DE102020203234A1

DE102020203234A1 - Teilchen-Detektor zur Detektion von geladenen Teilchen

Info

Publication number: DE102020203234A1
Application number: DE102020203234.3A
Authority: DE
Inventors: Michel Aliman; Alexander Laue
Original assignee: Leybold GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-09-16
Also published as: CN115210561A; US20230114569A1; TW202200983A; KR20220153588A; IL296264A; EP4118425A1; WO2021180653A1; JP2023517996A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Teilchen-Detektor (1), umfassend: eine Messelektrode (6) zum Erfassen von geladenen Teilchen (2), eine Detektions-Einrichtung (7) zur Detektion der von der Messelektrode (6) erfassten geladenen Teilchen (2) sowie eine Auswerte-Einrichtung (8) zur Bestimmung einer Anzahl (QN) der von der Detektions-Einrichtung (7) detektierten geladenen Teilchen (2). Die Detektions-Einrichtung (7) weist einen Ladungsverstärker (6) zur Umwandlung eines von den geladenen Teilchen (2) erzeugten Ladungssignals (Q(t)) in ein Spannungssignal (U(t)) und eine Verstärker-Einrichtung (10) zur Verstärkung des Spannungssignals (U(t)) auf.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Teilchen-Detektor, umfassend: eine Messelektrode zum Erfassen von geladenen Teilchen, eine Detektions-Einrichtung zur Detektion der von der Messelektrode erfassten geladenen Teilchen, sowie eine Auswerte-Einrichtung zur Bestimmung einer Anzahl der von der Detektions-Einrichtung detektierten geladenen Teilchen.
Teilchen-Detektoren werden überwiegend im Massenspektrometer-Bereich (MS-Bereich) eingesetzt, um Teilchen bzw. Partikel (im Folgenden: Teilchen) zu detektieren oder zu zählen. Die im Fein- oder Hoch-Vakuumbereich erzeugten und extrahierten geladenen Teilchen werden auf eine geeignete Mess- oder Auffangelektrode beschleunigt und dort mit Hilfe einer Detektions-Einrichtung detektiert. Zur Detektion der geladenen Teilchen (z.B. Ionen) existieren verschiedene Verfahren: Die geladenen Teilchen können durch Influenzladungsmessung (nichtdestruktiv) oder durch Teilcheneinschlag (destruktiv) nachgewiesen werden.
Bei der destruktiven Teilchendetektion wird zwischen zwei Verfahren unterschieden:

• Stromdetektion von geladenen Teilchen, z.B. mittels Faraday-Becher
• Nachweis von Teilchen durch Elektronenvervielfachung mittels Elektronenröhre

Mit Faraday-Bechern (auch als Faraday-Cups bezeichnet) werden kleine Dynamik-Bereiche (bis zu 3 Dekaden) erreicht. Für größere Dynamik-Bereiche (bis zu 5-6 Dekaden) werden sogenannte aktive Ladungsvervielfacher wie z.B. Dynoden, Kanalelektronenvervielfacher (Channeltrons) oder Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) und Mikrokanalplatten (MCPs oder Micro-Channel-Plates) eingesetzt, vgl. beispielsweise den Artikel „Microchannel plate detectors", J.L. Wiza, Nuclear Instruments and Methods, Vol. 162, Issues 1-3, 1-15, 1979, pp. 587-601 oder den Artikel „Low power readuout electronics for a UV MCP detector with cross strip anode“, M. Pfeifer et al., Journal of Instrumentation, Vol. 9, March 2014. Generell sei hinsichtlich der Messung von Teilchenströmen auf das Buch „Beam instrumentation and diagnostics“ von P. Strehl, Springer, Berlin 2006, sowie auf das Buch „Techniques for Nuclear and Particle Experiments: A How-to Approach.“, Springer, New York 1994, verwiesen.
Problematisch bei Ladungsvervielfachern ist die große Drift und die Degradation während des Langzeitbetriebs. Die Verstärkung muss beispielsweise bei MCPs aufgrund dauernder irreversibler Ausfälle der Mikrokanäle durch ständige Erhöhung der Beschleunigungshochspannung laufend nachjustiert werden. Schließlich muss der Ladungsvervielfacher nach einer aus Anwendungssicht kurzen Betriebszeit ausgetauscht werden. Faraday-Becher sind hingegen sehr robust und weisen eine kaum messbare Drift und Degradation auf, erreichen aber derzeit bekannten Messanordnungen nur kleine Dynamik-Bereiche.
Zusammenfassend ist der Nachweis von geladenen Teilchen mittels einer Strommessung durch einen Faraday-Becher bzw. einer Auffangelektrode mit hoher Robustheit und Stabilität möglich, wenngleich die Empfindlichkeit geringer ist als bei der Detektion von geladenen Teilchen mittels eines Ladungsvervielfachers.
Andererseits ist der Dynamikbereich der Teilchendetektion mittels eines Ladungsvervielfachers gegenüber der Detektionsdynamik mittels eines Faraday-Bechers um bis zu drei Dekaden größer. Zusätzlich nimmt - bedingt durch die Strommessung dieser Ladungsvervielfacher - die Empfindlichkeit für Teilchen mit hohen Massen bei dieser Detektionsart diskriminierend ab. Die Empfindlichkeit des Ladungsvervielfachers ist invers proportional zur Wurzel des Masse-zu-Ladungsverhältnisses m/z.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Teilchen-Detektor bereitzustellen, der einerseits eine große Robustheit und andererseits einen hohen Dynamik-Bereich bei der Detektion von geladenen Teilchen aufweist.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Teilchen-Detektor der eingangs genannten Art, bei dem die Detektions-Einrichtung einen Ladungsverstärker zur Umwandlung eines von den geladenen Teilchen erzeugten Ladungssignals in ein Spannungssignal sowie eine Verstärker-Einrichtung zur Verstärkung des Spannungssignals aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Teilchen-Detektor wird anders als bei herkömmlichen Teilchen-Detektoren, die einen Faraday-Becher als Messelektrode aufweisen, nicht der Strom der geladenen Teilchen mit Hilfe eines Elektrometers gemessen und ausgewertet, sondern ein von den geladenen Teilchen erzeugtes Ladungssignal mit Hilfe eines Ladungsverstärkers in ein Spannungssignal umgewandelt. Auf diese Weise kann mit dem Teilchen-Detektor eine Detektion von einzelnen Teilchen mit einer hohen Robustheit und Stabilität erfolgen, wie dies bei einem Detektor mit einer Messelektrode in Form eines Faraday-Bechers der Fall ist. Mit Hilfe der Verstärker-Einrichtung wird zudem das Spannungssignal verstärkt, um einen Dynamik-Bereich von bis zu 5-6 Dekaden zu gewährleisten. Im Gegensatz zu einem Ladungsvervielfacher werden zur Erzeugung des großen Dynamik-Bereichs jedoch nicht die einzelnen Ladungen verstärkt, sondern das von dem Ladungsverstärker erzeugte Spannungs-Signal.
Der erfindungsgemäße Teilchen-Detektor ist in der Lage, einzelne geladene Partikel zu detektieren und die Anzahl der auf die Messelektrode beschleunigten Teilchen bzw. deren Gesamtladung zu bestimmen. Die Detektions-Einrichtung ist typischerweise in Form einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung von analogen Signalen ausgebildet. Die Detektions-Einrichtung sollte bevorzugt so nah wie möglich an der Messelektrode angeordnet bzw. angebracht werden.
Bei der Auswerte-Einrichtung handelt es sich typischerweise um eine Elektronik, die zur digitalen Verarbeitung von Signalen ausgebildet ist. Die Auswerte-Einrichtung liest die Ausgänge der Detektions-Einrichtung aus und wertet deren Zustand bzw. deren Ergebnisse aus, um die Anzahl der detektierten geladenen Teilchen zu bestimmen. Die Auswerte-Einrichtung kann ausgebildet sein, die Detektions-Einrichtung, beispielsweise die Verstärker-Einrichtung 10, anzusteuern, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Bei einer Ausführungsform ist die Auswerte-Einrichtung ausgebildet, zur Bestimmung der Anzahl der detektierten geladenen Teilchen das Spannungssignal in einem jeweiligen Zählfenster, um einen Mess- bzw. Auftreffzeitpunkt der geladenen Teilchen an der Messelektrode auszuwerten. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird mit dem hier beschriebenen Teilchen-Detektor nicht der Strom, sondern einzelne Ladungen bzw. Partikelmengen gemessen, die von der Messelektrode zu bestimmten Messzeitpunkten aufgefangen werden. Mit anderen Worten werden zu den Messzeitpunkten „Einschläge“ von einzelnen Teilchen oder von einer Mehrzahl von Teilchen an der Messelektrode detektiert, die zu einem Spannungssprung des Spannungssignals führen. Das jeweilige Zählfenster weist typischerweise zwei Hälften auf, von denen eine vor und die andere nach dem Messzeitpunkt der geladenen Teilchen liegen. Der Messzeitpunkt muss aber nicht zwingend in der Mitte des Zählfensters liegen. Eine typische Zeitdauer des Zählfensters liegt in der Größenordnung von Mikrosekunden oder darunter.
Die Auswerte-Einrichtung kann das verstärkte, analoge Spannungssignal an einem Ausgang der Verstärker-Einrichtung auslesen und für die digitale Auswertung bzw. Weiterverarbeitung in ein digitales Spannungssignal umwandeln. Zu diesem Zweck kann das analoge Spannungssignal von der Auswerte-Einrichtung mit einer geeigneten Abtastfrequenz f_s abgetastet werden, für die gilt: f_s >> f₂, wobei f₂ eine obere Frequenz eines interessierenden Frequenzbereichs darstellt (s.u.).
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Detektions-Einrichtung zur Festlegung des jeweiligen Zählfensters eine Trigger-Einheit, typischerweise in Form einer Trigger-Schaltung, auf. Für die Festlegung des Zählfensters schaltet die Trigger-Schaltung zwischen zwei binären Zuständen um, wobei das Umschalten jeweils beim Über- bzw. beim Unterschreiten eines Schwellwerts des Spannungssignals erfolgt. Die Trigger-Schaltung kann einen Filter, beispielsweise in Form eines Bandpass-Filters, aufweisen, um den für das Triggern relevanten Frequenzbereich auszufiltern. Die Trigger-Schaltung kann einen Verstärker sowie einen Schwellwertschalter, beispielsweise in Form eines Schmitt-Triggers, aufweisen, der bei zwei unterschiedlichen Schwellwerten des Spannungssignals zwischen den beiden unterschiedlichen Schaltzuständen umschaltet und auf diese Weise die Zeitdauer des jeweiligen Zählfensters festlegt. Die Zeitdauer eines jeweiligen Zählfensters kann aufgrund der Triggerung geringfügig schwanken, d.h. diese ist nicht zwingend konstant.
Die Trigger-Schaltung ist in der Detektions-Schaltung der Verstärker-Einrichtung nachgeschaltet und liefert an ihrem Ausgang ebenfalls ein analoges Trigger-Signal, das von der Auswerte-Einrichtung ausgelesen wird und das für jeden Teilcheneinschlag bzw. für jeden Spannungssprung einen Puls generiert. Das Trigger-Signal liefert somit eine Information über die Anzahl der Einschläge von Teilchen an der Messelektrode.
An Stelle der hier beschriebenen Trigger-Schaltung kann die Triggerung zur Festlegung eines jeweiligen Zählfensters an dem digitalisierten Spannungssignal in der Auswerte-Einrichtung durchgeführt werden. Bei einer Vielzahl von schnell aufeinander folgenden Einschlägen an der Messelektrode ist die digitale Auswertung des Spannungssignals jedoch ggf. nicht schnell genug für die Durchführung der Triggerung.
In beiden oben beschriebenen Fällen, d.h. sowohl bei der analogen als auch bei der digitalen Triggerung, kann bei jedem Partikeleinschlag an einem Einschlagzeitpunkt bzw. einem Messzeitpunkt T_i somit ein Zählfenster dT_i (dT_i / 2 davor und danach) aus dem Spannungssignal entnommen werden. Innerhalb des Zählfensters kann die Auswerte-Einrichtung die Teilchenmenge bzw. die Teilchenanzahl gemäß einem geeigneten Algorithmus berechnen (s.u.). Der entsprechende Algorithmus wird nur in den vorgegebenen Zeitfenstern dT_i ([T_i - dT_i / 2, T + dT_i / 2]) um den jeweiligen Einschlagzeitpunkt T_i durchgeführt, um die Rausch- und Störbeiträge bei der Bestimmung der Anzahl der geladenen Teilchen zu minimieren.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Auswerte-Einrichtung ausgebildet, das Spannungssignal in dem jeweiligen Zählfenster zur Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses zu filtern. Bei dieser Weiterbildung wird eine digitale Filterung des Spannungssignals innerhalb des jeweiligen Zählfensters vorgenommen. Bei der digitalen Filterung kann es sich beispielsweise um eine gleitende Mittelwertbildung des Spannungssignals handeln. Da das Spannungssignal bei schwachen Einschlägen (d.h. bei einem Einschlag mit geringer Menge von Partikeln an der Messelektrode) stark verrauscht ist, kann es darüber hinaus vorteilhaft sein, die typische Form der Einschlagssignale in der Auswerte-Einrichtung als Faltungsterm zu ermitteln, um damit bekannte Algorithmen zur Filterung - z.B. Wavelet- oder Fourier-basierte Algorithmen - anzuwenden. Durch die gleitende Mittelwertbildung oder durch einen ggf. angewendeten anderen rauschvermindernden Messdatenalgorithmus lässt sich eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses erreichen, die z.B. mindestens bei einem Faktor 10 dB bzw. 20 dB liegen kann.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Auswerte-Einrichtung ausgebildet, zur Bestimmung der Anzahl der detektierten geladenen Teilchen in einem jeweiligen Zählfenster eine Spannungsdifferenz U_i des Spannungssignals vor dem Messzeitpunkt und nach dem Messzeitpunkt zu bestimmen. In dem jeweiligen Zählfenster wird die Differenz zwischen dem - typischerweise gefilterten - Spannungssignal vor dem Messzeitpunkt (Grundpegel) und nach dem Messzeitpunkt bestimmt. Zur Bestimmung der Anzahl bzw. der Gesamtladung Q_N der aufgefangenen Partikel wird die Summe über die in den jeweiligen Zählfenstern aufgefangenen Ladungen Q_i gebildet, die proportional zu der in dem jeweiligen Zählfenster berechneten Spannungsdifferenz U_i ist. Mit einem Ladungs-zu-Spannungs-Konversionsfaktor CF des Ladungsverstärkers, der beispielsweise in der Größenordnung von ca. 100 nV/As liegen kann, ergibt sich: $Q_{N} = \sum_{i = 1}^{N} Q_{i} = \sum_{i = 1}^{N} \frac{U_{i}}{10^{N x} . C F}$
wobei 10^Nx den Verstärkungsfaktor der Verstärker-Einrichtung bezeichnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerte-Einrichtung ausgebildet, zur Bestimmung der Spannungsdifferenz das Spannungssignal nach dem Messzeitpunkt an einem Abtastzeitpunkt t_s,i innerhalb des jeweiligen Zählintervalls auszuwerten, für den gilt: 3 / fo < t_s,i < 4,5 / fo, wobei fo eine (Durchtritts-)Resonanzfrequenz des Ladungsverstärkers bezeichnet. Da das Spannungssignal nach dem Spannungssprung langsam abnimmt, sollte der Abtastzeitpunkt nicht zu spät gewählt werden, um das Messergebnis nicht zu verfälschen. Der Abtastzeitpunkt sollte auch nicht zu spät gewählt werden, da dann ggf. bereits weitere Teilchen auf die Messelektrode auftreffen. Der Abtastzeitpunkt sollte allerdings auch nicht zu früh gewählt werden, da der Ladungsverstärker eine Einschwingdauer aufweist und für die Bestimmung der Spannungsdifferenz abgewartet werden sollte, bis ein eingeschwungener Zustand des Ladungsverstärkers erreicht ist. Bei einer Durchtritts-Resonanzfrequenz von z.B. ca. 10 MHz liegt ein geeigneter Wert für den Abtastzeitpunkt t_s,i z.B. zwischen ca. 300 ns und ca. 450 ns nach dem Beginn des Zählfensters dT_i.
Bei einer Ausführungsform ist der Ladungsverstärker ein rauscharmer Ladungsverstärker, der in einem vorgegebenen Frequenzintervall ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis größer als 10 dB aufweist. Der Ladungsverstärker stellt typischerweise die erste Stufe der Detektions-Einrichtung dar, die sich an die Messelektrode anschließt. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) des rauscharmen Ladungsverstärkers sollte in einem interessierenden Frequenzbereich [f₁, f₂] zwischen einer ersten Frequenz f₁ und einer zweiten Frequenz f₂ vorzugsweise größer als 10dB sein (d.h. SNR > 3: SNR = 10^(SNR_dB/20) mit SNR_dB=10).
Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis im interessierenden Frequenzbereich [f₁, f_2] ergibt sich wie folgt: $S N R = \frac{Δ u_{Q}}{u_{N}} = \frac{Δ u_{Q}}{\sqrt{\int_{f_{1}}^{f_{2}} e_{N}^{2} . d f}}$
wobei Δu_Q das Nutz-Spannungssignal (in V) und e_N ² den Rausch-Anteil (in V / Hz) bezeichnen, der durch den Ladungsverstärker verursacht wird. Die untere Frequenz f₁ des interessierenden Frequenzbereichs liegt typischerweise in der Größenordnung von kHz, z.B. von ca. 20-100 kHz, die obere Frequenz f₂ des interessierenden Frequenzbereichs liegt typischerweise in der Größenordnung von MHz, beispielsweise bei 15 MHz oder darüber. Der Ladungsverstärker kann eine Durchtritts-Resonanzfrequenz fo aufweisen, die z.B. in der Größenordnung von ca. 10 MHz liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Ladungsverstärker eine Phasenreserve von mindestens 45°, bevorzugt von mindestens 60° auf. Um Überschwinger gering zu halten, solle die Phasenreserve des Ladungsverstärkers einen Wert von ca. 45° nicht unterschreiten. Dies ist insbesondere günstig, da die Auswertung des Spannungssignals an einem Abtastzeitpunkt erfolgen sollte, der zeitlich nicht zu weit von dem Messzeitpunkt entfernt ist, bei dem die geladenen Teilchen auf die Messelektrode treffen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Verstärker-Einrichtung einen mittels der Auswerte-Einrichtung in Abhängigkeit vom Spannungssignal bzw. von dessen Signalpegel einstellbaren Verstärkungsfaktor auf. Liegen die Messzeitpunkte zeitlich weit genug auseinander, kehrt das Spannungssignal bzw. der Pegel am Ausgang der Verstärker-Einrichtung zum Ausgangs-Pegel bzw. zum Ausgangs-Potential zurück. Bei dicht aufeinanderfolgenden Auftreffzeitpunkten steigt das Spannungssignal am Ausgang der Verstärker-Anordnung hingegen zwar stetig an, allerdings ist die Steigung immer flacher - im schlimmsten Fall zunächst ein nahezu logarithmischer Anstieg -, so dass der Grundpegel (Baseline) mit der Zeit immer langsamer ansteigt. Das Spannungssignal am Ausgang der Verstärkeranordnung kehrt längerfristig jedoch stets zum Ausgangs-Potential zurück. Daher ist es günstig, wenn der Verstärkungsfaktor der Verstärkungs-Einrichtung in von der Auswerte-Einrichtung in Abhängigkeit vom Signalpegel des Spannungssignals vorgegeben bzw. eingestellt wird. Bei der Auswahl eines geeigneten, nicht übersteuernden Verstärkungsfaktors 10^Nx der Verstärker-Einrichtung in Abhängigkeit von der Höhe des Signalpegels des Spannungssignals kann ein Dynamik-Bereich des Teilchen-Detektors erreicht werden, der sich über 4 oder 5 Dekaden erstreckt.
Bei einer Weiterbildung ist der Verstärkungsfaktor der Verstärker-Einrichtung über mindestens vier Dekaden, bevorzugt über mindestens fünf Dekaden einstellbar. Durch eine geeignete Einstellung des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit vom Wert bzw. vom Pegel des Spannungssignals kann ein Dynamik-Bereich des Teilchen-Detektors von ca. 5 Dekaden erreicht werden. Für die Einstellung des Verstärkungsfaktors über 4 oder 5 Dekaden weist die Verstärker-Einrichtung typischerweise mehrere (z.B. 4 oder 5) hintereinander geschaltete Verstärker-Stufen auf. Beispielsweise kann eine jeweilige Verstärker-Stufe einen Verstärkungsfaktor von 10¹ aufweisen, so dass sich bei einer Anzahl von N Verstärker-Stufen ein maximaler Verstärkungsfaktor von 10^N ergibt. Es versteht sich, dass eine Verstärker-Stufe auch einen anderen Verstärkungsfaktor, z.B. 0,5 × 10¹, 2 × 10¹, etc. aufweisen kann. Die Auswerte-Einrichtung kann typischerweise die einzelnen Verstärker-Stufen ein- oder ausschalten, um auf diese Weise den Verstärkungsfaktor stufenweise um jeweils eine Größenordnung (10¹) zu erhöhen oder zu verringern. Die Auswerte-Einrichtung kann zudem beim Start einer jeweiligen Messung einen automatischen Offset-Abgleich der Ausgänge der einzelnen Verstärker-Stufen vornehmen oder gegebenenfalls einzelne Verstärkerstufen aus der Übersteuerung in die Messbereitschaft zurücksetzen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Messelektrode als Faraday-Becher ausgebildet. Ein Faraday-Becher ist ein leitfähiger Hohlkörper (Metallbecher). Der Faraday-Becher sorgt dafür, dass alle durch eine geeignete Eingangsblende eingesaugten geladenen Teilchen praktisch rückstreuungsfrei von der Detektions-Einrichtung aufgenommen werden können, die mit dem Faraday-Becher verbunden ist.
Mit einem Faraday-Becher können Teilchenströme im fA-Bereich nachgewiesen werden, was einem Teilchenstrom von ca. 1000 Teilchen/s entspricht. Aufgrund der hohen Robustheit des Faraday-Bechers wird dieser häufig in korrosiven oder oxidativen Umgebungen oder bei hohen Teilchenstrahldichten oder Temperaturen eingesetzt. Auch bietet der Faraday-Becher eine hohe Absolut-Genauigkeit des gemessenen Signals, hohe Langzeitstabilität sowie geringen Drift. Da unmittelbar die Ladung der Teilchen gemessen wird, weist der Faraday-Becher zudem keine Massendiskriminierung, d.h. keine von der auftreffenden Teilchengröße (u.a. der Masse des Molekül-Ions) abhängige Empfindlichkeit, auf. Für den Betrieb des Faraday-Bechers werden keine hohen Spannungen benötigt. Somit eignet sich dieser besonders für Anwendungen im Feinvakuum- bis Ultrahochvakuum-Bereich sowie für Anwendungen, bei denen keine starken elektrischen Felder tolerierbar sind. Der Faraday-Becher bzw. ein mit einer Messelektrode in Form eines Faraday-Bechers ausgestatteter Teilchen-Detektor kann insbesondere im Bereich der Massenspektrometrie, z.B. in Restgasanalysatoren (RGA), eingesetzt werden.
Bei einer Messelektrode in Form eines Faraday-Bechers erfolgt eine destruktive Messung durch das Auffangen der geladenen Teilchen. Alternativ kann die Messelektrode zur nicht-destruktiven Messung bzw. zur Erfassung von InfluenzLadungen von geladenen Teilchen dienen, die selbst nicht mit der Messelektrode in Kontakt kommen. Die Messelektrode kann z.B. zur nicht-destruktiven Erfassung von geladenen Teilchen in Form von Ionen in einem lonenfallen-Massenspektrometer dienen; sie kann aber auch, ähnlich wie beim Faraday-Becher, zur destruktiven Erfassung von Teilchen dienen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Teilchen-Detektor eine Extraktionseinrichtung zur Extraktion der geladenen Teilchen aus einer Umgebung des Teilchen-Detektors. Die Extraktionseinrichtung weist zu diesem Zweck in der Regel eine Blende mit einer Blendenöffnung auf, durch welche die geladenen Teilchen in den Teilchen-Detektor gelangen können. Die Blendenöffnung liegt in der Regel auf einer Sichtlinie mit der Messelektrode oder mit einer dort befindlichen Blendenöffnung, beispielsweise der Blendenöffnung eines Faraday-Bechers. Für den Fall, dass in der Umgebung des Teilchen-Detektors eine Quelle der geladenen Teilchen angeordnet ist, wird die Sichtlinie des Teilchen-Detektors auf diese Teilchen-Quelle ausgerichtet. Die Sichtlinie ist aber nicht zwingend erforderlich; in einer weiteren Ausführungsform kann der Teilchenstrahl elektromagnetisch zum Faraday-Becher umgelenkt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Teilchen-Detektor eine Teilchen-Leiteinrichtung zur Führung der geladenen Teilchen von der Extraktionseinrichtung zur Messelektrode. Bei der Teilchen-Leiteinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Ionenoptik oder dergleichen handeln. Auf das Vorsehen der Teilchen-Leiteinrichtung kann verzichtet werden, wenn der Weg von der Extraktionseinrichtung zur Messelektrode klein gegenüber der mittleren freien Weglänge ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Extraktionseinrichtung und/oder die Teilchen-Leiteinrichtung zur Filterung der geladenen Teilchen ausgebildet. Sowohl die Teilchen-Leiteinrichtung als auch die Extraktionseinrichtung können eine Filterung der geladenen Teilchen bewirken. Beispielsweise kann die Extraktionseinrichtung als lonen-Filtereinrichtung in Form eines sogenannten Nielson-Gitters mit Metallgitter-Strukturen ausgebildet sein. Die Partikel-Leiteinrichtung kann eine Filterung der geladenen Teilchen beispielsweise durch eine Fourier-basierte Filterungsmethode bereitstellen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Teilchen-Detektors zur Detektion von geladenen Teilchen, der eine Messelektrode, eine Detektions-Einrichtung und eine Auswerte-Einrichtung aufweist,
2 eine schematische Darstellung eines Spannungssignals am Ausgang einer Verstärker-Einrichtung der Detektions-Einrichtung sowie eines Ladungssignals eines geladenen Teilchens mit einer elementaren Ladung, das von der Messelektrode erfasst wird,
3 eine schematische Darstellung des Spannungssignals von 2 bei der eine Mehrzahl von Teilchen an unterschiedlichen Messzeitpunkten an der Messelektrode auftreffen,
4 eine schematische Darstellung analog zu 3, bei der zusätzlich ein Trigger-Signal sowie mehrere Zählfenster zur Bestimmung einer jeweiligen Anzahl von auf die Messelektrode auftreffenden geladenen Teilchen dargestellt sind,
5 eine schematische Darstellung des Spannungssignals in einem der Zählfenster von 4, in dem zur Bestimmung der Anzahl der geladenen Teilchen eine Spannungsdifferenz bestimmt wird,
6 schematische Darstellungen eines idealen Spannungssignals am Ausgang eines Ladungsverstärkers der Detektor-Einrichtung bei unterschiedlichen Phasenreserven,
7 eine schematische Darstellung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses des Ladungsverstärkers in einem interessierenden Frequenzintervall, sowie
8 eine schematische Darstellung des Spannungssignals am Ausgang der Verstärker-Einrichtung bei unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren, sowie
9 eine schematische Darstellung analog zu 8, bei welcher der Verlauf des Spannungssignals über einen längeren Zeitraum gezeigt ist.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Teilchen-Detektors 1 zur Detektion von geladenen Teilchen 2, bei denen es sich im gezeigten Beispiel um Ionen handelt. Die geladenen Teilchen 2 gehen von einer Teilchen-Quelle 3 aus, die außerhalb des Teilchen-Detektors 1, z.B. in einer nicht bildlich dargestellten Kammer, angeordnet ist. Die geladenen Teilchen 2 treten über eine Blendenöffnung einer Extraktionseinrichtung 4 aus der Umgebung in den Teilchen-Detektor 1 ein. Eine Teilchen-Leiteinrichtung 5 in Form einer Ionen-Optik dient zur Leitung bzw. zur Führung der geladenen Teilchen 2 von der Extraktionseinrichtung 4 zu einer Messelektrode, die im gezeigten Beispiel als Faraday-Becher 6 ausgebildet ist. Die geladenen Teilchen 2 propagieren von der Teilchen-Quelle 3 entlang einer geradlinigen Trajektorie bis zum Faraday-Becher 6. Die an einer Eingangsblende des Faraday-Bechers 6 eintretenden geladenen Teilchen 2 können praktisch rückstreuungsfrei von dem Faraday-Becher 6 erfasst werden.
Sowohl die Extraktionseinrichtung 4 als auch die Teilchen-Leiteinrichtung 5 können zur Filterung der geladenen Teilchen 2 dienen, so dass nur geladene Teilchen 2 mit bestimmten (bekannten) Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen in den Faraday-Becher 6 eintreten können. Für die Filterung kann die Extraktionseinrichtung 4 beispielsweise ein Nielson-Gitter mit Metallgitter-Strukturen aufweisen. Die Teilchen-Leiteinrichtung 6 kann eine Filterung der geladenen Teilchen 2 beispielsweise durch eine Fourier-basierte Filterungsmethode ermöglichen. Für den Fall, dass der Weg zwischen der Extraktionseinrichtung 4 und der Messelektrode in Form des Faraday-Bechers 6 klein gegen die mittlere freie Weglänge der geladenen Teilchen 2 ist, kann auf das Vorsehen der Teilchen-Führungseinrichtung 5 ggf. verzichtet werden.
Der Teilchen-Detektor 1 weist zusätzlich eine Detektions-Einrichtung 7 zur Detektion der von der Messelektrode in Form des Faraday-Bechers 6 erfassten geladenen Teilchen 2 und eine Auswerte-Einrichtung 8 zur Bestimmung einer Anzahl der von der Detektions-Einrichtung 7 (Detektions-Elektronik) detektierten geladenen Teilchen 2 auf. Die Detektions-Einrichtung 7 ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel als analoge Schaltung aufgebaut und sollte möglichst nahe beim Faraday-Becher 6 angeordnet sein.
Die Auswerte-Einrichtung 8 dient zur digitalen Verarbeitung von analogen Signalen, die an den Ausgängen der Detektions-Einrichtung 7 bereitgestellt werden. Für die digitale Verarbeitung in der Auswerte-Einrichtung 8 (Auswerte-Elektronik) werden die analogen Signale mit Hilfe von nicht bildlich dargestellten A/D-Wandlern in digitale Signale umgewandelt. Die Auswerte-Einrichtung 8 kann mit Hilfe einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Digital-Schnittstelle mit anderen digitalen Geräten verbunden werden, beispielsweise mit einem Mess-Computer oder dergleichen.
Die Detektionseinrichtung 7 von 1 weist einen Ladungsverstärker 9 zur Umwandlung eines von den geladenen Teilchen 2 erzeugten Ladungssignals Q(t) in ein Spannungssignal U(t) auf. Eine dem Ladungsverstärker 9 nachgeschaltete Verstärker-Einrichtung 10 dient zur Bildung eines verstärkten Spannungssignals U(t) am Ausgang der Verstärker-Einrichtung 10 (in 1 mit U(t) bezeichnet).
2 zeigt den Strom lion(t) beim Auftreffen („Einschlag“) einer elementaren Ladung (eines geladenen Teilchens 2 mit elementarer Ladung) auf den Faraday-Becher 6. Das Ladungssignal Q(t) bildet die Fläche unter dem in 2 gezeigten Stromverlauf lion(t). In 2 ebenfalls dargestellt ist das verstärkte Spannungssignal U(t) am Ausgang der Verstärker-Anordnung 10, das aus dem Auftreffen des geladenen Teilchens 2 mit der elementaren Ladung resultiert.
3 zeigt eine zu 2 analoge Darstellung beim wiederholten Auftreffen von geladenen Teilchen 2 mit einer elementaren Ladung auf den Faraday-Becher 6. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel treffen die geladenen Teilchen 2 mit einer konstanten Periode von 16 Mikrosekunden auf den Faraday-Becher 6. Wie in 3 zu erkennen ist, nimmt das Spannungssignal U(t) nach dem Auftreffen eines jeweiligen geladenen Teilchens 2 ab, weil eine Entladung über die Elektronik der Detektions-Einrichtung 7 erfolgt.
Um das Spannungssignal U(t) zur Bestimmung der Anzahl (bzw. bei bekannter Ladung der Teilchen 2 äquivalent hierzu) der Gesamt-Ladung Q_N der detektierten geladenen Teilchen 2 auszuwerten, ist es günstig, wenn das Spannungssignal U(t) zur Minimierung des Rauschens nur in einem jeweiligen Zählfenster dT_i (i = 1, 2, ...) um einen Mess- bzw. Auffangzeitpunkt T_i eines jeweiligen geladenen Teilchens 2 (oder von mehreren geladenen Teilchen 2) an dem Faraday-Becher 6 ausgewertet wird. Der Auffangzeitpunkt T_i bildet typischerweise die Mitte des Zeitintervalls des jeweiligen Zählfensters dT_i, d.h. das Zählfenster dT_i erstreckt sich von T_i - dT_i / 2 bis T_i + dT_i / 2.
Die Festlegung des Zählfensters dT_i kann grundsätzlich in der Auswerte-Einrichtung 8 durch eine geeignete Auswertung des digitalisierten Spannungssignals U(t) erfolgen.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weist der Teilchen-Detektor 1 zur Festlegung eines jeweiligen Zählfensters dT_i eine Trigger-Einrichtung 11, genauer gesagt eine Trigger-Schaltung, auf. Die Trigger-Einrichtung 11 umfasst im gezeigten Beispiel einen Bandpass-Filter 12 zur Filterung der für die Triggerung relevanten Frequenzen des Spannungssignals U(t) sowie eine kombinierte Verstärker- und Trigger-Elektronik 13, die im gezeigten Beispiel einen Schwellwertschalter in Form eines Schmitt-Triggers aufweist. Das am Ausgang der Trigger-Einrichtung 11 anliegende (binäre) Trigger-Signal T(t) ist in 4 ebenfalls dargestellt. Die Umschaltung zwischen den beiden binären Zuständen des Trigger-Signals T(t) erfolgt jeweils beim Über- bzw. beim Unterschreiten eines Schwellwerts des Spannungssignals U(t). Das Trigger-Signal T(t) ermöglicht somit auch das Zählen der Auftreffzeitpunkte T_i von geladenen Teilchen 2 an dem Faraday-Becher 6.
Wie anhand von 4 ebenfalls zu erkennen ist, liegt das bei der Triggerung erzeugte Trigger-Signal bzw. das entsprechende Zählfenster dT_i jeweils zeitlich vor dem Messzeitpunkt T_i bzw. der Messzeitpunkt T_i bildet das Ende des Zählfensters dT_i. Für die Bestimmung der Anzahl Q_N der geladenen Teilchen 2 wird das Zählfenster dT_i daher von der Auswerte-Einrichtung um dT_i / 2 zeitlich nach hinten verschoben, so dass der Auffangzeitpunkt T_i in der Mitte des Zählfensters dT_i liegt.
Die in 4 dargestellten Zählfenster dT_i sind zur Verdeutlichung der Darstellung vergleichsweise lang gewählt, typischerweise ist die Zeitdauer eines jeweiligen Zählfensters dT_i deutlich kürzer als in 4 dargestellt.
Das Spannungssignal U(t) am Ausgang der Verstärker-Einrichtung 10 ist insbesondere bei schwachen Einschlägen (d.h. beim Einschlag einer geringen Menge von Teilchen 2) an dem Faraday-Becher 6 typischerweise stark verrauscht. Das Rauschen ist durch die Elektronik bedingt, beispielsweise durch den Ladungsverstärker 9, wie weiter unten näher beschrieben ist.
5 zeigt das (verrauschte) Spannungssignal U(t) während eines Zählfensters dT_i, ein ideales Spannungssignal U_id(t) sowie ein gefiltertes Spannungssignal Uf(t), das durch eine gleitende Mittelwertbildung des Spannungssignals U(t) erzeugt wurde, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. An Stelle einer gleitenden Mittelwertbildung können auch andere rauschvermindernde Algorithmen von der Auswerte-Einrichtung 8 durchgeführt werden. Beispielsweise kann die typische Form des Spannungssignals U(t) bei einem jeweiligen Teilchen-Einschlag als Faltungsterm ermittelt werden, um mit Hilfe von bekannten Algorithmen, z.B. Wavelet- oder Fourier-basierten Algorithmen, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis - beispielsweise um mindestens 10 dB oder 20 dB - zu verbessern.
Zur Bestimmung der Anzahl Q_i von auf den Faraday-Becher 6 in dem jeweiligen Zählfenster dT_i auftreffenden geladenen Teilchen 2 wird eine Spannungsdifferenz U_i des Spannungssignals U(t), genauer gesagt des gefilterten Spannungssignals Uf(t), vor dem Messzeitpunkt T_i und nach dem Messzeitpunkt T_i bestimmt, wie dies in 5 dargestellt ist. Die Spannungsdifferenz U_i wird hierbei ausgehend von einer Grundlinie (Baseline) in Form eines Spannungspegels bestimmt, den das gefilterte Spannungssignal Uf(t) zu Beginn des Zählfensters dT_i aufweist.
Zur Bestimmung der Spannungsdifferenz U_i wird das Spannungssignal U(t) bei dem in 5 gezeigten Beispiel nach dem Messzeitpunkt T_i an einem Abtastzeitpunkt t_s,i innerhalb des jeweiligen Zählfensters dT_i um den jeweils letzten Teilcheneinschlagszeitpunkt ausgewertet, für den gilt: 3 / f₀ < t_s,i < 4,5 / f₀, wobei f₀ eine Durchtritts-Resonanzfrequenz des Ladungsverstärkers 9 bezeichnet. Ein Abtastzeitpunkt t_s,i, der in dem oben angegebenen Zeitintervall liegt, hat sich für die Bestimmung der Anzahl Q_i der geladenen Teilchen 2 in dem jeweiligen Zeitfenster dT_i als günstig herausgestellt, wie nachfolgend anhand von 6 erläutert wird.
6 zeigt das Spannungssignal X_s(t) eines idealisierten (normierten) Spannungssprungs Uo, wobei für das zugehörige Spannungssignal X_S(t) gilt: $X_{s} (t) = 1 - e^{- α \cdot ω_{o} t} \cdot [c o s (\sqrt{1 - α^{2}} ω_{o} t) + \frac{α}{\sqrt{1 - α^{2}}} s i n (\sqrt{1 - α^{2}} ω_{o} t)]$
wobei α ein Maß für die Phasenreserve des Ladungsverstärkers 9 bildet (mit 0 < α < 1) und wobei ω₀ die Durchtritts-Kreisresonanzfrequenz des Ladungsverstärkers 9 bezeichnet (wo = 2 π f₀, wobei fo die Durchtritts-Resonanzfrequenz des Ladungsverstärkers 9 bezeichnet. Die Durchtritts-Resonanzfrequenz fo kann beispielsweise in der Größenordnung von MHz liegen, z.B. kann gelten: fo = 10 MHz. In 6 ist das ideale Spannungssignal X_s(t) beispielhaft für vier Werte des Phasenreservemaßes α = [0,900, 0,625, 0,425, 0,280] dargestellt. Der Abtastzeitpunkt t_s,i sollte zeitlich einerseits im eingeschwungenen Zustand des Ladungsverstärkers 9 liegen, andererseits zeitlich nicht zu lange nach dem Messzeitpunkt T_i liegen. Für den optimalen Abtastzeitpunkt t_s,i hat sich das bereits weiter oben angegebene Intervall als günstig erwiesen: 1 < t_s,i / T₀ < 1,5, mit T₀ ≈ 3 / f₀.
Um zu vermeiden, dass der eingeschwungene Zustand des Ladungsverstärkers 9 zu einem vergleichsweise späten Zeitpunkt erreicht wird, an dem ggf. bereits weitere Teilchen auf den Faraday-Becher 6 auftreffen, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Ladungsverstärker 9 eine Phasenreserve von mindestens 45°, bevorzugt von mindestens 60° aufweist, wie diese bei dem in 5 gezeigten Beispiel der Fall ist. Auch hat es sich als günstig erwiesen, wenn es sich bei dem Ladungsverstärker 9 um einen rauscharmen Ladungsverstärker 9 handelt, der in einem in vorgegebenen, interessierenden Frequenzintervall zwischen einer unteren Frequenz f₁ und einer oberen Frequenz f₂ ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von mindestens 10 dB aufweist.
Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist hierbei wie folgt definiert: $S N R = \frac{Δ u_{Q}}{u_{N}} = \frac{Δ u_{Q}}{\sqrt{\int_{f_{1}}^{f_{2}} e_{N}^{2} . d f}}$
wobei Δu_Q das Nutz-Spannungssignal (in V) und e_N ² den Rausch-Anteil (in V / Hz) bezeichnen, der durch die Elektronik des Ladungsverstärkers 9 verursacht wird. Die untere Frequenz f₁ des interessierenden Frequenzbereichs liegt typischerweise in der Größenordnung von kHz, z.B. von ca. 20-100 kHz, die obere Frequenz f₂ des interessierenden Frequenzbereichs liegt typischerweise in der Größenordnung von MHz, beispielsweise bei 15 MHz oder darüber.
7 zeigt ein typisches Rauschverhalten des rauscharmen Ladungsverstärkers 9, bzw. dessen frequenzabhängige Rauschdichte e_N innerhalb eines auf die Resonanzfrequenz fo des Ladungsverstärkers 9 normierten Frequenzbereichs zwischen f₁ / f₀ und f₂ / f₀, wobei f₀ die Durchtritts-Resonanzfrequenz des Ladungsverstärkers 9 bezeichnet.
Für die Bestimmung der Anzahl der auftreffenden Teilchen 2 bzw. der zu dieser Anzahl proportionalen Anzahl der (elementaren) Ladungen Q_N wird die Summe über die in den jeweiligen Zählfenstern dT_i aufgefangenen Ladungen Q_i gebildet, die proportional zu der jeweils auf die weiter oben beschriebene Weise berechneten Spannungsdifferenz U_i ist.
Mit einem Ladungs-zu-Spannungs-Konversionsfaktor CF des Ladungsverstärkers 9, der beispielsweise in der Größenordnung von ca. 100 nV/As liegen kann, ergibt sich für die Gesamtladung Q_N in N Zeitfenstern dT_i (1 = 1, ..., N): $Q_{N} = \sum_{i = 1}^{N} Q_{i} = \sum_{i = 1}^{N} \frac{U_{i}}{10^{N x} . C F}$
Der Faktor 10^Nx bildet hierbei den Verstärkungsfaktor der Verstärker-Einrichtung 10.
Da bei dicht aufeinander folgenden Einschlägen von geladenen Teilchen 2 das Spannungssignal U(t) am Ausgang der Verstärker-Einrichtung 10 zwar stetig, aber mit zunehmendem Anstieg des Signalpegels mit flacherer Steigung ansteigt, steigt auch der Grundpegel mit zunehmender Zeit bzw. mit zunehmender Anzahl an Einschlägen zunächst immer langsamer - im schlimmsten Fall nahezu logarithmisch - an. Das Spannungssignal U(t) am Ausgang der Verstärker-Einrichtung 10 kehrt längerfristig jedoch stets zum Ausgangs-Potential zurück. Daher ist es günstig, wenn der Verstärkungsfaktor 10^Nx der Verstärkungs-Einrichtung 10 einstellbar ist.
Bei der in 1 gezeigten Verstärker-Einrichtung 10 ist die Einstellung des Verstärkungsfaktors 10^Nx stufenweise über fünf Dekaden (Nx = 1, ... 5) möglich, d.h. es kann eine Verstärkung von 10¹ bis 10⁵ mit der Verstärker-Anordnung 10 erzeugt werden. Zu diesem Zweck weist die Verstärker-Einrichtung 10 beispielsweise fünf in Reihe geschaltete Verstärker-Stufen auf, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Jede Verstärker-Stufe weist einen Verstärkungsfaktor von 10¹ auf und kann von der Auswerte-Einrichtung 8 individuell ein- oder ausgeschaltet werden. Es versteht sich, dass die Verstärker-Einrichtung 10 mehr oder weniger Verstärker-Stufen aufweisen kann und dass der Verstärkungsfaktor einer jeweiligen Verstärker-Stufe nicht zwingend bei einer Dekade (10¹) liegen muss.
In Abhängigkeit von der Signalhöhe (Pegel) des Spannungssignals U(t) legt die Auswerte-Einrichtung 8 einen optimalen Verstärkungsfaktor 10^Nx,opt der Verstärker-Einrichtung 10 fest, bei welcher das Spannungssignal U(t) am Ausgang der Verstärker-Einrichtung 10 nicht übersteuert wird. Zu diesem Zweck ist es günstig, wenn die Auswerte-Einrichtung 8 einen jeweiligen Ausgang jeder der fünf Verstärker-Stufen der Verstärker-Einrichtung 10 auslesen kann. Dies ist auch günstig, damit die Auswerte-Einrichtung 8 beim Start einer jeweiligen Messung einen automatischen Offset-Abgleich der Verstärker-Stufen der Verstärker-Einrichtung 10 vornehmen kann. Die Verstärker-Einrichtung 10 setzt notfalls einzelne Verstärker-Stufen aus der Übersteuerung in die Messbereitschaft zurück.
8 zeigt, dass sowohl für den Fall, dass es sich bei der Anzahl der geladenen Teilchen 2 um Elementarladungen handelt, als auch für den Fall, dass es sich um ca. 10⁵ Elementarladungen handelt, der optimale, nicht übersteuernde Verstärkungsfaktor bei 10⁴ liegt (d.h. N_x,opt = 4). 9 zeigt, dass die jeweiligen Spannungssignale U(t) am Ausgang der Verstärker-Einrichtung 10 nach einem anfänglichen Anstieg mit zunehmender Anzahl an Einschlägen wieder abnehmen. Mit der Verstärker-Einrichtung 10 mit fünf Verstärker-Stufen kann somit annähernd ein Dynamik-Bereich des Teilchen-Detektors 1 von fünf Dekaden erreicht werden. Durch die Verstärker-Einrichtung 10 wird daher praktisch die Funktion eines Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) übernommen.
Zusammenfassend kann auf die weiter oben beschriebene Weise ein Teilchen-Detektor 1 realisiert werden, der einerseits aufgrund der Verwendung des Faraday-Bechers 6 bzw. einer Messelektrode robust ist und eine hohe Stabilität aufweist und der andererseits einen hohen Dynamik-Bereich von bis zu 5-6 Dekaden abdeckt. Alternativ zur Verwendung eines Faraday-Bechers 6 kann auch eine andere Messelektrode verwendet werden, um die geladenen Teilchen 2 zu erfassen. Beispielsweise kann die Erfassung der geladenen Teilchen 2 nicht destruktiv erfolgen, indem mittels der Messelektrode 6 Influenzladungen gemessen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Microchannel plate detectors”, J.L. Wiza, Nuclear Instruments and Methods, Vol. 162, Issues 1-3, 1-15, 1979 [0004]
M. Pfeifer et al., Journal of Instrumentation, Vol. 9, March 2014 [0004]

Claims

Teilchen-Detektor (1), umfassend: eine Messelektrode (6) zum Erfassen von geladenen Teilchen (2), eine Detektions-Einrichtung (7) zur Detektion der von der Messelektrode (6) erfassten geladenen Teilchen (2), sowie eine Auswerte-Einrichtung (8) zur Bestimmung einer Anzahl (Q_N) der von der Detektions-Einrichtung (7) detektierten geladenen Teilchen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Detektions-Einrichtung (7) einen Ladungsverstärker (6) zur Umwandlung eines von den geladenen Teilchen (2) erzeugten Ladungssignals (Q(t)) in ein Spannungssignal (U(t)) und eine Verstärker-Einrichtung (10) zur Verstärkung des Spannungssignals (U(t)) aufweist.
Teilchen-Detektor nach Anspruch 1, bei der die Auswerte-Einrichtung (8) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Anzahl (Q_N) der detektierten geladenen Teilchen (2) das Spannungssignal (U(t)) in einem jeweiligen Zählfenster (dT_i) um einen Messzeitpunkt (T_i) von geladenen Teilchen (2) an der Messelektrode (6) auszuwerten.
Teilchen-Detektor nach Anspruch 2, bei dem die Detektions-Einrichtung (7) zur Festlegung des jeweiligen Zählfensters (dT_i) eine Trigger-Einrichtung (11) aufweist.
Teilchen-Detektor nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Auswerte-Einrichtung (8) ausgebildet ist, das Spannungssignal (U(t)) in dem jeweiligen Zählfenster (dT_i) zur Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses zu filtern.
Teilchen-Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Auswerte-Einrichtung (8) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Anzahl (Q_N) der detektierten geladenen Teilchen (2) in einem jeweiligen Zählfenster (dT_i) eine Spannungsdifferenz (U_i) des Spannungssignals (U(t)) vor dem Messzeitpunkt (T_i) und nach dem Messzeitpunkt (T_i) zu bestimmen.
Teilchen-Detektor nach Anspruch 5, bei dem die Auswerte-Einrichtung (8) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Spannungsdifferenz (U_i) das Spannungssignal (U(t)) nach dem Messzeitpunkt (T_i) an einem Abtastzeitpunkt (t_s,i) innerhalb des jeweiligen Zählintervalls (dT_i) auszuwerten, für den gilt: 3 / fo < t_s,i < 4,5 / fo, wobei fo eine Resonanzfrequenz des Ladungsverstärkers (6) bezeichnet.
Teilchen-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ladungsverstärker (6) ein rauscharmer Ladungsverstärker ist, der in einem vorgegebenen Frequenzintervall ([f₁, f₂]) ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis größer als 10 dB aufweist.
Teilchen-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ladungsverstärker (6) eine Phasenreserve (α) von mindestens 45°, bevorzugt von mindestens 60° aufweist.
Teilchen-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verstärker-Einrichtung (10) einen mittels der Auswerte-Einrichtung (8) in Abhängigkeit vom Spannungssignal (U(t)) einstellbaren Verstärkungsfaktor (10^Nx) aufweist.
Teilchen-Detektor nach Anspruch 9, bei dem der Verstärkungsfaktor (10^Nx) über mindestens vier Dekaden, bevorzugt über mindestens fünf Dekaden einstellbar ist.
Teilchen-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Messelektrode als Faraday-Becher (6) ausgebildet ist.
Teilchen-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Extraktionseinrichtung (4) zur Extraktion der geladenen Teilchen (2).
Teilchen-Detektor nach Anspruch 12, weiter umfassend: eine Teilchen-Leiteinrichtung (5) zur Leitung der geladenen Teilchen (2) von der Extraktionseinrichtung (4) zur Messelektrode (6).
Teilchen-Detektor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem die Extraktionseinrichtung (4) und/oder die Teilchen-Leiteinrichtung (5) zur Filterung der geladenen Teilchen (2) ausgebildet sind.