DE102022105233B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung kurzer Pulse geladener Teilchen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung kurz gepulster Teilchenstrahlen, aufweisend eine Teilchenquelle (2) für einen Teilchenstrahl (13) geladener Teilchen und eine Ablenkungsvorrichtung (4) für den Teilchenstrahl (13), die zwei symmetrisch zur Strahlachse des Teilchenstrahles (13) angeordnete transversale Ablenkelektroden (4a, 4b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelektroden (4a, 4b) so beschaltet sind, dass sie während der Passage eines geladenen Teilchens durch die Ablenkungsvorrichtung (4) anfangs beide auf konstanten bezüglich eines Potenzials mit dem Wert 0 V symmetrisch entgegengesetzten Potenzialen gehalten werden, sich anschließend ihr Potenzial unter Beibehaltung der Potenzialsymmetrie bezüglich des Potenzials mit dem Wert 0 V linear in entgegengesetzter Richtung so lange ändert, bis die Ablenkelektroden (4a, 4b) eine vollständige Umpolung vollzogen haben und sie, bevor das geladene Teilchen die Ablenkungsvorrichtung verlässt, wieder auf den konstanten bezüglich des Potenzials mit dem Wert 0 V symmetrischen Potenzialen mit nunmehr umgekehrter Polarität gehalten werden, wobei sich in Strahlrichtung hinter der Ablenkungsvorrichtung (4) eine Flugröhre (3) und danach eine Separationsblende (12) befindet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung kurzer Pulse geladener Teilchen.
• Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt auf dem Gebiet der zeitlich getriggerten Bereitstellung von geladenen Teilchen, im Speziellen Ionen, aber nicht darauf einschränkend, unter anderem für die Massenspektrometrie sowie Anwendungen für die Material- und Restgasanalyse in Vakuumsystemen und die Prozessgas- und Kontaminierungsüberwachung, aber auch zur Einspeisung in zeitlich kritische, getriggerte Beschleunigersysteme.
• Viele Anwendungen in der Materialanalyse und Massenspektrometrie benutzen zeitabhängige Signale, wie zum Beispiel lonenströme, die in zeitlicher Korrelation mit einem Triggersignal stehen. Erzeugen geladene Teilchen das Triggersignal oder sind Teil des Analysesignals, so muss dieses möglichst scharf und zeitlich kurz sein, beispielsweise ein gepulster Ionenstrahl. Dabei wird zum Beispiel eine Probe ionisiert und es werden kurze lonenpulse mit einer genau definierten kinetischen Energie erzeugt. Diese lonenpulse breiten sich entsprechend ihrer massenabhängigen Geschwindigkeit über eine bekannte Strecke aus. Man bezeichnet Geräte auf der Basis dieses Prinzips auch als Flugzeitmassenspektrometer, engl. Time Of Flight Mass Spectrometry (TOFMS). Dabei werden kurze lonenpulse in der Regel mit einer gepulsten Ionenquelle erzeugt, die bis zu 4 ns oder 5 ns lang sind. Für quasi-kontinuierliche Ionenstrahlen kann ein transversales Ausblendeelement verwendet werden, das aus einem Elektrodenpaar besteht, das ein transversales elektrisches Feld erzeugt. Der orthogonal verlaufende Ionenstrahl wird in Kombination mit einer stromabwärts gelegenen Blende abgelenkt beziehungsweise ausgeblendet. Die Ionen werden nur für eine kurze und genau definierte Zeitspanne durch die nachgeschaltete Blende übertragen, während das Ausblendeelement, auch Blanker genannt, ausgeschaltet ist. Die kürzestmögliche Pulslänge entspricht der Flugzeit durch den Blanker, so dass das System im Allgemeinen ungeeignet ist, um kurze Pulse langsamer Ionen zu erzeugen, da diese wesentlich länger brauchen, um den Blanker zu passieren.
• Außerdem ist es üblich, den Strahl elektrostatisch über eine Blende zu lenken, um sehr kurze Pulse zu erzeugen. Dazu muss die Teilchengeschwindigkeit höher sein als die Ablenkgeschwindigkeit, weshalb dies häufig mit Ionen im MeV-Energiebereich geschieht.
• Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Erzeugung gepulster Teilchenstrahlen bekannt. Beispielsweise ist aus der DE 112008003939 B4 ein mehrfach reflektierendes Flugzeitmassenspektrometer bekannt, welches zwei quasi-planare elektrostatische lonenspiegel aufweist, die jeweils aus parallelen Elektroden gebildet sind, wobei die Ionenspiegel durch einen feldfreien Bereich getrennt sind. Weiterhin sind eine gepulste Ionenquelle und ein Empfänger vorgesehen, wobei die Ionenspiegel derart eingerichtet sind, dass ein elektrostatisches Feld bereitgestellt wird, das eine Flugzeitfokussierung der Ionenpakete auf dem Empfänger und eine räumliche Fokussierung der Ionenpakete in einer Y-Richtung, die orthogonal zu sowohl der Driftrichtung als auch der X-Richtung ist, bewirkt.
• Die DE 3718244 A1 betrifft eine gepulste Ionenquelle, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ionen, bevor sie aus der Quelle extrahiert werden, in einer Potentialmulde gespeichert sind, die von mindestens drei Elektroden geformt wird, wovon mindestens eine der mittleren Elektroden ein für die in Frage kommenden Ionen attraktiveres Potential besitzt als alle anderen Elektroden.
• Aus der US 3164718 A ist eine Vorrichtung zur Erzeugung periodischer Ionenstöße von kurzer Dauer und zur gleichzeitigen Eliminierung unerwünschter Massen aus dem Ionenstrahl bekannt. Ein ähnliches Vorgehen ist aus der US 2956169 A bekannt. In beiden Fällen wird nacheinander angeordneten Ablenkungsvorrichtungen gearbeitet, was einen erhöhten Schaltungsaufwand bedeutet.
• Es ist bekannt, mit zweidimensionalen Ablenksystemen zu arbeiten und den Teilchenstrahl nach einer Pulsung einer gesonderten Rückführung zu eine Ausgangsposition zurückzuführen ( US 3096437 A ). Hierbei wird mit asymmetrisch flankenmodifizierten zeitlich aufeinander abgestimmten Pulsen an den unterschiedlichen Ablenkelektrodenpaaren gearbeitet, was ebenfalls mit einem erhöhten Schaltungsaufwand verbunden ist.
• Es sind Ansätze zur Verringerung des Schaltungsaufwandes bekannt, bei denen eine Elektrode auf konstantem Potenzial gehalten wird, während die andere mit einem entsprechenden Spannungspuls beaufschlagt wird. Zur Erreichung einer für symmetrische Systeme typischen Pulsqualität wird allerdings der Einsatz von Zusatzelektroden erforderlich ( DE 3227426 A1 ).
• Es gibt den Ansatz die Pulsfolge dadurch zu erhöhen, dass Ablenkelektrodenpaare für unterschiedliche Ablenkrichtungen nacheinander angeordnet kombiniert werden, was ebenfalls mit einem erhöhten Schaltungsaufwand verbunden ist ( US 4626690 A ).
• Aus der DE 102016223664 A1 ist weiterhin bekannt, über ein zweidimensionales Ablenksystem einen geladenen Teilchenstrahl einer steuerbaren Ablenkung in Form von Lissajous-Figuren zu unterziehen, von denen ein kleiner Teil über der Öffnung einer Blendenöffnung liegt.
• Schließlich ist bekannt, Teilchenstrahlen, die nach einer Separation mit einer zu hohen Divergenz behaftet sind, einer Nachfokussierung durch entsprechende Linsenelemente zu unterziehen ( DE 102012202993 A1 ). Eine andere im Stand der Technik bekannte Lösung betrifft die Verwendung eines Quadrupolsystems. Die Anforderungen an Präzision und Genauigkeit steigen jedoch mit der Teilchenmasse enorm an. Diese Anforderungen gelten sowohl für alle Teile des Quadrupols, insbesondere die Elektroden, als auch für die Position und Richtung der eintretenden Teilchen, die analysiert werden sollen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung kurz gepulster Ionenstrahlen zu schaffen, welche ebenso für langsame Ionen als auch für schnelle Ionen einsetzbar ist, massenunspezifisch arbeitet, kompakt gebaut sowie kostengünstig herstellbar ist. Mit der beschriebenen Methode der Erzeugung kurzer Pulse geladener Teilchen gelingt es unter anderem, zeitlich scharfe Ionenpulse geringer kinetischer Energie zu erzeugen und diese in Flugzeitspektrometern hinsichtlich der Teilchenmasse zu analysieren.
• Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Die Aufgabe wird insbesondere durch eine Vorrichtung zur Erzeugung kurz gepulster Teilchenstrahlen gelöst.
• Unter einem Teilchenstrahl wird im Sinne der Erfindung ein Strahl aus geladenen Teilchen verstanden, beispielsweise ein Ionenstrahl.
• Die Vorrichtung weist eine Quelle für geladene Teilchen und eine Ablenkungsvorrichtung für geladene Teilchen auf.
• Die Ablenkungsvorrichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei symmetrisch zur Strahlrichtung angeordnete transversale Ablenkelektroden aufweist, wobei die Ablenkelektroden so beschaltet sind, dass sie während der Passage eines geladenen Teilchens durch die Ablenkungsvorrichtung anfangs beide auf konstanten bezüglich eines Potenzials mit dem Wert 0 V symmetrisch entgegengesetzten Potenzialen gehalten werden, sich anschließend ihr Potenzial unter Beibehaltung der Potenzialsymmetrie bezüglich des Potenzials mit dem Wert 0 V linear in entgegengesetzter Richtung so lange ändert, bis die Ablenkelektroden eine vollständige Umpolung vollzogen haben und sie, bevor das geladene Teilchen die Ablenkungsvorrichtung verlässt, wieder auf den konstanten bezüglich des Potenzials mit dem Wert 0 V symmetrischen Potenzialen mit nunmehr umgekehrter Polarität gehalten werden. Symmetrisch zur Strahlrichtung bedeutet im Sinne der Erfindung symmetrisch zur Flugachse, da ein geschlitzter Zylinder oder parallele Platten als Ablenkelektroden eingesetzt werden. In Strahlrichtung hinter der Ablenkungsvorrichtung befindet sich eine Flugröhre mit einer definierten Flugstrecke für die geladenen Teilchen und danach eine Separationsblende.
• Die Ablenkelektroden sind vorteilhaft als gegenüberliegende halbzylindrische Elektroden ausgebildet.
• Die Teilchenquelle ist zum Beispiel als eine Elektronen emittierende Kathode und eine Ionenquelle ausgebildet.
• Alternativ sind andere Ionenquellenkonzepte vorteilhaft anwendbar, wie zum Beispiel eine Feldionisationsquelle, die keine emittierende Kathode besitzt.
• Weiterhin ist vorteilhaft nach der Ablenkungsvorrichtung ein Detektor für die Teilchen angeordnet.
• Die Vorrichtung wird weiterhin dadurch vorteilhaft ausgebildet, dass eine Kollimatorblende in Strahlrichtung vor der Ablenkungsvorrichtung angeordnet ist.
• Der Abstand der Separationsblende nach der Ablenkungsvorrichtung ist durch die Länge der Flugröhre bestimmt.
• Die Kathode wird vorteilhaft durch eine Bildungselektrode beziehungsweise eine Strahlformierungselektrode ergänzt, wonach eine Driftröhrenanordnung und ein Elektronenkollektor vor einer Extraktionselektrode angeordnet sind.
• Die Driftröhrenanordnung weist bevorzugt drei hintereinander angeordnete Driftröhren auf.
• Der Abschluss der Vorrichtung wird von einem Basisflansch gebildet.
• Das Verfahren zur Erzeugung kurz gepulster Teilchenstrahlung besteht im Wesentlichen aus den Verfahrensschritten der Erzeugung eines Teilchenstrahls, der in der Ablenkungsvorrichtung gepulst wird.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zunächst ein Elektronenstrahl erzeugt, welcher nachfolgend einen Ionenstrahl als Teilchenstrahl erzeugt.
• Der Teilchenstrahl wird nach dem Durchgang durch die Kollimatorblende der vorangehend beschriebenen Vorrichtung in der Ablenkungsvorrichtung für die geladenen Teilchen eingebracht. Dabei sind zunächst die Ablenkelektroden mit entgegengesetzter Spannung beschalten, so dass keine geladenen Teilchen die Ablenkungsvorrichtung passieren können. Durch das Anlegen von sich zeitlich schnell ändernden entgegenläufigen Spannungen von bevorzugt +10 V nach -10 V bzw. -10 V nach +10 V an den Ablenkelektroden kann eine Pulsung des Strahles geladener Teilchen erreicht werden.
• Insbesondere wird der Teilchenstrahl ab dem Eintritt in die Ablenkungsvorrichtung in einer ersten Phase unter der Wirkung der konstanten Potenzialdifferenz aus den beiden konstanten symmetrisch entgegengesetzten Potenzialen transversal von der ursprünglichen Strahlachse weg beschleunigt. Daran anschließend erfährt der Teilchenstrahl in einer zweiten Phase unter der Wirkung der sich linear ändernden Potenziale und der sich dabei ergebenden vollständigen Umpolung der Ablenkelektroden eine lineare Änderung der transversalen Beschleunigung. Bevorzugt weisen die Ablenkelektroden in der zweiten Phase in Richtung des Teilchenstrahles in der Mitte einen Kreuzungspunkt der entgegengesetzten Potenziale auf.
• Daran anschließend wird der Teilchenstrahl in einer dritten Phase unter der Wirkung der konstanten Potenzialdifferenz, die dem Betrag nach der konstanten Potenzialdifferenz der ersten Phase entspricht, jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen aufweist, zur ursprünglichen Strahlachse hin beschleunigt. Danach verlässt der Teilchenstrahl die Ablenkungsvorrichtung, tritt in die Flugröhre ein und passiert diese in Richtung Separationsblende. Nur Teilchen, welche die Ablenkungsvorrichtung in Bezug auf die ursprüngliche Strahlachse mit einer Transversalgeschwindigkeit von Null verlassen haben und nur noch einen Impuls in Längsrichtung aufweisen, werden von der Separationsblende durchgelassen und stehen anschließend als kurz gepulster Teilchenstrahl zur Verfügung.
• Je nach Ausgestaltung der Erfindung werden kleinere Spannungswerte, das heißt mit einem Betrag kleiner 10 V, oder auch größere Spannungswerte, das heißt mit einem Betrag größer 10 V eingesetzt.
• Nur diejenigen Teilchen des Teilchenstrahls werden aus dem Strahl selektiert, welche sich zum Zeitpunkt des Durchlaufs des Nulldurchgangs der Ablenkspannungen genau in der Längsmitte der Ablenkungsvorrichtung befinden. Denn nur für jene Teilchen ist es möglich, die bis zu diesem Punkt erfahrene Auslenkung und damit verbundene Richtungsänderung im Vergleich zur ursprünglichen Strahlrichtung nach erfolgter Umpolung der Ablenkelektrodenspannung wieder zu kompensieren und die selektierten Teilchen wieder zurück auf die ursprüngliche Strahlrichtung des Teilchenstrahls zu bringen.
• Im sich auf die Ablenkungsvorrichtung bevorzugt anschließenden Detektor können die so für kurze Zeit aus dem ursprünglich kontinuierlich Strahl herausgeschnittenen Teilchenpulse vermessen beziehungsweise bei Beschleunigeranwendungen ihrer Nutzung zugeführt werden.
• Das Konzept der Erfindung besteht nicht nur darin, durch das kurze Abschalten von Spannungen von zum Beispiel 10 V auf 0 V beziehungsweise -10 V auf 0 V an den Ablenkelektroden für den Moment des Abschaltens bei 0 V an beiden Elektroden einen kurzen Puls von geladenen Teilchen einzublenden, wie es nach dem Stand der Technik erfolgt.
• Die Länge des Pulses ist durch die Dauer des Abschaltens begrenzt. Diese muss zudem größer sein als die Flugzeit der Teilchen durch die Ablenkungsvorrichtung, welche wiederum von der Masse der Teilchen abhängt.
• Stattdessen wird nach der Erfindung durch das gegenläufige, symmetrische Durchfahren der Ablenkspannungen von beispielsweise 10 V auf -10 V und -10 V auf 10 V erreicht, dass genau jene Strahlscheibe aus dem Teilchenstrahl geschnitten wird, welche sich im kurzen Zeitfenster des Nulldurchgangs der Spannungen bei t₀, dem Kreuzungspunkt, genau in der geometrischen Mitte der Ablenkungsvorrichtung befinden.
• Die Länge des Teilchenpulses ist somit unabhängig von der Teilchenmasse, der Länge der Ablenkeinrichtung und damit der Durchlaufzeit der Teilchen durch die Ablenkungsvorrichtung.
• Nur wenn sich die Teilchen beim Nulldurchgang der Spannungen der Ablenkelektroden in der geometrischen Mitte der Ablenkungsvorrichtung befinden, verlassen sie diese wieder ohne Transversalgeschwindigkeit. Die Länge des Teilchenpulses kann über die Steilheit der Spannungsrampe von 10 V nach -10 V bzw. -10 V nach 10 V eingestellt werden.
• Teilchen, bei denen der Nulldurchgang der Spannungen der Ablenkelektroden vor oder nach der geometrischen Mitte der Ablenkungsvorrichtung stattfindet, verlassen die Ablenkungsvorrichtung mit einer transversalen Geschwindigkeitskomponente und stehen einer weiteren Verwertung nach der Separationsblende nicht mehr zur Verfügung.
• In Verbindung mit einer Kollimatorblende vor der Ablenkungsvorrichtung und einer Separationsblende in einem festen Abstand X hinter der Ablenkungsvorrichtung sind nur bestimmte Teilchenbahnen möglich, die durch beide Blenden, die Kollimatorblende und die Separationsblende, hindurchgehen.
• Besonders vorteilhaft ist die Anwendbarkeit dieses Funktionsprinzips in Kombination mit langsamen geladenen Teilchen, da die Pulslänge hier durch die Länge der Verweilzeit in der Ablenkungsvorrichtung nach unten limitiert ist. Damit lassen sich verschiedene Ionenspezies mit praxistauglicher Massenauflösung bei kompakten Dimensionen in Pulse separieren.
• Die Verwendung dieser Vorrichtung mit langsamen Ionen für die Time-Of-Flight-Analyse ermöglicht sehr kompakte Abmessungen im Vergleich zu den klassischen TOF-basierten Geräten, welche aufgrund der kurzen Pulse nur mit wesentlich höheren kinetischen Ionenenergien und damit verbundenen längeren Flugstrecken bei vergleichbarer zeitlicher Auflösung und damit verbundener Massenauflösung der verschiedenen Ionenspezies betrieben werden können.
• Somit gestattet die Erfindung, kurze Ionenpulse masse- und geschwindigkeitsunabhängig zu erzeugen.
• Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für langsame Ionen einsetzbar. Langsame Ionen ermöglichen kürzere Flugzeitstrecken, diese erfordern jedoch eine schärfere, kürzere Pulsung.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: Vorrichtung zur Erzeugung kurz gepulster Ionenstrahlen in perspektivischer Ansicht,
• 2: Vorrichtung zur Erzeugung kurz gepulster Ionenstrahlen im Längsschnitt,
• 3a: Prinzipdarstellung der Ablenkungsvorrichtung mit Platten als Elektroden,
• 3b: Detaildarstellung der Ablenkungsvorrichtung mit halbzylinderförmigen Elektroden,
• 4a: Diagramm zur Wirkung der Ablenkungsvorrichtung, wenn sich die Teilchen beim Nulldurchgang der Spannungen der Ablenkelektroden in der geometrischen Mitte der Ablenkungsvorrichtung befinden,
• 4b: Diagramm zur Wirkung der Ablenkungsvorrichtung, wenn sich die Teilchen beim Nulldurchgang der Spannungen der Ablenkelektroden vor der geometrischen Mitte der Ablenkungsvorrichtung befinden und
• 4c: Diagramm zur Wirkung der Ablenkungsvorrichtung, wenn sich die Teilchen beim Nulldurchgang der Spannungen der Ablenkelektroden hinter der geometrischen Mitte der Ablenkungsvorrichtung befinden.
• In 1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung kurz gepulster Ionenstrahlen als spezielle Ausführung mit einer Ionenquelle, deren extrahierter und formierter Teilchenstrahl zur Erzeugung von Strahlpulsen verwendet wird, in perspektivischer Ansicht dargestellt.
• Gezeigt ist die spezielle Ausführung einer Ionenquelle, bei der durch Elektronenstoßionisation eines Elektronenstrahls mit dem zu untersuchenden Medium Ionen erzeugt werden.
• Die Vorrichtung besteht aus den in dieser Ausführung wesentlichen Komponenten der Kathode 1, einer Teilchenquelle 2 als Ionenquelle, der Ablenkungsvorrichtung 4, der Flugröhre 3, welche durch ihre Länge die Flugstrecke der Ionen bestimmt, sowie dem Detektor 5 und dem Abschluss der Vorrichtung in dieser speziellen Ausführung mit dem Basisflansch 6. Die einzelnen Komponenten sind entsprechend ihrer Anordnung innerhalb der Vorrichtung von der Kathode 1 beginnend bis zum Basisflansch 6 erwähnt.
• Die Vorrichtung zur Erzeugung kurz gepulster Ionenstrahlen aus 1 ist in 2 im Längsschnitt gezeigt. Von links nach rechts sind in der Reihenfolge der Anordnung die Kathode 1 und die Formierungselektrode 7, die Driftröhren 8, der Elektronenkollektor 9, die Extraktionselektrode 10, die Kollimatorblende 11, die Ablenkungsvorrichtung 4, die Flugröhre 3, die Separationsblende 12 und der Detektor 5 mit Basisflansch 6 angeordnet.
• Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird nachfolgend erläutert.
• Ein aus der Kathode 1 emittierter Elektronenstrahl wird durch eine nachfolgende Formierungselektrode 7 in die dahinter angeordneten, auf positivem Potenzial liegenden Driftröhren 8 geleitet, wo dieser Elektronenstrahl Ionen durch Elektronenstoßionisation von in diesem Bereich vorhandenen Neutralgas erzeugt. Die Driftstrecke beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel zirka 7 cm bis 8 cm.
• Der Elektronenstrahl wird danach auf seinem Weg durch die Anordnung 8 in den sich anschließenden, auf Erdpotenzial liegenden, Elektronenkollektor 9 eingeleitet.
• Die in den Driftröhren 8 gebildeten Ionen verlassen diese als formierter Ionenstrahl in Richtung Elektronenkollektor 9, passieren diesen und werden in der nachfolgenden, auf negativem Potenzial liegenden, Extraktionselektrode 10 auf die Kollimatorblende 11 fokussiert.
• Nach dem Durchqueren der Kollimatorblende 11 erreichen die Ionen die Ablenkungsvorrichtung 4, bestehend aus gegenüberliegenden Ablenkelektroden, die durch Anlegen von sich zeitlich periodisch ändernden entgegengesetzten Spannungen den Ionenstrahl pulsen.
• Der gepulste Ionenstrahl verlässt die Ablenkungsvorrichtung 4 und nach der Flugröhre 3 werden die Ionen nach Durchgang durch die Separationsblende 12 im Detektor 5 detektiert. Den Abschluss der Vorrichtung bildet der Basisflansch 6.
• In 3a und 3b sind Ablenkelektroden 4a und 4b der Ablenkungsvorrichtung 4 gemäß 1 dargestellt.
• 3a zeigt eine Prinzipdarstellung der Ablenkelektroden 4a und 4b in der Ausgestaltung als Platten. Zwischen den parallel beabstandeten Platten verläuft mittig der Teilchenstrahl 13, der beim Durchlaufen des Spalts zwischen den Ablenkelektroden 4a und 4b gepulst wird.
• 3b zeigt eine Detaildarstellung der Ablenkungsvorrichtung mit halbzylinderförmigen Elektroden als Ablenkelektroden 4a und 4b. Ein zylindrischer Ring ist in Achsrichtung geschlitzt und die halbzylindrischen Hälften sind zueinander parallel beabstandet. Die Strahlachse des Teilchenstrahles 13 ist als Pfeil dargestellt.
• Die 4a, 4b und 4c zeigen jeweils ein Diagramm zur Wirkung der Ablenkungsvorrichtung 4 gemäß 1, wenn sich die Teilchen beim Nulldurchgang der Spannungen der Ablenkelektroden an verschiedenen Positionen der Ablenkungsvorrichtung befinden. Die Abszisse beschreibt Zeit und Weg. Im oberen Bereich der Diagramme sind die entgegengesetzten Potenziale U der Ablenkelektroden 4a, 4b dargestellt, welche sich nach der Umpolung im Kreuzungspunkt 14 beim Nulldurchgang t₀ kreuzen. Der Nulldurchgang t₀ bezeichnet dabei den Zeitpunkt, an dem sich die entgegengesetzten Potenziale U der Ablenkelektrode 4a und 4b beim Wert 0 überschneiden. Die dünn gestrichelte Linie in den Diagrammen bezeichnet die transversale Beschleunigung a, basierend auf dem transversalen elektrischen Feldgradienten. Die durchgezogene Linie bezeichnet die transversale Geschwindigkeit v der Ionen und die dick punktierte Linie bezeichnet den Weg der Teilchen.
• In 4a ist ein Diagramm gezeigt, wo sich die Teilchen beim Nulldurchgang der Spannungen in der geometrischen Mitte der Ablenkelektroden 4a, 4b befinden. Der Nulldurchgang wird auch als Kreuzungspunkt 14 bezeichnet.
• Gemäß der Konzeption der Erfindung wird die Tatsache genutzt, dass Ionen eine bestimmte Zeit benötigen, um die Ablenkungsvorrichtung zu passieren. Ein Ion hat eine transversale Auslenkung s gemäß der größer punktierten Linie und tritt durch eine erste Öffnung über die nicht dargestellte Kollimatorblende 11 gemäß 2 in die Ablenkungsvorrichtung 4, bestehend aus den Ablenkelektroden 4a und 4b, ein und wird im Abschnitt I des Diagramms zur negativ beschalteten Ablenkelektrode 4a abgelenkt, bis es sich nahe der Längsmitte der Ablenkungsvorrichtung befindet. Ab dem Eintritt in Abschnitt II ändert die Ablenkungsvorrichtung linear die angelegten Spannungen U und deren Polarität. Nach Erreichen der vollständigen Umpolung wird die transversale Ionengeschwindigkeit v weiter linear verringert, was in Abschnitt III dargestellt ist. Beim Verlassen der Ablenkungsvorrichtung ist die Transversalgeschwindigkeit v wieder Null und hat nur noch einen Impuls in Längsrichtung, dargestellt in Abschnitt IV, wie es beim Eintritt in die Ablenkungsvorrichtung der Fall war.
• Die verbleibende transversale Positionsverschiebung ist minimal und hat keinen Einfluss auf die Analyse, da die nachfolgende Separationsblende 12 groß gegenüber der Verschiebung ist.
• In 4b ist ein Diagramm gezeigt, wo sich die Teilchen beim Nulldurchgang der Spannungen vor der geometrischen Mitte der Ablenkelektroden 4a, 4b befinden. Der Kreuzungspunkt 14 ist deutlich zum Eintritt des Teilchenstrahls in den Spalt zwischen den Ablenkelektroden 4a und 4b hin verschoben. Entsprechend erfolgt die Umpolung für dieses Teilchen in Phase II zu früh und das Teilchen wird abgelenkt und liegt nicht innerhalb der Akzeptanz der Separationsblende 12.
• In 4c ist ein Diagramm gezeigt, wo sich die Teilchen beim Nulldurchgang der Spannungen nach der geometrischen Mitte der Ablenkelektroden 4a, 4b befinden. Der Kreuzungspunkt 14 ist deutlich zum Austritt des Teilchenstrahls aus dem Spalt zwischen den Ablenkelektroden 4a und 4b hin verschoben. Entsprechend erfolgt die Umpolung für dieses Teilchen in Phase II zu spät und das Teilchen wird zu schwach abgelenkt beziehungsweise hat eine transversale Geschwindigkeit größer Null und liegt auch außerhalb der Akzeptanz der Separationsblende 12.
• Mit dem dargelegten erfindungsgemäßen Prinzip kann ein kurzer, gut definierter Ionenimpuls im Bereich unter 10 ns erzeugt werden. Jedes Ion, das zu früh oder zu spät in die Ablenkungsvorrichtung eintritt, wird diese immer mit einer transversalen Ionengeschwindigkeit ungleich Null verlassen und daher nach einem bestimmten Driftraum von der nachgeschalteten Separationsblende 12 ausgeblendet werden. Die Größe der Separationsblende 12 übersteigt nicht die Größe des Ablenkplattenspalts zwischen den Ablenkelektroden 4a und 4b und ist hinreichend groß gegenüber der verbleibenden transversalen Positionsverschiebung des Teilchens.
• Das tatsächliche Zeitfenster der vom Strahl abgeschnittenen Ionen hängt nur von der Anstiegsgeschwindigkeit der Ablenkungsspannungen ab. Dieser Parameter lässt sich aus elektronischer Sicht leicht handhaben und einstellen, da die beteiligten Spannungen mit etwas mehr oder weniger als ±10 V für langsame Ionen gering sind. Für langsame Ionen werden beispielsweise Potenziale von ±5 V und bei schnellen Ionen von mehr als ±10 V bis hin zu mehreren hundert Volt angewendet.
• Bezugszeichenliste

1

Kathode

2

Teilchenquelle

3

Flugröhre

4

Ablenkungsvorrichtung

4a

Ablenkelektrode

4b

Ablenkelektrode

5

Detektor

6

Basisflansch

7

Bildungselektrode

8

Driftröhrenanordnung

9

Elektronenkollektor

10

Extraktionselektrode

11

Kollimatorblende

12

Separationsblende

13

Teilchenstrahl

14

Kreuzungspunkt

U

entgegengesetzte Potenziale der Ablenkelektroden 4a und 4b

t

Zeit

t0

Zeitpunkt, an dem sich die entgegengesetzten Potenziale der Ablenkelektrode 4a und 4b beim Wert 0 überschneiden

a

transversale Beschleunigung

v

transversale Geschwindigkeit

s

transversale Auslenkung eines Ions bezüglich Eintrittsposition in die Ablenkungsvorrichtung

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Erzeugung kurz gepulster Teilchenstrahlen, aufweisend eine Teilchenquelle (2) für einen Teilchenstrahl (13) geladener Teilchen und eine Ablenkungsvorrichtung (4) für den Teilchenstrahl (13), die zwei symmetrisch zur Strahlachse des Teilchenstrahles (13) angeordnete transversale Ablenkelektroden (4a, 4b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelektroden (4a, 4b) so beschaltet sind, dass sie während der Passage eines geladenen Teilchens durch die Ablenkungsvorrichtung (4) anfangs beide auf konstanten bezüglich eines Potenzials mit dem Wert 0 V symmetrisch entgegengesetzten Potenzialen gehalten werden, sich anschließend ihr Potenzial unter Beibehaltung der Potenzialsymmetrie bezüglich des Potenzials mit dem Wert 0 V linear in entgegengesetzter Richtung so lange ändert, bis die Ablenkelektroden (4a, 4b) eine vollständige Umpolung vollzogen haben und sie, bevor das geladene Teilchen die Ablenkungsvorrichtung verlässt, wieder auf den konstanten bezüglich des Potenzials mit dem Wert 0 V symmetrischen Potenzialen mit nunmehr umgekehrter Polarität gehalten werden, wobei sich in Strahlrichtung hinter der Ablenkungsvorrichtung (4) eine Flugröhre (3) und danach eine Separationsblende (12) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelektroden (4a, 4b) als gegenüberliegende parallele Platten ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelektroden (4a, 4b) als gegenüberliegende halbzylindrische Elektroden ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ablenkungsvorrichtung (4) und der Separationsblende (12) ein Detektor (5) für die Teilchen des kurz gepulsten Teilchenstrahles (13) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollimatorblende (11) in Strahlrichtung vor der Ablenkungsvorrichtung (4) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Separationsblende (12) nach der Ablenkungsvorrichtung (4) durch die Flugstrecke der Teilchen als Länge der Flugröhre (3) bestimmt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Teilchenstrahles (13) nach einer Kathode (1) eine Bildungselektrode (7), eine Driftröhrenanordnung (8) und ein Elektronenkollektor (9) vor einer Extraktionselektrode (10) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftröhrenanordnung (8) drei hintereinander angeordnete Driftröhren aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Detektor (5) ein Basisflansch (6) angeordnet ist.
10. Verfahren zur Erzeugung kurz gepulster Teilchenstrahlung mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei - ein Teilchenstrahl (13) erzeugt wird, - der Teilchenstrahl (13) ab dem Eintritt in die Ablenkungsvorrichtung (4) in einer ersten Phase (I) unter der Wirkung der konstanten Potenzialdifferenz aus den beiden konstanten symmetrisch entgegengesetzten Potenzialen transversal von der ursprünglichen Strahlachse weg beschleunigt wird, - daran anschließend in einer zweiten Phase (II) unter der Wirkung der sich linear ändernden Potenziale und der sich dabei ergebenden vollständigen Umpolung der Ablenkelektroden (4a, 4b) eine lineare Änderung der transversalen Beschleunigung (a) erfährt, - daran anschließend in einer dritten Phase (III) unter der Wirkung der konstanten Potenzialdifferenz, die dem Betrag nach der konstanten Potenzialdifferenz der ersten Phase (I) entspricht, jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen aufweist, zur ursprünglichen Strahlachse hin beschleunigt wird, - wonach der Teilchenstrahl (13) die Ablenkungsvorrichtung (4) verlässt und in die Flugröhre (3) eintritt, diese in Richtung Separationsblende (12) passiert, und nur Teilchen, welche die Ablenkungsvorrichtung (4) in Bezug auf die ursprüngliche Strahlachse mit einer Transversalgeschwindigkeit (v) von Null verlassen haben und nur noch einen Impuls in Längsrichtung aufweisen, von der Separationsblende (12) durchgelassen werden und als kurz gepulster Teilchenstrahl zur Verfügung stehen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase (II) die Ablenkelektroden (4a, 4b) in Richtung des Teilchenstrahls (13) in der Mitte einen Kreuzungspunkt (14) der entgegengesetzten Potenziale aufweisen.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Ionenstrahles als Teilchenstrahl (13) ein Elektronenstrahl erzeugt wird und mittels des Elektronenstrahles ein Ionenstrahl erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kurz gepulsten Teilchen in eine nachfolgende Beschleunigeranordnung eingeleitet und beschleunigt werden oder in einem Detektor (5) detektiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ablenkelektroden Spannungen im Bereich von ±10 V angelegt werden.

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