsraum zu vermeiden, ist es -2-

AT 393 036 B zweckmäßig, daß die Ebene der Zwischenelektrode unter einem Winkel α zur Richtung der Ionenbeschleunigung verläuft, daß der Raum des Reflektors vom Ionen-Eintrittsmoment-Indikator an bis zur Zwischenelektrode aus zwei identischen Kanälen, nämlich aus einem Kanal zur Elektronen-Vorbeschleunigung und aus einem Kanal zur Ionenherausfuhrung, besteht, wobei die Achsen der Kanäle einander unter einem Winkel von (π · 2α) schneiden, und daß am Ausgang des zur Ionenherausfuhrung vorgesehenen Kanals ein zusätzlicher Ionendetektor eingebaut ist.

Zweckmäßig ist die Ausstattung des Laufzeit-Ionenmassenanalysators mit einem Ionenenergiefilter, das vor dem Eingang der Baueinheit zur Ionennachbeschleunigung angeordnet ist und dessen Eingang an den Ausgang eines durch ausgangsseitige Signale des Zeitintervallmessers gesteuerten Impulsspannungserzeugers angeschlossen ist.

Von Vorteil ist die Ausführung des Ionen-Eintrittsmoment-Indikators in Form einer Jalousie, deren Rippen unter einem Winkel gleich oder kleiner als 10° zur Richtung der Ionenbeschleunigung angeordnet sind, wobei die Breite der Rippen zum Abfangen des einfallenden Ionenflusses ausreichend ist

Der Ionen-Eintrittsmoment-Indikator kann auch als Mikrokanalplatte ausgebildet sein, bei der der Neigungswinkel der Achsen der Kanäle zu den Grundflächen der Platte 10° nicht überschreitet Die Dicke der Platte wird so gewählt, daß sie zum Abfangen des einfallenden Ionenflusses ausreichend ist

Der gemäß der Erfindung ausgeführte Laufzeit-Ionenmassenanalysator gibt die Möglichkeit, die Nachbeschleunigungsspannung im Vergleich zum bekannten Folien-Massenanalysator um das 5- bis 7-fache herabzusetzen und gleichzeitig bei vorgegebener Dicke eines in Form einer Folie ausgebildeten Ionen-Eintrittsmoment-Indikators die Massenauflösung um das Mehrfache zu erhöhen sowie die Effektivität der Ionenregistrierung bei einer zulässigen Ionenenergiestreuung von 10 ... 20 % um das 3- bis 10-fache zu steigern. Der Aufbau des Gerätes ist einfach und seine Abmessungen sind mit denen der für einen ähnlichen Zweck vorgesehenen Geräte vergleichbar oder klein» als diese. Beim Aufbau des Laufzeit-Ionenmassenanalysator 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 in der nachstehenden Beschreibung konkreter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert Hierbei zeigen Fig. 1 ein Prinzip- und Blockschema des Laufzeit-Ionenmassenanalysators; Fig. 2 ein Diagramm von Spannungen an den Elektroden des Ionenmassenanalysators nach Fig. 1; Fig. 3 ein Prinzip- und Blockschema einer Ausführungsvariante des Laufzeit-Ionenmassenanalysators mit einem Zweikanal-Reflektor, Fig. 4 eine isometrische Darstellung des in der Art einer Jalousie ausgeführten Ionen-Eintrittsmoment-Indikators; Fig. 5 einen in Form einer Mikrokanalplatte realisierten Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (teilweise geschnitten).

Der in Fig. 1 dargestellte Laufzeit-Ionenmassenanalysator enthält eine Baueinheit (1) zur Ionennachbeschleunigung, die aus zwei hintereinander liegenden Elektroden (2 und 3) besteht, von denen die Elektrode (2) eine Gitteielektrode darstellt und die Elektrode (3) in Form einer Metallplatte ausgeführt ist, deren Außenseite mit einem Stoff mit hohem Ionen-Elektronen-Sekimdäiemissionsfaktor, z. B. mit einem Nickelfilm, überzogen ist In der Mitte der Elektrode (3) befindet sich der Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4), der den Zeitpunkt des Ioneneintiitts in die Durchlaufstrecke feststellt Dieser Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) ist in Form einer Kohlenstoffolie mit einer Dicke von 20 bis 100 Ä ausgebildet In der Ionenflugrichtung gesehen liegt hinter der Baueinheit (1) zur Nachbeschleunigung und dem Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) der Reflektor (5), der bei dieser Ausführungsvariante des Gerätes aus zwei Gitterelektroden (6 und 7) · einer Zwischenelektrode (6) und einer Bodenelektrode (7) - besteht Näher am Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) liegt die Zwischenelektrode (6), die zur Beaufschlagung mit einem Potential bestimmt ist, das im Raum des Reflektors (5) zwei Strecken (8 und 9) mit unterschiedlicher Steilheit des elektrischen Feldes bildet In der Strecke (8) werden die Sekundärelektronen vorbeschleunigt während in der Strecke (9) die hauptsächliche Abbremsung der Ionen »folgt Der einerseits durch die Elektrode (3) und andererseits durch die Bodenelektrode (7) begrenzte Raum ist die Durchlaufstrecke (h).

Weiter nach der Bodenelektrode (7) 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-Ionenmassenanalysator enthält auch ein Ionenenergiefilter (15), das vor dem Eingang der Baueinheit (1) zur Nachbeschleunigung liegt und mit seinem Eingang an den Ausgang des Impulsspannungserzeugers (14) geschaltet ist Alle Gitterelektroden (2,6,7) und das Analysegitter (10) sind Gitter mit hoher (95 ... 98 %) Transparenz und einem niedrigen Sekundärelektronen-Emissionsfaktor. Der Detektor (12) wird bei dieser Ausführungsvariante des Gerätes durch zwei hintereinander liegende Mikrokanalplatten gebildet. Als Ionenenergiefilter (15) kann man z. B. eine elektrostatische Ablenkeinheit benutzen, die beim Anlegen einer vorgegebenen Spannung an diese Ablenkeinheit den anfänglichen Teilchenfluß um drei bis vier Größenordnung»! abschwächen kann. Als Impulsspannungserzeuger (14) kann ein beliebiger Impulsgenerator dienen, d» kurze (« 0,01... 3 ps) Einzelimpulse liefert

Die beschriebene Ausfühiungsvariante des Ionenmassenanalysators enthält nur zwei Gitterelektroden (6 und 7) im Reflektor (5). Die Zahl solcher Elektroden kann aber vergrößert werden, um eine kompliziertere -3-

AT 393 036 B nichtlineare Potentialverteilung nach der Länge des Reflektors (5) zu erreichen. Dadurch können die physikalischen Kennwerte des Gerätes bedeutend verbessert werden, die eine hohe Massenauflösung bei der Registrierung von Ionen mit bedeutender Anfangsenergiestreuung «möglichen.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm von Spannungen an den Elektroden des Ionenmassenanalysators, in dem auf der Ordinatenachse die Spannungen V in kV und auf der Abszissenachse die Bezugsziffem der entsprechenden Elektroden des Massenanalysators eingetragen sind. In Fig. 2 sind die Koordinatenachsen um einen Winkel von 90° gedreht, um die einzelnen Punkte des Diagramms mit den entsprechenden Elektroden des Ionenmassenanalysators in Fig. 1 bequem in Zusammenhang zu bringen.

In der Ausführungsvariante des Laufzeit-Ionenmassenanalysators nach Fig. 3 verläuft die Ebene der Zwischenelektrode (6) zum Unterschied von der Ausführung nach Fig. 1 unter einem Winkel α zur Richtung (16) der Ionenbeschleunigung, während der Raum des Reflektors (5') vom Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) an und bis zur Zwischenelektrode (6) in zwei identische Kanäle (17 und 18) geteilt ist, deren Achsen einander unter einem Winkel von (π · 2α) 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 die der Elektrode (3) ähnlich ausgeführte Gitterelektrode (19), hinter der ein dem Detektor (12) ähnlicher Detektor (20) angeordnet ist Der Raum (9') des Reflektors (5*) bildet das Gebiet der vollständigen Abbremsung und der Reflexion von Ionen. Die Detektoren (12 und 20) sind an 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 Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4), der den Zeitpunkt des Ioneneintritts in die Durchlaufstrecke fixiert. Dieser Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) ist in Form einer dünnen Kohlenstoffolie ausgebildet. Der Zeitpunkt des Eintritts eines Ions wird durch Registrierung des Sekundärelektrons bestimmt, das vom Ion bei seinem Durchgang aus der Folie herausgeschlagen wird. Infolge der für eine hohe Massenauflösung erforderlichen geringen Foliendicke ist dieses Element des Gerätes am empfindlichsten.

Eine höhere Zuverlässigkeit weist der in Fig. 4 dargestellte Aufbau des Ionen-Eintrittsmoment-Indikators auf.

Diese Variante des Ionen-Eintrittsmoment-Indikators ist eine Jalousie, deren plattenförmige Rippen (21) unter einem Winkel ß von höchstens 10° zur Zeichnungsvertikale geneigt sind, wobei die Breite (b) der Rippen (21) für das Abfangen des in der Vertikalrichtung einfallenden Ionenflusses (22) ausreichend gewählt ist. Die Rippen (21) der Jalousie werden aus einem Stoff mit großer Atomnummer, z. B. aus W oder Mo hergestellt oder mit einem solchen Stoff überzogen, um die Ionen-Ionen-Emission klein zu halten.

Der Ionen-Eintrittsmoment-Indikator kann erfmdungsgemäß auch als Mikrokanalplatte (Fig. 5) ausgebildet sein, bei der der Neigungswinkel ß der Achsen ihrer Kanäle (23) zu den Grundflächen (24) der Platte nicht größer als 10° gewählt ist. Die Dicke (H) der Platte ist beim vorgegebenen Durchmesser (d) der Kanäle (23) mit einem für das Abfangen des auf die Platte einfallenden Ionenflusses (22) ausreichenden Wert gewählt.

Der erfmdungsgemäß ausgeführte Laufzeit-Ionenmassenanalysator funktioniert wie folgt

An die Elektroden des Gerätes werden folgende Spannungen angelegt Das Gehäuse und die Elektrode (2) (Fig. 1, 2) liegen an Erdpotential (Nullpotential) der Elektrode (3) und dementsprechend dem Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) wird eine in Bezug auf das Gehäuse negative Spannung Vq (im einfachsten Fall bei niederenergetischen Ionen -10 kV) zugeführt. Die Zwischenelektrode (6) führt bezogen auf das Gehäuse das Potential Vj = 0,9 Vq, und die Bodenelektrode (7) liegt gewöhnlich an Gehäusepotential (oder unter einem kleinen positiven Potential von + 0,1 Vq in Bezug auf das Gehäuse). Dabei ist die Potentialdifferenz Vq an der Baueinheit (1) zur Nachbeschleunigung ihrem Betrag nach gleich oder klein« als der Potentialunterschied VR am Reflektor (5) (IVqI < IV^I zwischen den Elektroden (3) und (7).) Das Analysegitter (10) liegt am Potential Vwobei Vq > Va > Vj ist, während die Schutzfolie (11) das Nullpotential führt. Bei diesem

Ausführungsbeispiel hat der Reflektor (5) nur zwei Strecken (8 und 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.

Beim Standby-Betrieb ist das Ionenenergiefilter (15) für den Durchgang von Ionen offen. Ein Ion, dessen Flugbahn in Fig. 1 mit der Kurve (25) angedeutet ist, durchdringt ungehindert das Filter (15) und gelangt in die Baueinheit (1) zur Nachbeschleunigung, wo es entsprechend der Spannung Vq beschleunigt wird. Indem es die

Folie (4) (den Ionen-Eintrittsmoment-Indikator) durchschlägt und dabei einen Teil seiner Anfangsenergie verliert, erzeugt das Ion die erste Sekundärelektronengruppe, deren Bewegungsbahn in Fig. 1 mit der 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 gelang«! in den Detektor (12). Der bei der Registrierung dieser Elektronen durch den Detektor (12) entstehende Impuls (das Start-Signal) löst die Zeitzählung im Zeitintervallmesser (13) aus. Derselbe Impuls erzeugt im Impulsspannungserzeuger (14) ein Signal, das dem Ionenenergiefilter (15) zugeführt wird und dieses für den -4-

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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 Kohlenstoffolie, und erzeugt die zweite Sekundärelektronengruppe, deren Flugbahn in Fig. 1 mit einer Linie (27) schematisch angedeutet ist. Diese Elektronen gelangen in den Reflektor (5) und dann zum Detektor (12), wobei sie im Zeitintervallmesser (13) das Stop-Signal zur Unterbrechung der Zeitzählung erzeugen. Durch dasselbe Signal wird die Sperrspannung vom Ionenenergiefilter (15) weggenommen.

Bei bekanntem Zeitintervall zwischen zwei Impulsen und bei Berücksichtigung des Umstandes, daß 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 Eq des Ions, die der Beschleunigungsspannung Vq 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 eine räumliche und zeitliche Fokussierung der lonenpakete, das heißt, daß die Verweilzeit von Ionen mit gleicher Masse in der Durchlaufstrecke in einem sehr engen, von der Ionenmasse abhängigen Zeitbereich liegt; die Verweilzeit wird von Streuungen der in den Ionen anfänglich vorhandenen Energie von bis zu 30-40 % praktisch nicht beeinflußt; so kann eine solche Energiestreuung die Genauigkeit der Ionenmassenmessung nicht beeinflussen. Dieser Umstand gibt die Möglichkeit, die Auflösung des Gerätes bei einer kleineren Nachbeschleunigungsspannung zu erhöhen.

Im beschriebenen Ionenmassenanalysator hat die Streuung der Ablenkwinkel der Ionenflugbahn 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 Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) aufschlägt. Zur Erweiterung des Winkelablenkungsbereiches der Flugbahnen, bei denen das reflektierte Ion die Elektrode (3) trifft, wird eine entsprechende geometrische 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 groß und die Höhe (h) der Durchlaufstrecke möglichst klein gewählt werden. Das letztere wird durch die Durchschlagspannung des Raumes zwischen den Gitterelektroden (6 und 7) bestimmt

Wenn der Laufzeit-Ionenmassenanalysator gemäß der Erfindung zur Untersuchung eines als W-Strahlungsquelle benutzten Plasmas verwendet wird, dient die Folie (11) als Schirm zum Schutz des Detektors (12) vor unerwünschter Aufhellung. Da ein vom Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) ausgelöstes Elektron eine Energie von ungefähr 10 keV besitzt, kann es eine Schutzfolie (11) mit einer Dicke von etwa 1 pm (10000 Ä) 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 der Bildung eines Sekundärelektrons auszuschließen, ist vor dem Detektor (12) ein Analysegitter (10) 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 als Folie ausgebildeten Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) und der Bodenelektrode (7) entsprechende Energie, also Vq 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 Δ V - 1 kV).

Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante des Laufzeit-Ionenmassenanalysators liegt an der Elektrode (6') das gleiche Potential V j wie an der Elektrode (6), während die Elektrode (19) wie die Elektrode (3) das Potential

Vq führt. Zum Unterschied vom Gerät nach Fig. 1 gelangt ein Ion in diesem Falle aus dem

Nachbeschleunigungskanal (17) in die Bremsstrecke (9*) unter dem Winkel α in Bezug auf die diese Strecke begrenzenden Flächen der Elektroden (6 und 7). Entsprechenderweise wird das reflektierte Ion aus der Bremsstrecke (9') ebenfalls unter dem Winkel α herausgeführt, gelangt in den Kanal (18) zur Ionenheransftihrung und wird vom zusätzlichen Detektor (20) registriert (die Bewegungsbahn des Ions im Gerät ist schematisch mit der Linie (28) angedeutet). Dabei ist die Möglichkeit des Eintritts des reflektierten Ions in -5-

Claims (5)

1. AT 393 036 B die Baueinheit (1) zur Nachbeschleunigung und dann wieder in die Durchlaufstrecke ausgeschlossen. Wenn als Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) eine Jalousie (Fig. 4) vorgesehen ist, trifft der Ionenfluß (22) die Oberfläche der Rippen (21) unter einem Gleitwinkel ß von ungefähr 5°. In diesem Falle erhöht sich die Sekundärelektronenemission im Vergleich zum Einfallen des Ionenbündels in der Normalenrichtung 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 Material auszutreten. 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 aber praktisch keinen Einfluß auf die hohe Auflösung des Gerätes aus, wie dies bereits erläutert wurde. Wenn der Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) als Mikrokanalplatte (Fig. 5) ausgebildet ist, ergeben sich dieselben Vorteile, die in Bezug auf die Jalousie erwähnt wurden. Zu bemerken ist, daß bei der Wahl des Verhältnisses der Plattendicke (H) zum Durchmesser (d) der Kanäle (23) gleich oder Meiner als 10 bis 15 und beim Neigungswinkel der Kanäle (23) zu den Plattengrundflächen (24) gleich oder kleiner als 10° die Möglichkeit eines wiederholten Ionenaufpralls auf die Wand des Kanals (23) bei der Bewegung des Ions in diesem Kanal (23) ausgeschlossen wird. PATENTANSPRÜCHE 1. Laufzeit-Ionenmassenanalysator mit einer Baueinheit zur Nachbeschleunigung der zu analysierenden Ionen und mit einem Ionen-Eintrittsmoment-Indikator, der den Zeitpunkt des Ioneneintritts in eine Durchlaufstrecke erfaßt, und mit einem in der Ionenflugrichtung danach liegenden Elektronendetektor, der an einen Zeitintervallmesser angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem an einer Elektrode (3) der Baueinheit (1) angeordneten Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) und dem Elektronendetektor (12) ein Reflektor (5) angeordnet ist, der mindestens zwei Gitterelektroden - eine Zwischenelektrode (6) und eine Bodenelektrode (7) -enthält, von denen die dem Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) näherliegende Zwischenelektrode (6) für die Anlegung eines Potentials an diese Elektrode (6) bestimmt 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 Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) ihrem Betrag nach gleich oder höher als der Potentialunterschied an der Baueinheit (1) zur Nachbeschleunigung gewählt ist
2. 2. Laufzeit-Ionenmassenanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Zwischenelektrode (6) unter einem Winkel α zur Richtung (16) der Ionenbeschleunigung verläuft, daß der Raum des Reflektors (5) vom Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) an bis zur Zwischenelektrode (6) aus zwei identischen Kanälen (17,18), nämlich aus einem Kanal (17) zur Elektronen-Vorbeschleunigung und aus einem Kanal (18) zur Ionenherausführung, besteht, wobei die Achsen der Kanäle (17,18) einander unter einem Winkel von (π - 2α) schneiden, und daß am Ausgang des zur Ionenherausführung vorgesehenen Kanals (18) ein zusätzlicher Ionendetektor (20) eingebaut ist.
3. 3. Laufzeit-Ionenmassenanalysator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein vor dem Eingang der Baueinheit (1) zur Ionennachbeschleunigung angeordnetes Ionenenergiefilter (15), dessen Eingang an den Ausgang eines durch ausgangsseitige Signale des Zeitintervallmessers (13) gesteuerten Impulsspannungserzeugers (14) angeschlossen ist
4. 4. Laufzeit-Ionenmassenanalysator nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) in Form einer Jalousie ausgeführt ist, deren Rippen (21) unter einem Winkel gleich oder kleiner als 10° zur Richtung (16) der Ionenbeschleunigung eingebaut sind, wobei die Breite der Rippen (21) zum Abfangen des einfallenden Ionenflusses (22) ausreichend ist. -6-
5. 5 AT 393 036 B S. Laufzeit-Ionenmassenanalysator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionen-Eintrittsmoment-Indikator (4) als Mikrokanalplatte ausgebildet ist, bei der der Neigungswinkel der Achsen der Kanäle (23) zu den Grundflächen (24) der Platte 10° nicht überschreitet. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -7-