DE102006004478A1 - Vorrichtung zur Detektion von Teilchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Teilchen, umfassend ein Tragelement (1) und eine Mehrzahl von auf dem Tragelement (1) angeordneten, elektrisch leitfähigen Strukturen (2), wobei die Strukturen (2) elektrisch voneinander isoliert sind und wobei jede der Strukturen (2) mit einer Ausleseelektronik elektrisch verbindbar ist, wobei ein Einfallswinkel (alpha) zwischen einer Strahlrichtung der Teilchen und dem Tragelement (1) gegeben ist, wobei jeweils zwischen einer ersten der Strukturen (2) und einer der ersten Struktur in Strahlrichtung benachbarten Struktur (2) ein Graben (3) angeordnet ist, wobei in Strahlrichtung eine zumindest teilweise Überlappung der ersten Struktur (2) und der benachbarten Struktur (2) vorliegt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Teilchen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Massenspektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
• Es ist bekannt, Teilchen mittels ortsaufgelöster Detektoren nachzuweisen, die eine Anzahl kontaktierter Elemente umfassen, auf die die Teilchen unmittelbar auftreffen und elektrisch nachweisbar sind. Hierbei kann es sich entweder um geladene Teilchen handeln, welche aufgrund ihrer Ladung unmittelbar ein elektrischer Signal erzeugen, oder um Photonen oder andere ungeladene Teilchen, welche durch geeignete Wechselwirkung mit. einer vorliegenden Beschichtung der Elemente ein elektrisches Signal bewirken.
• US 2004/0222374 A1 beschreibt einen ortsaufgelösten Detektor, bei dem eine Vielzahl von streifenartigen, leitfähigen Elementen in einer Ebene nebeneinander angeordnet ist. Die Elemente sind separat mit einer Ausleseelektronik kontaktiert. Die Oberflächen der Elemente liegen sämtlich in einer Ebene, wobei zwischen den Elementen Zwischenräume aus nicht kontaktiertem Material verbleiben. Teilchen, die auf diese Zwischenräume auftreffen, können nicht detektiert werden, da die Zwischenräume keine aktive Detektorfläche darstellen.
• US 6,847,036 B1 beschreibt einen ortsaufgelösten Detektor für geladene Teilchen, der eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Faraday-Cups umfasst. Die Cups haben jeweils eine elektrische Kontaktierung, über die sie durch eine Multiplexer-Schaltung mit einem Operationsverstärker selektierbar verbindbar sind. Während eines Messvorgangs werden eintreffende geladene Teilchen, beispielsweise aus einem Massenspektrometer, in den Faraday-Cups gesammelt (integriert), bis der jeweilige Cup über die Multiplexer-Schaltung verbunden und ausgelesen wird.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Detektion von Teilchen anzugeben, die eine hohe Nachweiseffizienz aufweist und einfach herstellbar ist. Es ist zudem die Aufgabe der Erfindung, ein Massenspektrometer mit einer verbesserten Vorrichtung zur Detektion von Teilchen anzugeben.
• Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung zur Detektion von Teilchen erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Durch die Trennung der benachbarten Strukturen durch einen Graben sowie ihre geometrische Überlappung ist sichergestellt, dass der Teilchenstrahl auf eine Detektorvorrichtung auftrifft, deren Oberfläche vollständig zur Teilchendetektion geeignet ist, wobei zugleich eine Auflösung nach dem Ort des Teilchenstrahls gegeben ist.
• In bevorzugter Ausführung ist durch ein Verhältnis einer Höhe der Strukturen zu einer Breite des Grabens ein Aspektverhältnis definiert. Dabei beträgt das Aspektverhältnis bevorzugt wenigstens 0,5, besonders bevorzugt wenigstens 1 und weiterhin bevorzugt wenigstens 5. Durch ein hohes Aspektverhältnis werden zum einen relativ flache Einfallswinkel des Teilchenstrahls bei vollständiger Detektion bzw. räumlicher Abdeckung ermöglicht. Zum anderen führt ein hohes Aspektverhältnis dazu, dass eine nur relativ kleine Kontaktfläche der leitenden Struktur mit dem Tragelement gegeben ist, was grundsätzlich zu geringen Kapazitäten zwischen Struktur und Tragelement führt. Zudem ist hierdurch auch die Abweichung der Kapazitäten der Strukturen verkleinert, was zu einer besonders guten Anpassbarkeit der Ausleseelektronik an die leitenden Strukturen führt. Insbesondere weisen hierdurch die verschiedenen Strukturen eine große Einheitlichkeit hinsichtlich ihrer Auslesecharakteristik auf.
• Allgemein bevorzugt sind die Strukturen im wesentlichen gleichförmig und gleich beabstandet, wobei in zumindest einer Richtung eine räumliche Periodizität der Strukturen gegeben ist. In einer Vielzahl der Anwendungen wird die Gleichförmigkeit der einzelnen Strukturen gefordert, da die Detektionseigenschaft der Detektoroberfläche homogen sein soll. Grundsätzlich kann jedoch je nach besonderen Anforderungen auch eine Nicht-Periodizität zumindest einiger der Strukturen vorliegen. Besonders bevorzugt beträgt eine Periodenlänge der Strukturen nicht mehr als etwa 500 Mikrometer, weiterhin bevorzugt nicht mehr als etwa 100 Mikrometer und weiterhin bevorzugt nicht mehr als 20 Mikrometer. Durch die entsprechend geringe Größe der Strukturen lässt sich eine gute Ortsauflösung erzielen. Zudem kann der Detektor bei gegebener Anzahl von separaten Strukturen insgesamt kleinbauend gestaltet, wodurch einer Miniaturisierung eines den Detektor beinhaltenden Analysegeräts Vorschub geleistet ist. Hierbei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere bevorzugt eine Gesamtlänge der Mehrzahl der Strukturen in Richtung der räumlichen Periodizität auf, die nicht mehr als etwa 15 cm, insbesondere nicht mehr als etwa 10 cm beträgt. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dann besonders gut in Verbindung mit einem Massenspektrometer kombiniert werden. Grundsätzlich ist je nach Anforderungen auch eine Periodizität der Strukturen in zwei Raumrichtungen möglich, etwa in Analogie zu der zweidimensionalen Faraday-Cup-Anordnung in 2b der Druckschrift US 6,847,036 B1 .
• In bevorzugter Ausführung sind die Strukturen als Längskörper mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Ein solcher Querschnitt ist durch bekannte Verfahren der Mikrostrukturierung besonders einfach herstellbar. Alternativ können die Strukturen auch einen anderen Querschnitt aufweisen. Hierdurch kann eine Anpassung an die Charakteristik des Teilchenstrahls stattfinden.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Strukturen eine Oberfläche auf, die im wesentlichen senkrecht zur der Strahlrichtung ausgerichtet ist. Hierdurch lässt sich die Variation der Flugzeit der unterschiedlichen Teilchen über den Bereich der Oberfläche einer Struktur minimieren. Insbesondere kann hierdurch die gesamte Detektoroberfläche so ausgebildet sein, dass ein zeitgleiches Eintreffen sämtlicher Teilchenstrahlen auf jeweils einer der Strukturen ermöglicht ist. Ebenso kann aufgrund des senkrechten Einfalls die Nachweiswahrscheinlichkeit erhöht werden.
• Allgemein bevorzugt umfasst die Ausleseelektronik wenigstens einen kapazitiven Transimpedanzverstärker (CTIA). Solche Verstärker haben sich als besonders empfindlich zur Auslesung kleiner Ladungsmengen erwiesen. Insbesondere bevorzugt weist der kapazitive Transimpedanzverstärker dabei eine Mehrzahl von unterschiedlichen, schaltbaren Integrationskapazitäten auf, wodurch die Nachweisgrenze gesteigert werden kann. Solche variablen Transimpedanzverstärker sind in jüngerer Zeit für den Einsatz mit Teilchendetektoren entwickelt worden, siehe beispielsweise "Array Detectors Impact Modern Chemical Analysis; M. Bonner Denton, University of Arizona, Department of Chemistry, Gary Hieftje, Indiana University, David Koppenaal, PNNL, Bruce McIntosh, Hamilton Sundstrand, Peter Williams, Arizona State University, USA, presented at the 2003 ICSOI in Cozumel, MX, http://www.chem.arizona.edu/icsoi/index.html" und "Advanced Ion Detectors for Ion Mobility Spectrometry; Roger Sperline, University of Arizona, Department of Chemistry, Chris Gresham, Phil Rodacy, Sandia National Laboratories, USA, presented at the 2003 ICSOI in Cozumel, MX, http://www.chem.arizona.edu/icsoi/index.html" In allgemein bevorzugter Ausführung sind die Strukturen mittels eines Mikrobearbeitungsverfahrens, insbesondere eines LIGA-Verfahrens hergestellt. LIGA-Verfahren ermöglichen bei relativ einfacher und kostengünstiger Herstellung große Aspektverhältnisse der Strukturen.
• Die Aufgabe der Erfindung wird für ein eingangs genanntes Massenspektrometer erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Teilchen ist zur Kombination mit einem solchen Massenspektrometer auf besonders bevorzugte Weise geeignet. Massenspektrometer liefern die aufgetrennte Information als geladene Teilchen, die mittels der modernen hochempfindlichen auswertenden Elektroniken unmittelbar in ausreichender Empfindlichkeit nachweisbar sind, so dass der erfindungsgemäße Detektor gegebenenfalls ohne weitere vorgeschaltete Verstärkungsmittel wie etwa Multichannelplates (MCP) Verwendung finden kann. Besonders bevorzugt ist das Massenspektrometer ein doppeltfokussierendes Spektrometer, insbesondere vom Mattauch-Herzog-Typ. Bei solchen Spektrometern liegt regelmäßig eine Fokalebene vor, die nicht senkrecht zum Teilchenstrahl ausgerichtet ist. Daher eignet sich der erfindungsgemäße Detektor aufgrund des notwendig schrägen Strahleinfalls besonders vorteilhaft zur Kombination mit einem solchen Spektrometer.
• Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auf den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
• Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Teilchen beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• 1 zeigt eine räumliche schematische Ansicht eines Ausschnitts aus einer Vorrichtung zur Detektion von Teilchen nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
• 2 zeigt eine Draufsicht von vorne auf die Vorrichtung aus 1.
• 3 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht von vorne.
• 1 zeigt eine Vorrichtung zur Detektion von Teilchen, die ein Tragelement 1 mit einer sich in einer Ebene erstreckenden Oberfläche 1a aufweist. Das Tragelement 1 kann insbesondere aus einem isolierenden Material sein. Auf dem Tragelement 1 befindet sich eine Mehrzahl von länglichen Strukturen 2, die aus einem leitfähigen Material bestehen. Die Strukturen 2 sind elektrisch gegenüber dem Tragelement 1 isoliert. Die Isolation erfolgt entweder dadurch, dass das Tragelement 1 insgesamt isolierend ist oder durch eine zwischen den Strukturen 2 und dem Tragelement 1 befindliche isolierende Schicht (nicht dargestellt).
• Die Strukturen 2 sind vorliegend Prismen von rechteckigem Querschnitt und jeweils gleichförmig. Sie haben jeweils eine Länge l und eine Höhe h. Zwischen jeweils zwei der Strukturen 2 befindet sich ein Graben 3, der nicht mit Material verfüllt ist und eine Breite b hat.
• Jede der Strukturen 2 ist separat mit einer nicht dargestellten Ausleseelektronik elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung kann auf jede an sich bekannte Weise realisiert sein. Beispielsweise kann es sich um separate metallische Drähte handeln, die insbesondere in einem Schutzharz eingebettet sind. Es kann sich auch um eine integrierte Kontaktierung handeln, z.B. mittels Vias, die in dem Tragelement 1 ausgebildet sind.
• Wie die schematische Draufsicht nach 2 zeigt, fallen die zu registrierenden geladenen Teilchen 4, insbesondere Ionen aus einem Massenspektrometer, im vorliegenden Beispiel unter einem Winkel von 45 Grad gegenüber der Ebene 1a des Tragelements 1 ein. Aufgrund des zwischen zwei Strukturen 2 angeordneten jeweiligen Grabens der Breite b liegt aus der Richtung der einfallenden Teilchen eine geometrische Überlappung jeweils benachbarter Strukturen 2 vor. Somit fällt jedes der Teilchen entweder auf eine obere Fläche 2a oder eine Seitenwand 2b der Strukturen 2 ein. Jedes der Teilchen 4 aus dem Teilchenstrahl erreicht somit eine elektrisch leitfähige und mit der Ausleseelektronik kontaktierte Fläche. Hierdurch liegt die räumliche Strahlabdeckung durch den Detektor („fill factor") bei 100%.
• Bei einer Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel lautet die Bedingung für das Vorliegen einer räumlichen Abdeckung von 100%: h/b > tan αwobei α der Strahlwinkel zwischen der Ebene 1a und den Teilchenstrahlen ist.
• Im vorliegenden Beispiel hat die Vorrichtung eine gesamte Ausdehnung in Strahlrichtung von etwa 10 cm, wobei nur ein kleiner Ausschnitt dargestellt ist. Bei einer Periodenlänge der Strukturen von l + b = 0,1 mm ergäben sich insgesamt etwa 1000 Strukturen 2 und somit 1000 räumlich separierte Auslesekanäle zur simultanen Registrierung eines Spektrums. Je nach Auflösung des Spektrometers und den weiteren Anforderungen hinsichtlich der Herstellungkosten lassen sich auch ohne weiteres Detektoren mit 10.000 Kanälen und mehr bereitstellen. Die Breite der Struktur senkrecht zur Strahlrichtung (senkrecht zur Zeichnungsebene gemäß 2) beträgt vorliegend etwa 0,2 cm bis 1 cm. Insgesamt ist der vorliegende Detektor somit zum Einsatz in einem hochauflösenden Mattauch-Herzog-Massenspektrometer besonders gut geeignet.
• 3 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Hierbei unterscheidet sich die Querschnittsform der Strukturen 2' gegenüber den Strukturen 2 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Strukturen sind nicht mehr von rechteckigem Querschnitt, sondern weisen im oberen Bereich eine Stirnfläche 2a' auf, die um 45 Grad gegenüber dem Tragelement 1 geneigt ist. Bei einem Strahlwinkel von 45 Grad treffen somit die Teilchen 4 senkrecht auf jeweils eine der Stirnflächen 2a' auf. Hierdurch sind zumindest sämtliche Teilchen, die auf ein bestimmtes Strukturelement 2' auftreffen, mit der annähernd gleichen Flugzeit belegt. Hierdurch können sich je nach Anforderung Vorteile ergeben. Ein weiterer Vorteil des senkrechten Aufpralls besteht in einer gegenüber einem streifenden Einfall höheren Nachweiswahrscheinlichkeit, da der Wirkungsquerschnitt für eine Reflektion der Teilchen geringer ist.
• Grundsätzlich ist jede beliebige Kombination einer Querschnittsform, einer Ausrichtung von Flächen der Strukturen und eines Strahlwinkels möglich, wobei zweckmäßig eine räumliche Überdeckung benachbarter Strukturen vorliegt, um eine 100%-ige Strahlabdeckung zu erreichen.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Detektion von Teilchen, umfassend ein Tragelement (1) und eine Mehrzahl von auf dem Tragelement (1) angeordneten, elektrisch leitfähigen Strukturen (2), wobei die Strukturen (2) elektrisch voneinander isoliert sind, und wobei jede der Strukturen (2) mit einer Ausleseelektronik elektrisch verbindbar ist, wobei ein Einfallswinkel (α) zwischen einer Strahlrichtung der Teilchen und dem Tragelement (1) gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen einer ersten der Strukturen (2) und einer der ersten Struktur in Strahlrichtung benachbarten Struktur (2) ein Graben (3) angeordnet ist, wobei in Strahlrichtung eine zumindest teilweise Überlappung der ersten Struktur (2) und der benachbarten Struktur (2) vorliegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Verhältnis einer Höhe (h) der Strukturen zu einer Breite (b) des Grabens ein Aspektverhältnis definiert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis wenigstens 0,5 beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis wenigstens 1 beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis wenigstens 5 beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (2) im Wesentlichen gleichförmig und gleich beabstandet sind, wobei in zumindest einer Richtung eine räumliche Periodizität der Strukturen (2) gegeben ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Periodenlänge der Strukturen (2) nicht mehr als etwa 500 Mikrometer beträgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodenlänge nicht mehr als etwa 100 Mikrometer beträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodenlänge nicht mehr als etwa 20 Mikrometer beträgt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtlänge der Mehrzahl der Strukturen (2) in Richtung der räumlichen Periodizität nicht mehr als etwa 15 Zentimeter, insbesondere nicht mehr als etwa 10 cm, beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (2) als Längs körper mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (2') eine Oberfläche aufweisen, die im wesentlichen senkrecht zu der Strahlrichtung ausgerichtet ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseelektronik wenigstens einen kapazitiven Transimpedanzverstärker (CTIA) umfasst.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Transimpedanzverstärker eine Mehrzahl von unterschiedlichen, schaltbaren Integrationskapazitäten aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (2) mittels eines Mikrobearbeitungsverfahrens, insbesondere eine LIGA-Verfahrens, hergestellt sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (2) eine Periodizität in zwei Raumrichtungen aufweisen.
17. Massenspektrometer mit einer Fokalebene, wobei unterschiedliche Orte in der Fokalebene den Flugbahnen von Teilchen mit unterschiedlichen Massen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fokalebene eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 angeordnet ist.
18. Massenspektrometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenspektrometer ein doppeltfokus sierendes Spektrometer, insbesondere vom Mattauch-Herzog-Typ, ist.