DE102007009314A1

DE102007009314A1 - Kontinuierlicher Kanalelektronenvervielfacher in Tandemkonfiguration

Info

Publication number: DE102007009314A1
Application number: DE102007009314A
Authority: DE
Inventors: Kiki H. Amherst Hosea; Matthew L. Hadley Breuer
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: ADAPTAS SOLUTIONS, LLC (N.D.GES.D.STAATES DELA, US
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: GB2436207A; JP2007234595A; GB2436207B; DE102007009314B4; GB0703610D0; US7687978B2; US20090127994A1; AU2007200596B2; FR2899015A1; AU2007200596A1; FR2899015B1; JP5215569B2

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Kanalelektronenvervielfacher (501) mit einem Einkanal-KEV (502) für die Aufnahme eines einfallenden Teilchens. Hinter dem Einkanal-KEV (502) ist ein Mehrkanal-KEV (503) für die Aufnahme von Emissionen des Einkanal-KEV (502) angeordnet. Hinter dem Mehrkanal-KEV (503) wiederum ist ein Ektronenkollektor (520) angeordnet, der als Reaktion auf die Emissionen des Mehrkanal-KEV (503) einen Pulsstrom erzeugt.

Description

Kanalelektronenvervielfacher (KEV) werden zur Verstärkung von Signalen geladener Teilchen, Photonen oder energetisch neutraler Teilchen eingesetzt. KEVs kommen als Detektoren für Photonen, positiv und negativ geladene Teilchen sowie energetisch neutrale Teilchen zum Einsatz. Sie werden außerdem als Detektoren in Massenspektrometern sowie in Oberflächenabtastern wie Auger- und Röntgen-/Ultraviolett-Photoelektronen-Spektrometern sowie in Elektronenmikroskopen verwendet. Darüber hinaus können sie in Photonenvervielfacheranwendungen für die Elektronenvervielfachung genutzt werden.
Ein KEV verfügt über eine emittierende Oberfläche, die eine Elektronenvervielfachung ermöglicht. Diese Oberfläche emittiert Sekundärelektronen, wenn ein geladenes oder energetisch neutrales Teilchen oder ein Photon mit ausreichender Energie darauf auftrifft. Dieser Prozess wird wiederholt, so dass eine Elektronenlawine entlang des Kanals erzeugt wird. Ein am Ende des Kanals angeordneter Elektronenkollektor (zum Beispiel ein Faradaybecher) sammelt die Elektronen und wandelt sie in einen elektrischen Impuls um.

KEVs sind in der Regel röhrenförmig und weisen einen am Eingangsstrahlende angebrachten Trichterkegel auf, der die Erfassung des Eingangsstrahlprofils erleichtert. KEVs mit einem und mehreren Kanälen in einem Körper wurden bereits entwickelt und kommerziell vertrieben. Ein Einkanal-KEV hat einen kleineren Dynamikbereich als ein Mehrkanal-KEV mit identischem Kanalwiderstand pro Kanal. Die Stabilität und Lebensdauer von KEVs hängt von der Größe der aktiven emittierenden Oberfläche ab. Daher hat ein Einkanal-KEV eine kürzere Lebensdauer als ein Mehrkanal-KEV. Außerdem ist ein Einkanal-KEV bei Betrieb mit hohem Ausgangsstrom weniger stabil als ein Mehrkanal-KEV. Allerdings nimmt die Erfassungseffizienz eines Mehrkanal-KEV aufgrund eines inaktiven Bereichs zwischen den Kanälen am Eingangsstrahlende ab. Bei einem Einkanal-KEV wird die Erfassungseffizienz aufgrund eines sanften Übergangs vom Trichterkegel zum Kanal maximiert.

Es besteht daher Bedarf an einem KEV mit hoher Erfassungseffizienz und längerer Lebensdauer.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Kanalelektronenvervielfacher, bei dem ein Eingangsteilchen von einem Einkanal-KEV aufgenommen wird. Hinter dem Einkanal-KEV ist ein Mehrkanal-KEV angeordnet, der Emissionen des Einkanal-KEV aufnimmt. Hinter dem Mehrkanal-KEV ist ein Elektronenkollektor angeordnet, der als Reaktion auf die Emissionen des Mehrkanal-KEV einen Pulsstrom erzeugt.
1 zeigt einen herkömmlichen Einkanal-KEV.
2 zeigt einen herkömmlichen Einkanal-KEV.
Die 3A und 3B zeigen einen herkömmlichen Mehrkanal-KEV.
4 zeigt eine Elektronenlawine in einem KEV.
Die 5A–5C zeigen mehrstufige Tandem-KEVs gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
6 zeigt die Ablenkspannung über den relativen Ausgangsstrom.
7 zeigt die relative UV-Intensität über den Ausgangsstrom.
8 zeigt die Zeit über den normalisierten relativen Ausgangsstrom.
1 zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen KEV. Die meisten KEVs weisen einen Eingangstrichterkegel 101, einen gebogenen Röhrenkanal 102 und einem Faradaybecher 103 auf, wie in 1 dargestellt. 2 zeigt einen alternativen KEV mit einem Eingangstrichter 201, einem spiralförmigen Röhrenkanal 202 und einen Faradaybecher 203. 3A zeigt einen herkömmlichen KEV mit einem Eingangstrichter 301, mehreren gebogenen Röhrenkanälen 302 und einem Faradaybecher 303. 3B ist eine Vorderansicht des in 3A dargestellten KEV.
4 ist eine Detailansicht eines Bereichs von 2, die die Funktionsweise des KEV verdeutlicht. Die innere Kanalwand 401 des KEV ist mit einer Elektronenemissionsschicht 402 (üblicherweise SiO₂) ausgestattet, die sich oberhalb einer halbleitenden Schicht 403 (üblicherweise reduziertes Bleioxidglas) befindet. Der mit dem Röhrenkanal 202 verbundene Trichterkegel 201 erhöht die Erfassungsempfindlichkeit aufgrund eines größeren Aufnahmebereichs für das Eingangsstrahlprofil.
Wenn ein geladenes Teilchen, ein Photon oder ein energetisch neutrales Teilchen auf die Oberfläche des Eingangsendes eines KEV auftrifft, werden Sekundärelektronen generiert und durch ein angelegtes elektrisches Feld in den Kanal getrieben. Durch dieses elektrische Feld werden die Sekundärelektronen tiefer in den Kanal getrieben, so dass sie erneut auf die Kanalwand treffen und eine große Anzahl Sekundärelektronen erzeugen. Dieser Prozess wiederholt sich mehrfach, so dass eine Elektronenlawine entlang des Kanals erzeugt wird. Die Elektronen werden in einem am Ausgangsende angeordneten Faradaybecher 203 gesammelt und in einen elektrischen Impuls 406 umgewandelt, der zur weiteren Signalverarbeitung in elektronische Schaltkreise eingespeist wird. Aus den Kanalwänden des KEV austretende Elektronen werden von dem durch das halbleitende Glas fließenden elektrischen Strom 404 ersetzt. Der elektrische Strom 404 zeigt in Übereinstimmung mit der allgemeinen Konvention vom positiv vorgespannten hinteren Ende des KEV zum negativ vorgespannten vorderen Ende des KEV, also vom Ende mit dem Faradaybecher zum Ende mit dem Trichterkegel. Die Elektronen fließen jedoch vom vorderen Ende zum hinteren Ende.
Es wurden bereits Mehrkanal-KEVs gefertigt, die der in 3 dargestellten Konfiguration entsprechen; allerdings ist die Erfassungseffizienz bei dieser Konfiguration eingeschränkt. Trotz des Vorhandenseins des Eingangstrichterkegels 301 treten die meisten der Sekundärelektronen, die durch die im Bereich 304 zwischen den Kanalöffnungen auftreffenden Teilchen generiert werden, nicht in die Kanäle ein. Daher wird durch die im Bereich 304 auftreffenden Teilchen keine Elektronenvervielfachung generiert, so dass das Ionensignal deutlich geschwächt wird. Im Gegensatz dazu wird die Teilchenerfassung bei dem in den 1 und 2 dargestellten Einkanal-KEV nicht beeinträchtigt, da ein sanfter struktureller Übergang zwischen dem Trichterkegel 101, 201 und dem Kanal 102, 202 besteht. Im Laufe der Zeit führt der Beschuss der Kanalwände mit geladenen Teilchen zu einer fortschreitenden Verschlechterung der Wandoberfläche. Daher ist die Lebensdauer des KEV direkt proportional zur Gesamtoberfläche der Kanalwände. Der Mehrkanal-KEV in 3A bietet aufgrund der Mehrkanalkonfiguration im Vergleich zu den Einkanal-KEVs in den 1 und 2 einen stabilen und größeren Dynamikbereich des Ausgangsstrom (bei gleichem Widerstand pro Kanal oder bei gleichem Vorspannungs-Streifenstrom (bran strip current) pro Kanal). Der Mehrkanal-KEV in 3A hat außerdem eine längere Lebensdauer, da die Emissionsschicht 402 der aktiven Kanalwand eine größere Oberfläche hat als die Emissionsschichten von Einkanal-KEVs.
Die Ausführungsformen der Erfindung bieten eine im Vergleich zu vorhandenen Einkanal- und Mehrkanal-KEVs höhere Leistung, da eine Tandemkonfiguration aus Einkanal- und Mehrkanal-Konfiguration realisiert wird. Der Einkanal-KEV ist am Teilchenstrahl-Eingangsende angeordnet und der Mehrkanal-KEV am Elektronenlawinen-Ausgangsende.
5A zeigt eine Tandem-KEV-Konfiguration 501 in einer Ausführungsform der Erfindung. Der Tandem-KEV 501 weist einen Einkanal-KEV 502 und einen Mehrkanal-Einzelkörper-KEV 503 auf. Die Kanäle im Einzelkörper-KEV 503 können röhrenförmig und gebogen sein, wie in 3A dargestellt. Der Eingangsstrahl geladener Teilchen 508 wird durch einen Trichter (nicht abgebildet) aufgenommen und löst eine Elektronenlawine entlang des Einkanal-KEV 502 aus. Die vom Einkanal-KEV 502 ausgehende Elektronenemission wird von den Kanälen des Einzelkörper-KEV 503 empfangen. Die Elektronenemission wird von einem Elektronenkollektor (zum Beispiel einem Faradaybecher) 520 gesammelt.
5B zeigt eine Tandem-KEV-Konfiguration 504 in einer alternativen Ausführurugsform der Erfindung. Die Tandemkonfiguration 504 weist einen Einkanal-KEV 502 und mehrere Einzelkörper-KEVs 505 auf. Bei den KEV-Einheiten 505 kann es sich um Einkanal- oder Mehrkanalgeräte handeln. Der Eingangsstrahl geladener Teilchen 508 wird durch einen Trichter (nicht abgebildet) aufgenommen und löst eine Elektronenlawine entlang des Einkanal-KEV 502 aus. Die vom Einkanal-KEV 502 ausgehende Elektronenemission wird von den KEV-Einheiten 505 empfangen. Die Elektronenemission wird von Elektronenkollektoren (zum Beispiel Faradaybechern) 520 gesammelt, die jeweils am Ausgangsende der KEV-Einheiten 505 angeordnet sind.
5C zeigt eine Tandem-KEV-Konfiguration 506 gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Die Tandemkonfiguration 506 weist einen Einkanal-KEV 502 und mehrere Einzelkörper-KEVs 505 auf. Bei den KEV-Einheiten 505 kann es sich um Einkanal- oder Mehrkanalgeräte handeln. Eine weitere Gruppe von KEV-Einheiten 507 ist in einer dritten Stufe nach den KEV-Einheiten 505 angeordnet. Bei den KEV-Einheiten 507 kann es sich um Einkanal- oder Mehrkanalgeräte handeln. Der Eingangsstrahl geladener Teilchen 508 wird durch einen Trichter (nicht abgebildet) aufgenommen und löst eine Elektronenlawine entlang des Einkanal-KEV 502 aus. Die vom Einkanal-KEV 502 ausgehende Elektronenemission wird von den KEV-Einheiten 505 empfangen. Die von den KEV-Einheiten 505 ausgehende Elektronenemission wird von den KEV-Einheiten 507 empfangen. Die Elektronenemission der KEV-Einheiten 507 wird von Elektronenkollektoren (zum Beispiel Faradaybechern) 520 gesammelt, die jeweils am Ausgangsende der KEV- Einheiten 507 angeordnet sind. Die in den 5A–5C dargestellten Tandem-KEV-Konfigurationen können einen stabilen, hohen Ausgangsstrom bereitstellen und verfügen über eine lange Lebensdauer bei gleichzeitig sehr effizienter Teilchenerfassung.
In den Tandemkonfigurationen gemäß der 5A–5C muss ein Abstand zwischen dem Einkanal-KEV und dem Mehrkanal-KEV gewahrt werden. Der geeignete Abstand hängt von dem Abstand zwischen den Mehrkanal-KEV-Kanälen am Eingangsende ab. In beispielhaften Ausführungsformen beträgt der Mittenabstand zwischen den Kanälen 2,54 mm und der geeignete Abstand zwischen dem Einkanal-KEV und dem Mehrkanal-KEV 2,54 bis 19,05 mm. Im Allgemeinen wird der Abstand zwischen dem Ausgangsende des Einkanal-KEV und dem Eingangsende des Mehrkanal-KEV auf Grundlage des Abstands zwischen den Kanälen des Mehrkanal-KEV bestimmt. In erfindungsgemäßen Ausführüngsformen sind der Einkanal-KEV und der bzw. die Mehrkanal-KEV(s) in einer monolithischen Bauweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
In den oben beschriebenen Tandemkonfigurationen aus einem Einkanal-KEV und einem Mehrkanal-KEV sorgt der Einkanal-KEV für eine hohe Erfassungseffizienz, und der Mehrkanal-KEV bietet einen stabilen, hohen Ausgangsstrom und eine längere Lebensdauer. Die von einem Eingangsteilchen am Einkanal-KEV erzeugte Elektronenlawine verteilt sich über die Eingangsoberfläche des Mehrkanal-KEV. Obwohl einige Elektronen im Eingangsbereich des Mehrkanal-KEV aufgrund der Erfassungsineffizienz im Bereich zwischen den Kanälen verloren gehen, werden genügend Elektronen in die Kanäle getrieben, um eine ausreichende Elektronenlawine zu erzeugen, die bis zum Faradaybecher durch den Mehrkanal-KEV läuft. In diesem Fall wird die Information eines in die Gesamtdetektorkonfiguration eingehenden Teilchens bewahrt.
6 zeigt die Ablenkspannung über den relativen Ausgangsstrom. In 6 zeigt Kurve A das aus dem horizontalen Abtasten eines Eingangsstrahls resultierende Ausgangssignal eines 3-Kanal-KEV. Dieses Signal wird durch spannungsgesteuerte Ablenkplatten ermittelt, die im Eingangskegel des KEV auf einer Ebene mit der Strahlachse angeordnet sind. Die Strahlachse verläuft kollinear mit der Achse des 3-Kanal-KEV. In Kurve A schneidet die Abtastung zwei der drei Eingangskanäle, deren Schnittpunkte durch die zwei Spitzen bei den Ablenkungspositionen –75 V und +75 V dargestellt werden. Die zwischen diesen Spitzen auftretende starke Abnahme des Ausgangsstroms ist eine direkte Folge der Verluste, die daraus resultieren, dass der Eingangsstrahl im Bereich zwischen den Kanälen gestreut wird. Kurve B zeigt den Ausgang der Tandem-KEV-Konfiguration bei Verwendung desselben Eingangsstrahl-Abtastungsschemas wie beim Mehrkanal-KEV. Kurve B zeigt, dass beim Eingangskegel der Tandemkonfiguration in dem Bereich, in dem beim Mehrkanal-KEV die größten Verluste auftreten, fast keine Verluste zu verzeichnen sind. Dies ist ein klarer Hinweis darauf, dass durch die Verwendung eines Einkanal-Eingangsvervielfachers in einer Tandem-KEV-Konfiguration die Verluste vermieden werden können, die auftreten, wenn der Strahl direkt auf einen nur aus einem Mehrkanal-KEV bestehenden Detektor geleitet wird.
7 zeigt die relative UV-Intensität über den Ausgangsstrom für einen Einkanal-KEV und einen Tandem-KEV. Kurve B zeigt den Ausgangsstrom für einen Einkanal-KEV. Kurve A zeigt den Ausgangsstrom für den mehrstufigen Tandem-KEV. Wie in 7 dargestellt wird, bietet der Tandem-KEV einen größeren Dynamikbereich für den Ausgangsstrom. In diesem Graph ist der Ausgangsstromverlauf des Tandem-KEV höher als der eines Einkanal-KEV, obwohl der Vorspannungs-Streifenstrom pro Kanal beim Tandem- KEV um den Faktor 1,6 kleiner ist als beim Einkanal-KEV. Die Sättigung des Einkanal-KEV tritt bei ca. 45 Mikroampere ein. Dies belegt, dass durch das Vorhandensein mehrerer Kanäle im kontinuierlichen Tandem-KEV ein größerer Ausgangsstrom als bei Einkanal-KEV mit vergleichbarer Verstärkung erzeugt werden kann.
8 zeigt die Zeit über den normalisierten relativen Ausgangsstrom. Kurve A zeigt die Werte eines Tandem-KEV, und Kurve B zeigt die Werte eines Einkanal-KEV. 8 zeigt, dass die Tandem-KEV-Konfiguration größere Ausgangsströme über längere Zeiträume aufrechterhalten kann als ein unter vergleichbaren Bedingungen betriebener Einkanal-KEV. Bei ununterbrochenem Betrieb über einen Zeitraum von 3,5 Tagen liegt der Ausgangsstrom bei der Tandem-KEV-Konfiguration bei 74 % und beim Einkanal-KEV bei nur 46 % des ursprünglichen Werts. Dies zeigt, dass die Lebensdauer eines Detektors durch Verwendung der Tandem-KEV-Konfiguration um den Faktor 1,6 erhöht wurde. Dies ist ein Ergebnis der dank des Einsatzes mehrerer Kanäle größeren Gesamtoberfläche der Kanalwände.
Schwierigkeiten, die bei vorbekannten Einkanal- und Mehrkanalvervielfachern auftreten, werden in den Ausführungsformen der Erfindung umgangen, da hierbei eine Tandemkonfiguration verwendet wird, die eine Einkanalkonfiguration am Eingangsstrahlende und eine Mehrkanalkonfiguration am Ausgangsende aufweist. Durch den Einkanal-Kanalelektronenvervielfacher wird die Erfassungseffizienz erhöht, und durch den Mehrkanal-Kanalelektronenvervielfacher wird ein hoher (Dynamikbereich) und stabiler Ausgangsstrom bereitgestellt sowie die Lebensdauer verlängert. In einer Tandemkonfiguration verteilt sich die von einem Eingangsteilchen am Einkanalende erzeugte Elektronenlawine über die gesamte Eingangsoberfläche des Mehrkanal-Eingangskegels. Obwohl einige Elektronen im Oberflächenbereich zwischen den Eingangsenden der Kanäle verloren gehen, treten mehr als genug Elektronen in die Kanäle ein, um Elektronenlawinen in der Mehrkanalstufe zu erzeugen. Daher wird die Information eines eingehenden Teilchens bewahrt.
In der Tandemkonfiguration wird das Eingangsstrahlende der Einkanalkomponente elektrisch vorgespannt, so dass es im Verhältnis zum Ausgangsende negativ ist. Die Vorspannung wird durch Anlegen einer Spannung über die gesamte Länge der Tandemkonfiguration erzeugt. Eingangsende und Ausgangsende des Elektronenvervielfachers sind mit einem elektrischen Kontakt ausgestattet, so dass Spannung an den Kanal angelegt werden kann. Ein Eingangsstrahl am Eingangsende des Elektronenvervielfachers erzeugt Sekundärelektronen. Diese Elektronen bewegen sich unter Einfluss des angelegten elektrischen Felds in Richtung des Ausgangsendes der Kanäle. Hierbei stoßen sie wiederholt auf die Kanalwand, so dass eine Elektronenlawine erzeugt wird, die in einem Faradaybecher gesammelt wird.
Die Erfindung wurde anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben, aber für den Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsformen, die im Umfang der nachfolgenden Patentansprüche liegen.

101: Eingangstrichterkegel
102: gebogener Röhrenkanal
103: Faradaybecher
201: Eingangstrichter
202: spiralförmiger Röhrenkanal
203: Faradaybecher
301: Eingangstrichterkegel
302: gebogener Röhrenkanal
303: Faradaybecher
401: innere Kanalwand
402: Elektronenemissionsschicht
403: halbleitende Schicht
404: elektrischer Strom
405
406: elektrischer Impuls
501: Tandem-KEV-Konfiguration
502: Einkanal-KEV
503: Mehrkanal-Einzelkörper-KEV
504: Tandem-KEV-Konfiguration
505: Einzelkörper-KEV
506: Tandem-KEV-Konfiguration
507: KEV-Einheit
508: Eingangstrahl
520: Faradaybecher

Claims

Ein Kanalelektronenvervielfacher (501, 504, 506) mit den folgenden Merkmalen: a) ein Einkanal-KEV (502) für die Aufnahme eines einfallenden Teilchens; b) ein hinter dem Einkanal-KEV (502) angeordneter Mehrkanal-KEV (503, 505) für die Aufnahme von Emissionen des Einkanal-KEV (502), und c) ein hinter dem Mehrkanal-KEV (503, 505) angeordneter Elektronenkollektor (520), der als Reaktion auf die Emissionen des Mehrkanal-KEV (503, 505) einen Pulsstrom erzeugt.
Der Kanalelektronenvervielfacher (501) nach Anspruch 1, wobei der Mehrkanal-KEV (503) ein Einzelkörper-Mehrkanal-KEV ist.
Der Kanalelektronenvervielfacher (504, 506) nach Anspruch 1, wobei der Mehrkanal-KEV mehrere Einzelkörper-KEV-Einheiten (505) umfasst und die Einzelkörper-KEV-Einheiten (505) einen einzelnen Kanal umfassen.
Der Kanalelektronenvervielfacher (504, 506) nach Anspruch 1, wobei der Mehrkanal-KEV mehrere Einzelkörper-KEV-Einheiten (505) umfasst, und die Einzelkörper-KEV-Einheiten (505) mehrere Kanäle umfassen.
Der Kanalelektronenvervielfacher (506) nach Anspruch 1, mit einem weiteren hinter dem Mehrkanal-KEV angeordneten Mehrkanal-KEV (507) für die Aufnahme von Emissionen des Mehrkanal-KEV, wobei ein hinter dem weiteren Mehrkanal-KEV (507) angeordneter Elektronenkollektor (520) als Reaktion auf die Emissionen des weiteren Mehrkanal-KEV einen Pulsstrom erzeugt.
Der Kanalelektronenvervielfacher (501, 504, 506) nach Anspruch 1, mit einem Trichter, der das Teilchen zum Einkanal-KEV (502) leitet.
Der Kanalelektronenvervielfacher (501, 504, 506) nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen dem Einkanal-KEV (502) und dem Mehrkanal-KEV auf Grundlage des Abstands zwischen den Kanälen des Mehrkanal-KEV bestimmt wird.
Ein Kanalelektronenvervielfacher (501, 504, 506) mit den folgenden Merkmalen: a) ein Einkanal-KEV (502) für die Aufnahme eines einfallenden Teilchens; b) ein hinter dem Einkanal-KEV (502) angeordneter Mehrkanal-KEV für die Aufnahme von Emissionen des Einkanal-KEV (502), wobei der Einkanal-KEV (502) und der Mehrkanal-KEV eine monolithische Bauweise aufweisen; c) ein hinter dem Mehrkanal-KEV angeordneter Elektronenkollektor (520), der als Reaktion auf die Emissionen des Mehrkanal-KEV einen Pulsstrom erzeugt.