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Die
Erfindung betrifft einen Delayline-Detektor gemäß Anspruch 1 sowie ein Anodenbauteil
für Delayline-Detektoren
gemäß Anspruch
10.
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Das
Prinzip des klassischen Delayline-Detektors entspricht dem Funktionsprinzip
einer Drahtkammer, wie sie in der Hochenergiephysik seit Jahrzehnten
zum orts- und impulsabhängigen
Einzelteilchennachweis verwendet wird. Als Anode (auch Delayline
genannt) zur Detektion von Elektronen oder anderen Teilchen wird
in der Regel ein gewickelter oder mäanderartig aufgespannter Draht
verwendet. Es besteht auch die Möglichkeit,
als Anode eine leitende Struktur auf einem Substrat aufzubringen.
Bei zweidimensionalen Messungen werden in der Regel zwei zueinander
gekreuzt angeordnete Anodenteile verwendet. Die mit der Anode nachzuweisenden Elektronenkaskaden
können
in einem kontinuierlichen Medium oder im Vakuum mittels Elektronenvervielfachern
erzeugt werden. Bei Delayline-Detektoren werden Vielkanalplatten
(Multi-channel plates, MCP) oder auch Channeltrons bevorzugt.
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Bei
MCP handelt es sich um perforierte Glasplatten mit einigen 105 bis 106 regelmäßig angeordneten
Mikrokanälen,
bei denen jeder Einzelkanal eine geeignete Oberflächenbeschichtung
aufweist. Zusätzlich
wird ein starkes elektrisches Feld zur Beschleunigung der Sekundärelektronen
angelegt. Durch die Kombination mehrerer MCP (Chevron-MCP) erreicht
man eine Verstärkung
von bis zu 108 Elektronen bei primär einem
Elektron pro Mikrokanal.
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Die
pro primäres
Einzelteilchen entstehende Elektronenwolke wird auf die Anode beschleunigt und
kann durch geeignete Wahl des elektrischen Beschleunigungsfeldes
beim Durchfliegen der Anode ein elektrisches Signal auf mehreren
benachbarten Drähten
oder Mäandern
einkoppeln. Die dabei entstehenden Signalgruppen mit verschiedenen
Amplituden breiten sich auf dem Draht oder der Schichtstruktur der
Anode beidseitig aus, dispergieren dabei und können an den Anodenenden als
Einzelpulse elektronisch registriert werden. Durch Einsatz von dielektrischen
Materialien als beispielsweise Wickelkörper oder Substrat wird eine
messbare Laufzeitdifferenz zwischen benachbarten Drähten bzw. Mäandern erreicht.
In der Regel liegt diese Laufzeitdifferenz bei ca. 1 ns.
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Die
zeitliche Position des Pulsmaximums des zusammengeführten Einzelpulses
wird durch eine Ausleseelektronikeinheit gemessen und somit der
Schwerpunkt des Pulses bestimmt.
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Eine übliche Ausleseelektronikeinheit
für einen
Delayline-Detektor geht aus der US 2003/0001087 A1 hervor. Sie weist
einen Hochfrequenzverstärker,
eine Zeitabnehmerstufe (Constant Fraction Discriminator, CFD) und
eine hochpräzise elektronische
Stoppuhr (Time-to-digital Converter, TDC) auf. Der CFD ermöglicht eine
zeitlich exakte Diskriminierung des Pulsmaximums unabhängig von der
jeweiligen Pulshöhe.
Vom TDC werden die zeitdiskriminierten CFD-Ergebnisse exakt vermessen und
digitale Zeitmessergebnisse direkt in den Computer eingelesen, wo
sie mit einer geeigneten Software zur Positionsbestimmung ausgewertet
werden können.
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Die
Gesamtverzögerungszeit
für Pulse
auf einer üblichen
Anode liegt bei bis zu 100 ns. Wenn eine zweite Elektronenwolke
in dieser Zeit die Anode erreicht, kann die Zeit- und Ortsbestimmung
dieses Ereignisses ohne zusätzliche
Funktionalität
wie z.B. eine Multihit-Option nicht mehr eindeutig und präzise erfolgen.
Meist kann dieses Ereignis überhaupt
nicht erfasst werden. Diese Totzeit des Detektors zusammen mit der
Verarbeitungsgeschwindigkeit der TDC-Elektronik beschränkt die
maximale erfassbare Zählrate.
Bei herkömmlichen
Delayline-Detektoren liegt
das Maximum bei höchstens
5 MHz.
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Um
sowohl eine gute Positionsauflösung
als auch eine hohe Zählratenkapazität zu erreichen,
wird durch die US 2003/0001087 A1 vorgeschlagen, den Detektor als
Multianoden-Detektor auszubilden. Die hierbei erzielten Zählratenkapazitäten reichen
jedoch nicht immer aus.
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Standarddetektoren
für Elektronenspektrometer
und Elektronenmikroskope können
Zählraten von
einigen 10 MHz pro Zählkanal
erreichen. Allerdings sind solche Detektoren in ihrer Energieauflösung bzw.
ihrer Ortsauflösung
beschränkt,
da die Auflösung
durch die Abstände
der Kanäle
definiert wird. Delayline-Detektoren
gewinnen trotz ihrer deutlich geringeren Zählraten in diesen Geräten an Bedeutung,
da sie im Gegensatz zu den konventionellen Detektorsystemen zeitabhängige, dynamische Elektronenanalysen
mit Zeitauflösungen
in den Pikosekundenbereich ermöglichen.
Um die jeweiligen Vorteile beider Systeme nutzen zu können, müssen für verschiedene
Aufgabenstellungen diese beiden Detektorsysteme innerhalb von Vakuumsystemen ständig ausgetauscht
werden. Dies bringt enorme Zeitverzögerungen im jeweiligen Messprogramm
mit sich.
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Aus
der US 2001/0040937 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Radiographie hervor, bei welcher die Strahlung einer Röntgenstrahlungsquelle
durch einen Detektor erfasst wird. Der Detektor enthält eine
Entladungskammer mit Elektrodenanordnungen, zwischen denen eine
Spannung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angelegt wird.
Ein Detektor erfasst in wenigstens zwei Detektorelektrodenmodulen
durch Elektronen-Ionen-Lawinen ausgelöste elektrische Signale. Die
Anode und die Kathode des Detektors können ein keramisches Substrat
aufweisen, auf welches photo-lithographisch eine Schichtstruktur
aus Detektorstreifen aufgebracht ist. Probleme eines Delayline-Detektors
werden nicht behandelt.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Delayline-Detektor zur Verfügung
zu stellen, mit dem auch Messungen mit höheren Zählraten möglich sind.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch einen Delayline-Detektor gemäß Anspruch 1.
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Die
Erfindung beruht darauf, die Anode bzw. Delayline zu segmentieren,
wobei entweder alle Segmente zusammengeschaltet als eine dynamisch
arbeitende Delayline betrieben werden können, jedes Einzelsegment oder
Gruppen von Segmenten als einzelne dynamisch arbeitende Delaylines
parallel betrieben werden oder jedes Einzelsegment oder Gruppen
von Segmenten als Einzelkanäle
mit Zählraten über 10 MHz
pro Segment analog zu konventionellen Elektronendetektoren betrieben
werden können.
Statt den gesamten Detektor auswechseln zu müssen, müssen nun nur noch die Ausleseelektronikeinheiten
angepasst werden. Dadurch verkürzen sich
die Ausfallzeiten von Elektronenanalysegeräten durch Detektorwechsel erheblich.
Da die Geräte nicht
mehr belüftet
und evakuiert werden müssen, werden
typischerweise ca. 1,5–2
Tage an Umbauzeit eingespart.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
besteht die Anode des Anodenbauteils im Wesentlichen aus Draht.
Die einzelnen Drahtsegmente können
mäanderartig
aufgespannt sein. Besonders bevorzugt ist es aber, die Drahtsegmente
um einen Wickelkörper
spulenartig aufzuwickeln. Dadurch werden größere Laufzeitdifferenzen zwischen
Signalen in zwei benachbarten Drahtabschnitten erreicht. Es hat
sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Wickelkörper aus einem keramischen
Werkstoff besteht. Keramische Werkstoffe haben in der Regel eine
hohe Dielektrizitätskonstante. Über die
Dielektrizitätskonstante
kann die Laufzeit ebenfalls dahingehend beeinflusst werden, dass
höhere
Laufzeitdifferenzen erreicht werden.
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Besonders
bevorzugt sind Anodenanordnungen für eindimensionale und zweidimensionale
Messungen. Für
zweidimensionale Messungen werden zwei Anodenanordnungen gekreuzt
zueinander angeordnet. Zum Beispiel bei Spulenanordnungen würde man
zwei Anodenteile gekreuzt zueinander über einen Wickelkörper wickeln.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht die Anode im Wesentlichen aus einer Schichtstruktur, die
auf einem Substrat aufgebracht ist. Um die Laufzeitdifferenzen positiv
zu beeinflussen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Substrate mit
einer hohen Dielektrizitätskonstante,
insbesondere auf der Basis keramischer Werkstoffe zu wählen. Besonders
bevorzugt ist es, die Schichtstruktur lithographisch aufzubringen.
Gegenüber
den Drahtanoden haben die Schichtstrukturanoden den Vorteil, dass
sie sich eher für
die Massenfertigung eignen. Zwar sind die Investitionskosten für die Bereitstellung einer
Produktionsanlage für
derartige Anodenbauteile sehr hoch. Bei entsprechender Stückzahl lassen sich
die Kosten pro Anodenbauteil aber stark senken. Außerdem kann
bei dieser Fertigungstechnik eine höhere Reproduzierbarkeit als
bei Drahtanoden gewährleistet
werden. Denn diese müssen
beim heutigen Stand der Technik zum größten Teil handgefertigt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist ein Delayline-Detektor mit einem erfindungsgemäßen Anodenbauteil
zusätzlich
zu einer herkömmlichen
Ausleseelektronikeinheit auf der Grundlage von CFD- und TDC-Einheiten
eine Ausleseelektronikeinheit auf der Grundlage von mehrkanaligen
digitalen Zählern
(Countern) auf. Je nach dem, ob man die herkömmliche Ausleseelektronikeinheit
oder die zusätzliche
Ausleseelektronikeinheit verwendet, kann das Anodenbauteil entweder
als normale Delayline betrieben werden, oder die einzelnen Anodensegmente
werden als Kanäle
eines Standardelektronendetektors verwendet. Durch einfaches Umschalten kann
vom Modus mit hohen Zählraten
und geringer Ortsauflösung
in den Modus mit geringen Zählraten und
hoher Ortsauflösung
gewechselt werden, ohne dass ein größerer Umbau notwendig wäre.
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Vorteilhafterweise
wird für
dieses Umschalten eine elektronische Umschalteinheit vorgesehen. Dadurch
kann das Umschalten der Betriebsmodi automatisiert werden. Dies
verringert nicht nur den Aufwand beim Wechseln des Betriebsmodus.
Der erfindungsgemäße Delayline-Detektor
wird dadurch erheblich bedienungsfreundlicher und kann ohne übermäßige Schulung
der Operatoren auf allen Gebieten der Oberflächenanalyse mittels Elektronenspektroskopie
oder Elektronenmikroskopie verwendet werden.
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Die
elektronische Umschalteinheit kann dabei nicht nur zum Umschalten
vom Zähler-
in den Delayline-Modus verwendet werden. Sie kann auch verwendet
werden, um innerhalb des Delayline-Modus zwischen der Verwendung
der Anode als einer dynamisch arbeitenden Delayline oder parallel
zueinander betriebenen Delaylinesegmenten zu wechseln. Diese beiden
Modi dienen der Feinabstimmung zwischen Ortsauflösung einerseits und Zählrate andererseits. Bei
mehreren parallel arbeitenden Delayline-Segmenten kann man gegenüber einer
durchgehenden Delayline die Zählrate
um die Anzahl der Segmente erhöhen.
Dafür muss
man Einbußsen
bei der Orts- bzw. Energieauflösung
um einen Faktor 2 in Kauf nehmen.
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Im
Gegensatz zu Standardelektronendetektoren, bei denen als Sekundärelektronenvervielfacher
in der Regel ein Channeltron pro Zählkanal verwendet wird, wird
bei den erfindungsgemäßen Delayline-Detektoren vorzugsweise
mit Vielkanalplatten (Multi-Channel Plates, MCP) gearbeitet. Durch
den Einsatz von MCP wird optimal die dichte Anordnung der Anodeneinheiten
eines Anodensegmentes genutzt. Indem außerdem mehrere MCP übereinander gestapelt
werden, können
Elektronenverstärkungen von
ca. 108 erreicht werden.
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Der
erfindungsgemäße Delayline-Detektor lässt sich
nicht nur als Elektronendetektor, sondern auch als Röntgendetektor
verwenden. Dazu würde man
andere MCP mit unterschiedlicher Beschichtung verwenden, z.B. Cäsiumiodidbeschichtungen.
Der erfindungsgemäße Delayline-Detektor
eignet sich insbesondere für
die Verwendung an hochbrillanten Quellen wie FEL (Free Electron
Laser) und Synchrotrons z.B. für
Kleinwinkelstreuung und Beugungsmessungen an Kristallen, wo Hauptpeaks
mit sehr hohen Intensitäten
auftreten. Für
hochaufgelöste Scans
zur Bestimmung von Feinstrukturen würde man den Delayline-Detektor
statt im Zählermodus
im Delayline-Modus verwenden.
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Die
Erfindung soll anhand der folgenden Figuren näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1a ein
Anodenbauteil mit MCP und
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1b ein
Anodenbauteil mit MCP angeschlossen an eine Ausleselektronikeinheit;
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2 die
Funktionsweise der Ausleseelektronikeinheit;
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3 das
Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Delayline-Detektors;
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4 ein
erstes erfindungsgemäßes Anodenbauteil
und
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5 ein
zweites erfindungsgemäßen Anodenbauteil
mit MCP.
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In 1a ist
ein herkömmliches
Anodenbauteil 1 mit einem Stapel aus MCP 5 dargestellt. Das
Anodenbauteil 1 ist für
zweidimensionale Messungen ausgelegt. Es besteht aus zwei Anodenteilen 3a und 3b,
die als Spule um den Wickelkörper 4 gewickelt
sind. Die beiden Anodenteile 3a und 3b sind gekreuzt
zueinander angeordnet, so dass mit dem Anodenteil 3a die
Messung in x-Richtung aufgelöst und
mit dem Anodenteil 3b die Messung in y-Richtung aufgelöst wird.
Als Draht wird Kupferdraht mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und
0,4 mm verwendet. Der typische Drahtabstand ist dabei 0,4 mm bis 0,8
mm.
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Für die Verstärkung des
zu messenden Elektrons wird der Stapel MCP 5 verwendet.
Er besteht aus perforierten Glasplatten mit ca. 105 bis
106 regelmäßig angeordneten Mikrokanälen bei
einer typischen Periode von 30 μm
und einem Kanaldurchmesser von 20 μm.
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Die
pro primäres
Einzelteilchen entstehende Elektronenwolke wird auf die Anodenteile 3a und 3b beschleunigt. Über den
Effekt der Bildladungskopplung koppelt die Elektronenwolke durch Überfliegen der
Drähte
ein elektrisches Signal auf mehreren benachbarten Drähten ein.
Die dabei entstehenden Signalgruppen mit verschiedenen Amplituden
breiten sich auf den Drähten
der Anodenteile 3a und 3b beidseitig aus, dispergieren
dabei (d.h. verbreitern sich zeitlich und laufen zusammen) und können an
den Anodenteilenden als Einzelpulse elektronisch registriert werden.
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Während der
Ausbreitung entlang der Anodenteildrähte ändert sich mehrfach die Ausbreitungsgeschwindigkeit,
da die Drähte
wechselnd im Vakuum oder auf dem Wickelkörper 4 aus dielektrischem Material
laufen. Dieser Wechsel dient dazu, jede Pulsgruppe jeder Elektronenwolke
zu einem einzigen Puls zusammenzuführen. Das dielektrische Material des
Wickelkörpers 4 dient
auch dazu, messbare Laufzeitdifferenzen von bis 1 ns zwischen benachbarten
Drahtabschnitten der Anodenteile 3a und 3b zu
erreichen.
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Mit
Hilfe der in 1b gezeigten Ausleseelektronikeinheit 6 des
Delayline-Detektors 2 wird die zeitliche Position des Pulsmaximums
dieses zusammengeführten
Einzelpulses gemessen, d.h. sein Schwerpunkt bestimmt. Als Zeitreferenz
wird im einfachsten Fall die zeitlich frühere Nachweiszeit des zugehörigen Pulses
an den MCP 5 benutzt. Die Gesamtlaufzeit des Pulses bzw.
die Zeitdifferenz bei Messungen an beiden Enden jeweils eines Anodenbauteils 3a,
b ist ein Maß für die Position
des Schwerpunktes der damit nachgewiesenen Elektronenwolke senkrecht
zur Drahtrichtung.
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Bei
einer Zeitauflösung
der Ausleseelektronik von 100 ps und einer Laufzeitdifferenz benachbarter
Drähte
von 1 ns kann die Positionsmessung 10-fach genauer als der physikalische
Abstand zweier benachbarter Drähte
ausgeführt
werden.
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Das
Prinzip der Signalverarbeitung wird anhand von 2 am
Beispiel eines eindimensionalen Delayline-Detektors mit Erfassung
der Signale an nur einem Drahtende erläutert. Für das Auslesen beider Drahtenden
und das Auslesen einer zweiten Dimension wird dieses Prinzip mehrfach
durchgeführt
und die multiplen Ergebnisse entsprechend über die Software verarbeitet.
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Wie
in 2 dargestellt, besteht die Aufleseelektronik für jeden
Kanal aus einem Hochfrequenzverstärker einer Bandbreite von ca.
300 MHz, einem nachfolgenden Constant Fraction Discriminator (CFD)
und einer hochpräzisen
elektronischen Stoppuhr (TDC). Der CFD ermöglicht eine zeitlich exakte
Diskriminierung des Pulsmaximums unabhängig von der jeweiligen Pulshöhe. Vom
TDC werden die zeitdiskriminierten CFD-Ergebnisse exakt vermessen und digitale
Zeitmessergebnisse direkt in den Computer eingelesen, wo sie mit
einer geeigneten Software zur Positionsbestimmung ausgewertet werden
können.
Die sequentiell erfassten Einzelergebnisse werden in ein Ereignishistogramm
einsortiert, dessen Kanalnummern Zeiten bzw. Positionen entsprechen.
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Die
Zahl der aktiven Kanäle
n wird durch das Verhältnis
von Länge
des Detektionsbereichs, d.h. Körperlänge Ld der
Drahtspule bzw. des Drahtspulsegments, und Ortsauflösung des
Detektors, d.h. der Zeitauflösung
des TDC bezogen auf die Laufzeitdifferenz tNN benachbarter
Drähte
eines Anodenteils und ihrer räumlichen
Abstände
dNN, bestimmt. Im Grenzwert werden bei Messungen
an beiden Drahtenden derzeit n = (Ld/dNN) × tNN/Δτ = 50 Bildpunkte
in einer Dimension bei Ld = 5 mm und damit
eine Ortsauflösung
von 100 μm
erreicht. Bei Differenzmessungen zwischen beiden Drahtenden lässt sich
dieser Wert um einen Faktor 2 verbessern.
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Die
Zeitauflösung
des TDC Δτ liegt in
einem modernen Achtkanal-TDC heute bei 120 ps. Die Parameter tNN und dNN werden
durch das mechanische und dielektrische Design der Anode bestimmt.
Ein typisches Verhältnis
für eine
Delayline-Anode beträgt tNN/dNN = 1,3 ns/mm.
Das gemeinsame Startsignal für die
Einzelmessung wird von dem vor der Anode befindlichen MCP 5 abgegriffen.
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Die
Ausleseelektronik kann mit bis zu 8 Auslesekanälen ausgeführt werden. Bei achtkanaliger Ausleseelektronik
würde man
das erfindungsgemäße Anodenbauteil
mit sieben Segmenten ausführen. Der
achte Kanal könnte
zum Beispiel für
den nichtsegmentierten Betrieb einer zweiten Detektordimension benutzt
werden. Dabei wird jeweils nur ein Drahtende pro Segment ausgelesen.
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Wie
in 2 und 3 dargestellt, kann alternativ
zu der in 2 gezeigten Ausleseelektronik über CFD
und TDC jedes einzelne Anodensegment auch über schnelle Pulszähler CT1
bis CT5 als normaler Zähldetektor
betrieben werden. Dabei können pro
Kanal Zählraten
von bis zu 50 MHz erreicht werden. Die Pulszähler können dabei vor (3)
oder nach (2) dem CFD das Signal abgreifen.
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Das
in 3 dargestellte Anodenbauteil 3 ist in 5 deutlicher
zu sehen. Es handelt sich um eine lithographisch auf ein Keramiksubstrat 10 aufgebrachte
Metallstruktur 9, die im vorliegenden Fall in fünf Segmente 3 bis 3'''' aufgeteilt
ist. Als Sekundärelektronenvervielfacher
wird ein Chevron-MCP 5'' aus zwei einzelnen
MCP 5a, 5b verwendet. Zwischen Chevron-MCP 5'' und den Segmenten 3 bis 3'''' wird eine Beschleunigungsspannung
von 300 V angelegt.
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In 3 ist
auch das allgemeine Messprinzip erkennbar, bei dem ein Delayline-Detektor
vorteilhaft eingesetzt wird. Elektronen aus einem Ereignis werden
in einem Analysator durch ein elektromagnetisches Feld geführt und
dort je nach ihrer Energie auf unterschiedliche Bahnen gelenkt.
Je nach ursprünglicher
Elektronenenergie treffen sie an unterschiedlichen Stellen auf den
MCP 5 auf, werden dort vervielfältigt und in Form einer Elektronenwolke
von den Segmenten 3 bis 3'''' des Anodenbauteils 1 detektiert.
Je nach Betriebsmodus werden die Signale einfach pro Segment 3 bis 3'''' gezählt oder
in jedem Segment 3 bis 3'''' genauer lokalisiert, was aber
auf die Kosten der Zählrate
geht.
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In 4 ist
eine eindimensionale Anode in Form eines Drahtspulensegmentes dargestellt.
Die Drähte 8 werden
in drei dicht nebeneinander liegenden Teilspulen 3, 3', 3'' über einen dielektrischen Wickelkörper 4 aus
Keramik mit einer Dielektrizitätskonstante
von ε =
10 gewickelt. Der Drahtabstand d1 beträgt dabei
0,4mm, die Segmentbreite d2 5 mm und die
Wickelkörperbreite
b1 12 mm.
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An
der Oberseite des Wickelkörpers 4 befindet
sich eine Längsnut
der Breite b2 = 10 mm, über der die Drähte 8 flach
im Vakuum verlaufen. Dieser Bereich ist die aktive Detektorfläche. In
der Nut liegt eine dünne,
durch alle Segmente reichende Metallplatte 7 aus Kupfer,
die zum Abfließen
der Elektronen nach dem Durchtritt durch die Drahtabschnitte 8 dient.
Die drei Segmente 3, 3', 3'' werden
an je einem Drahtende mit jeweils einem Auslesekanal, wie in 2 bzw.
wie in 3 beschrieben, verbunden. Auf einen weiteren freien
Kanal kann ein Zeitreferenzsignal für alle Messungen liegen oder
kann eine weitere Anode zur Messung der zweiten Dimension betrieben
werden.
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Man
kann für
die erfindungsgemäßen Delayline-Detektoren
die gleiche Detektionselektronik verwenden wie für herkömmliche Delayline-Detektoren Insbesondere
müssen
keine Einschränkungen
bezüglich
der üblichen
Grenzwerte hingenommen werden. Zum Umschalten zwischen dem wahlfrei
segmentierten Betrieb oder dem Einzelanodenbetrieb ist eine außerhalb
des Vakuumrezipienten befindliche elektronische Umschalteinheit
vorgesehen. Das Umschalten kann sowohl computergestützt als
auch manuell ausgeführt
werden. Da lediglich mit einer Frequenzbandbreite von 300 MHz bei
der Übertragung der
Anodensegmentsignale gearbeitet werden muss, handelt es sich um
herkömmliche
Hochfrequenztechnik für
die Verarbeitung schneller Signale.