DE1764166A1 - Ionen-Elektronenwandler - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz Pr. Gertrud Mauser Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme:: Labyrinth München

Telefon: 83 T5 TO Postscheckkonto: München 117078

•000 Mür.eh.n 60,

Ernsiierger*tTasse 19

11. April 1958

unser Zeichen: C 2518

COMPAGNIE D'APPLICATIONS MECANIQUES A L¹ELECTRONIQuE Au CINEMA ET J. L¹ATOMISTIQUe "CAMECA"

103, Boulevard Saint-Denis, Courbevoie (Hauts de Seine)/Frankreich

lonen-Elektronenwandler

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, bei welchen ein einfallender Ionenstrahl in einen Elektronenstrahl umgewandelt wird, wobei der letztere von einem lumineszierenden Schirm oder einem anderen Element empfangen wird. Alle diese Vorrichtungen werden nachfolgend als Ionen-Elektronenwandler bezeichnet. Der Ausdruck Ionen-Elektronen-Bildwandler wird auf den besonderen Fall eingeschränkt, in welchem

Bu/Gr.

ein

2098U/0 322

ein Elektronenbild erhalten wird, welches das Bild eines physischen Gegenstandes und nicht ein einem Querschnitt des Ionenstrahls entsprechender Querschnitt des Elektronenstrahls ist.

Die Erfindung schafft einen Ionen-Elektronenwandler mit einem Gehäuse, welches eine Fläche mit einer öffnung aufweist, die eine Eintrittsblende für ein einfallendes Ionenbündel bildet, wobei das Gehäuse enthält: einen Auffänger, welcher Elektronen in Abhängigkeit von dem Aufprall von Ionen aussendet, wobei dieser Auffänger gegenüber der Eintrittsblende angeordnet ist und die senkrecht auf dem Auffänger stehende und durch die Mitte der Blende gehende Gerade als Achse des Wandlers bezeichnet wird, sowie in der Umgebung des Auffängers eine Einrichtung zum Sammeln der Elektronen in einem Sekundärstrahlenbündel, dessen Achse im wesentlichen mit der Wandlerachse zusammenfällt, gekennzeichnet durch eine zwischen der Sammeleinrichtung und der Eintrittsblende angeordnete magnetische Einrichtung zum Ablenken des Sekundärstrahlenbündels in einer Richtung, welche einen Winkel mit der Wandleracbse einschließt.

Der erfindungsgemäße Wandler löst sowohl bei Verwendung positiver als auch bei Verwendung negativer Ionen in zufriedenstellender Weise das Problem der Anordnung des zum Empfang des Elektronenstrahls bestimmten Elements oder

Teils 209 8 U/0322

"i / -■ '■ -V· ■'-'-.- ί

Teils j .,insbesondere des photographischen Auf Zeichners eines Bildwandlers,.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 eine graphische Darstellung des Grundgedankens, auf welchem ein bekannter Ionen-Elektronen-Blldwandler beruht,

Figur 2 eine etwas mehr ins Einzelne gehende graphische Darstellung, in welcher die bei der Aufzeichnung des Elektronenbilds in einem bekannten Bildwandler auftretenden Schwierigkeiten dargestellt sind,

Figur 3 einen vertikalen Schnitt durch einen Ionen-Elektronen-Bildwandler gemäß der Erfindung,

Figur k eine schematische Darstellung der Wirkung des magnetischen Prismas im Wandler gemäß Figur 3,

Figur 5 eine bevorzugte Ausführungsform des magnetischen Prismas gemäß Figur 3 und

Figur 6 eine einfache und sehr vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung in ihrer Anwendung auf einen Wandler eines Massenspektrometers.

209 814/032 2 , Entsprechende

Entsprechende Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Ionen-Elektronen-Bildwandler wird häufig in Geräten, wie dem Ionenmikroskop oder dem als selektives Ionenmikroskop arbeitenden Ionenmikroanalysator nach Castaing und Slodzian, verwendet, wobei derselbe Ionenbilder liefert, welche bezüglich der Art der die Oberfläche der zu analysierenden Probe bildenden Atome selektiv sind.

Es wird daran erinnert, daß in diesen Geräten der Zweck des Bildwandlers darin besteht, das endgültige Ionenbild zu Beobachtungs- oder Aufzeichnungszwecken in ein Elektronenbild umzuwandeln. Es ist nicht leicht, Ionenbilder auf fluoreszierenden Schirmen aufzufangen, da Schirme dieser Art eine außerordentlich niedrige Empfindlichkeit für Ionen besitzen. Andererseits würde der fluoreszierende Schirm durch die von ihm empfangenen Ionen schnell verunreinigt werden und bei Verwendung positiver Ionen würde die elektrische Ladung des Schirms zu einer Instabilität des Bildes führen. Aus diesem Grund wird ein Wandler zur Umwandlung des Ionenbildes in ein Elektronenbild verwendet, dessen Grundgedanke in Figur 1 dargestellt ist.

Das darzustellende Ionenbild AB, von welchem angenommen wird, daß es in diesem Fall von positiven Ionen gebildet wird, wird

mittels 2098U/0322

mittels einer Elektronenlinse L auf den Bereich A"B" auf der Kathode 1 einer elektrostatischen Emissionslinse geworfen. Die Kathode 1 dieser Linse, welche in bezug auf die Anode 3 negativ vorgespannt ist, weist die unter der Wirkung der Beschießung mit dem Ionenstrahl emittierten Sekundärelektronen zurück.

Die Krümmung der Äquipotentiallinien, welche mittels der Steuerelektrode 2 erhalten wird, die sich auf etwas höherem Potential befindet als die Kathode, bewirkt eine Fokussierung des Elektronenstrahls, so daß ein Bild a b von A"B" auf dem Fluoreszenzschirm 4 gebildet wird, der am Einschnürungspunkt der Linse L angeordnet ist.

Die Fokussierungswirkung der Emissionslinse beeinflußt jedoch auch den einfallenden Ionenstrahl, so daß das Ionenbild A"B" auf der Kathode bezüglich des Bildes A¹B¹ zusammengezogen wird, welches durch die Linse L allein erzeugt werden würde-und welches einen virtuellen Gegenstand für die Emissionslinse bildet.

Um diesen Zusammenziehungseffekt zu vermindern, ist die Verwendung eines mit hoher Energie einfallenden lonenstrahls erwünscht.

Wenn das umzuwandelnde Bild anfänglich von einem Strahl mit

verhältnismäßig 2098 TA/0322

verhältnismäßig geringer Energie, beispielsweise in der Größenordnung von 5 keV, in einen Ionenmikroanalysator getragen wird, so muß der Strahl daher nachträglich beschleunigt werden (um seine Energie im Ionenmikroanalysator beispielsweise auf 15 keV zu bringen).

Im Ionenmikroanalysator wird aus Zweckmäßigkeitsgründen der Strahl vor dem Eintreten in den Wandler durch einen Bereich geleitet, welcher sich auf Erdpotential befindet. Das innere Gehäuse des Bildwandlers befindet sich daher auf einem hohen Potential, nämlich dem Nachbeschleunigungspotential, und dies erzeugt gewisse Probleme bezüglich der photographischen Aufzeichnung des endgültigen Elektronenbildes.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung der in Figur 1 gezeigten Art, wobei eine Nachbeschleunigungslinse L₁ mit zwei Blenden 7 und 6 hinzugefügt ist.

Die Potentiale der verschiedenen Elektroden sind in bezug auf Erdpotential angegeben. Die angegebenen Werte entsprechen einer mit positiven Ionen arbeitenden Anlage, wobei angenommen wird, daß der das Ionenbild tragende, umzuwandelnde Ionenstrahl aus einem Bereich mit Erdpotential kommt und daß seine Energie beispielsweise nur etwa 5 keV beträgt.

Unter 2098U./0322

Unter diesen Umständen liegt die zuerst vom Ionenstrahl durchsetzte Blende 7 auf Erdpotential, während die Blende 6 sich auf dem Nachbeschleunigungspotential, beispielsweise -15 kV, befindet.

Am Ausgang der von den Elektroden 7 und 6 gebildeten Nachbeschleunigungslinse sind die Elemente des in Figur 1 gezeigten Wandlers angeordnet, mit der Ausnahme, daß die Elektroden 1 und 2 der Emissionslinse hier elektrisch verbunden sind und einen einzigen Bestandteil 102 bilden, wobei die Einstellung der Linse hier durch Einstellung des Abstandes zwischen der Kathode und der Steuerelektrode bewirkt wird.

Die Projektionslinse L, welche in der schematischen Darstellung der Figur 1 symbolisch dargestellt ist, ist eine übliche Linse mit drei Blenden, nämlich in Fortpflanzungsrichtung des Ionenstrahls den Blenden 53, 52 und 51. Die Elektroden 53 und 51 liegen auf dem Nachbeschleunigungspotential wie auch die Anode 3 der Emissionslinse und der Fluoreszenzschirm Jj.

Die Mittelelektrode 52 der Projektionslinse L wird auf ein einstellbares Potential u gebracht, mittels dessen das Ionenbild auf die Kathode des Teils 102 fokussiert werden kann, wobei der letztere auf dem Potential -45 kV liegt.

Das 209 81 4/0322 .

Das auf dem Fluoreszenzschirm 4 auftretende Elektronenbild wird mittels eines optischen Systems beobachtet oder photographiert, welches aus einem Spiegel 8 und einer in der Figur nicht dargestellten seitlichen öffnung besteht. Der Spiegel 8, welcher zwischen der Anode 3 der Emissionslinse und dem Fluoreszenzschirm 4 angeordnet ist, ist unter 45° gegen die Achse des Wandlers geneigt. In demselben ist eine öffnung vorgesehen, durch welche der Ionen- und der Elektronenstrahl durchgehen können.

Ein Wandler dieser Art kann bei geeigneter Wahl der Potentiale genauso gut mit negativen Ionen arbeiten.

Zur Aufzeichnung des Elektronenbildes wurde bisher eine übliche Kamera außerhalb des Geräts hinter der· seitlichen öffnung angeordnet, da sonst bei einem bekannten Wandler die folgenden Schwierigkeiten auftreten:

Im photographischen Film muß eine öffnung zum Durchtreten des Ionenstrahls vorgesehen werden und dies beeinträchtigt natürlich das Bild;

Der Lumineszenfcschirm für die direkte Beobachtung des Bildes muß zurückziehbar sein;

Schließlich wird der mechanische Aufbau der Kamera, welche sich auf dem Nachbeschleunigungspotential be-

finden 20981 A/0322

' - 9 - ■';■■■■■

finden muß, infolge der Gefahr von den Film belichtenden Glimmentladungen außerordentlich kompliziert gemacht.

Figur 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch den Endteil eines Ionen-Elektronenwandlers, welcher die erfindungsgemäße Verbesserung enthält.

Die Wandleranordnung ist in einem vakuumdichten, leitenden Gehäuse 31 enthalten, welches auf Erdpotential liegt, wobei eine nicht dargestellte Fläche desselben die Eintrittsblende (7 in Figur 2) bildet.

Das äußere Gehäuse 31 enthält ein leitendes Gehäuse 32, welches von einem isolierenden Organ 33 gehalten und mittels einer dichten Leitungsdurchführung 3^ auf das Nachbeschleunigungspotential gebracht wird.

Der Wandler weist weiter nach den in Figur 3 nicht dargestellten, den Linsen L₁ und L gemäß Figur 2 entsprechenden Elementen auf:

Einen rohrförmigen Schirm 35, durch welchen der einfallende Ionenstrahl geht;

Eine Emissionslinse, welche von einer auf dem Nachbeschleunigungspotential liegenden Elektrode 3 und

von 2098 U/0 322

- ίο -

von einer aus Steuerelektrode und -kathode bestehenden Anordnung 102 gebildet wird, die an einem isolierenden Organ 38 befestigt und über die abgedichtete Leitungsdurchführung 39 mit einer äußeren Spannungsquelle verbunden ist;

Einen beweglichen prismatischen Magneten 10, welcher auf dem Nachbeschleunigungspotential liegt, ein magnetisches Feld senkrecht zur Wandlerachse erzeugt und in Azimutrichtung um seine Achse beweglich ist;

Einen Lumineszenzschirm 11, welcher aus der Achse des Wandlers versetzt ist, so daß er den Ionenstrahl nicht stört.

Das magnetische Prisma ist ohne Einfluß auf den in die Emissionslinse eintretenden Ionenstrahl, lenkt jedoch den die Linse verlassenden Elektronenstrahl so ab, daß das Elektronenbild außerhalb der Wandlerachse, beispielsweise auf dem Fluoreszenzschirm 11 gebildet wird.

Dies ist leicht zu erreichen, wenn man die relativen Energien der Ionen und Elektronen berücksichtigt, da das Ladungs-Massenverhältnis von Ionen ein sehr kleiner Bruchteil des Ladungs-Massenverhältnisses von Elektronen ist (weniger als 1/1800 für die leichtesten Ionen mit einer Ladung).

Eine

98U/Q322

- li -

Eine mechanische Steueranordnung ermöglicht eine Drehung des magnetischen Prismas um die Wandlerachse, so daß bei Betrieb das Elektronenbild um diese Achse in einer Richtung gedreht werden kann, welche von der Richtung des Magnetfelds abhängt.

Der Steuermechanismus weist einen äußeren Steuerknopf auf, welcher durch eine vakuumdichte Kappe 13 und über einen Isolator lh das Kegelrad 15 antreibt, das mit der Zahnung 16 kämmt, an welcher das magnetische Prisma 10 befestigt ist.

Diese Einrichtung zur aufeinanderfolgenden übertragung des Elektronenbildes auf verschiedene Stellen des Wandlers ohne Unterbrechung des Betriebs der Anlage kann in verschiedenen Kombinationen angewendet werden.

Es ist beispielsweise möglich, zwei Bildlagen zu verwenden, welche um 180° gegeneinander versetzt sind.

Das Elektronenbild wird zuerst direkt auf der aktiven Schicht eines Lumineszenzschirms 11 gebildet, dessen Träger durchlässig 1st. Die Versetzung dieses Schirms aus der genanntenAAehse ermöglicht es_s hinter demselben und in seiner unmittelbaren Umgebung einen Spiegel 17 und ein Objektiv 19 mit großer öffnung anzuordnen, mittels

dessen 209814/0322

dessen ein großer Teil des vom Schirm ausgesandten Lichts aufgefangen wird. Die Linse 19 ist an der Außenwand des Gehäuses 32 befestigt und überträgt einen Lichtstrahl ins Äußere des Geräts durch die im Gehäuse 31 der Anlage ausgebildete Beobachtungsöffnung 18. Der Lichtstrahl kann von einer Anlage zur visuellen Beobachtung oder von einer Aufzeichnungsanlage (beispielsweise einer Pernsehanlage) aufgenommen werden.

Wenn sich das magnetische Prisma 10 in dieser Stellung befindet, ist es möglich, durch Beobachtung des Elektronenbildes das Ionenbild zu fokussieren.

Das Bild wird sodann durch Drehung des Knopfes 12 in eine Ebene verschoben, welche zur Ebene des Lumineszenzschirmes bezüglich der Wandlerachse symmetrisch liegt. In dieser Ebene ist der Kamerafilm angeordnet.

Die Kamera, welche sich auf dem Nachbeschleunigungspotential befindet, ist über.einen Isolator 21 an einem abnehmbaren Halter 20 befestigt, welcher bei Betrieb des Wandlers dicht in der Wand des Gehäuses 31 sitzt. Die Kamera wird in bekannter Weise von zwei Rollen gebildet, einer Zuführrolle und einer Aufwickelrolle. Die Aufwickelrolle 22 wird durch den äußeren Knopf 23 über die Kappe 2k und den Isolator 25 gesteuert. Die Zuführrolle ist in der Figur durch die Rolle verdeckt.

Die

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Die photographische Verschlußwirkung wird vorzugsweise durch Auslöschen des Ionenstrahls mittels irgendeiner bekannten Vorrichtung, beispielsweise einer Anordnung von Ablenkplatten erreicht, welche leicht in Strahlungsrichtung vor dem rohrförmigen Organ 35 angeordnet werden können.

Das magnetische Prisma ermöglicht daher die Überwindung der ersten beiden obengenannten Schwierigkeiten, d.h. der Schwierigkeiten, welche die Erzielung photographischer Aufzeichnungen innerhalb des Gehäuses 32 betreffen.

Die dritte Schwierigkeit wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Wandlers gelöst, wobei dieser Aufbau so gewählt ist, daß die Verwendung einer sehr einfachen Kamera mit kleinen Abmessungen ermöglicht wird, wobei deren ganzer Film in einem Bereich angeordnet ist, der im wesentlichen auf dem gleichen Potential liegt, was die Folge hat, daß die Gefahr von Glimmentladungen beseitigt wird. Die isolierenden Organe, durch welche die Kamera am Steuerknopf 23 befestigt ist, sind innerhalb des isolierenden Gehäuses angeordnet, wobei der Steuerknopf23der einzige außerhalb der Anlage angeordnete Teil ist.

Weiter liegt ein wichtiger Vorteil dieses Aufbaus darin, daß im Vergleich mit einer bekannten Vorrichtung die Belichtungszeit wesentlich verkürzt wird (in der Praxis sind die

209 814/0322 Belichtungszeiten

Belichtungszeiten mehrere zehnmal kürzer) und dies ist sehr wichtig in Fällen, in welchen sich das Ionenbild schnell entwickelt.

Mit dem Lumineszenzschirm kann eine Vorrichtung zur Durchführung einer quantitativen Mikroanalyse in kleinen Flächen verbunden sein, durch welche der einem sehr kleinen Bruchteil der Oberfläche des Gegenstands, von welchem das Ionenbild hergestellt wird, entsprechende Ionenstrom gemessen werden kann und dies ist natürlich ein sehr interessanter Faktor in Fällen, in denen der Wandler mit einem Ionenmikroanalysator verbunden ist.

Diese Vorrichtung ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Der Lumineszenzschirm ist mit einer kleinen öffnung 26 versehen. Durch diese öffnung fällt ein dünner Elektronenstrahl, dessen Intensität proportional zu derjenigen des Ionenstrahls ist (in einem Ionenmikroanalysator bezüglich des Ladungs-Massenverhältnisses der Ionen gefiltert), welcher aus der kleinen Probefläche austritt, deren Bild mit der Schirmöffnung zusammenfällt.

Der Durchmesser der öffnung ist beispielsweise 0,5 mm, was bei einer angenommenen Vergrößerung des Wandlers von 10 und einer Gesamtvergrößerung des Analysators von 100 einem Kreis mit einem Durchmesser von 0,05 mm auf der Kathode des Wand-

lers 209814/0322

lers und einem Kreis mit 5 u- Durchmesser auf der Probe entspricht.;

Die Intensität des Strahls wird mittels einer lumineszierenden Substanz 27 gemessen, welche in bekannter Weise mit einem Photovervielfacher 28 über einen isolierenden Lichtleiter 29 gekoppelt ist. Der letztere kann durch ein optisches Linsensystem ersetzt werden.

Eine weitere Kombination kann beispielsweise eine dritte Lage für das Elektronenbild umfassen^ wobei diese dritte Lage um 90° gegen die vorher erwähnten versetzt ist. In einem diesem Bild entsprechenden Querschnitt des Elektronenstrahls ist, ein lumineszierendes Element vorgesehen, dessen Fläche größer ist als die Querschnittsfläche des Strahls und welches gleichermaßen durch optische Einrichtungen mit einem Photovervielfacher gekoppelt ist.

Auf diese Weise ist es möglich, die Intensität des Ionenstrahls für jeden Teil der Oberfläche der zu analysierenden Probe zu messen und das der gesamten Fläche entsprechende Gesamtmassenspektrum zu erhalten.

Figur 4 zeigt die Wirkungsweise des magnetischen Prismas gemäß Figur 3, welches im Fall eines Bildwandlers sorgfältig ausgebildet sein muß, damit eine Verzerrung des Elektronenbildes vermieden wird.

2 0981 k /0322 in

In Figur ¹J ist das magnetische Prisma einfach durch einen äußeren Umriß E, F, G₉ H in der Ebene des der Figur 3 entsprechenden Vertikalschnitts dargestellt, wobei angenommen wird, daß das Prisma sich in der Lage befindet, welche es in Figur 3 einnimmt.

Dieser Umriß begrenzt senkrecht zur Ebene der Figur das Volumen, innerhalb welchem ein gleichförmiges Magnetfeld senkrecht zur Ebene der Figur erzeugt werden muß, welches in diesem Fall vorwärts gerichtet ist. Dieser Umriß ist aus nachfolgend näher zu erläuternden Gründen trapezförmig.

Es ist ersichtlich, daß in Abwesenheit des magnetischen Prismas das vom Wandler erzeugte Elektronenbild des Ionenbilds AB bei ab gebildet wird.

Dieses Bild ab spielt die Rolle eines virtuellen Gegenstandes für das Prisma, wobei das Prisma die Aufgabe hat, ein reales Bild von ab an der der Stelle a'b¹ zu bilden, welches aus der Achse versetzt ist.

Das magnetische Prisma ist so ausgebildet, daß Jegliche chromatische Aberration und Jeglicher Astigmatismus auf

einen vernachlässigbaren Wert vermindert ist.

Figur

2098U/0322

Figur 5 zeigt in Schrägansicht eine praktische Ausführungsform des Prismas.

Sein Volumen wird von dem geraden Prisma mit den Grundflächen C, C₂, D₂, D und C^, C,, D,, D. begrenzt, wobei der Punkt C₁ durch den Körper des Prismas in der Figur verdeckt ist. Die zwei Grundflächen des Prismas sind zwei gleiche, gleichschenklige Trapeze, deren kürzere Grundlinien C₂, Da bzw. C,, D-, sind. Die Verlängerungen der nichtparallelen Seiten C, C und D, D₂ des Trapezes C, C₂, D₂, D treffen sich in einem Punkt S. Dem Winkel CSD wird der weiter unten erläuterte Wert γ gegeben.

Körperlich wird das Prisma von zwei ferromagnetischen Komponenten gebildet, welche äußerlich durch die gleichschenkligen Trapeze C, D, C₂, D₂ und C₁, D₁, C,, D, begrenzt werden, wobei diese beiden Komponenten miteinander durch zwei parallel zueinander angeordnete, rechteckige Dauermagneten miteinander verbunden sind, welche sowohl mechanisch als auch magnetisch parallel liegen.

Die zwei ferromagnetischen Komponenten, welche äußerlich durch die Trapeze C-,. D, C₂, D₂ und C₁, D₁, C₅, D^ begrenzt werden, sind auf ihren gegeneinanderweisenden Flächen mit zwei vorspringenden Teilen versehen, welche zwischen sich einen schmalen Spalt einschließen, der so ausgebildet ist,

daß 20981 4/0322

daß er die Strahlen durchläßt und im wesentlichen dem in Schnitt in Figur H dargestellten Volumen entspricht.

Das Prisma ist in dem Gerät so angeordnet, daß:

1. das System von Achsen, welches gebildet wird von

der Schnittlinie der Eintrittsfläche des Prismas und der Mittelebene des genannten Spalts, wobei diese Schnittlinie auf den Scheitel des Flächenwinkels zwischen der Eintritts- und Austrittsfläche des Prismas zu gerichtet ist,

das Magnetfeld und

die Achse des Wandlers, welche in der gleichen Richtung wie der Elektronenfluß gerichtet ist,

einen direkten oder geraden Dreikantwinkel bildet;

2. die Eintrittsfläche des Prismas in bezug auf eine einem rechtwinkligen Querschnitt durch den Wandler entsprechende Ebene unter einem Winkel geneigt ist, welcher weiter unten ausführlicher erläutert wird.

Die aus der Emissionslinse austretenden Elektronen haben eine bestimmte Energieverteilung und dies bedeutet, daß nach Ablenkung des Strahlenbündels durch das magnetische Prisma im Bild eine "chromatische" Aberration auftritt.

2098U/0322 · ^Dlese

V/bflbö

Diese Aberration wird umso geringfügiger sein» Je kleiner der Ablenkwinkel oc des Mittelstrahls des Elektronenbündels ist.

Damit das Bild a'b' stigmatisch ist, müssen die radiale und die transversale Brennlinie des Prismas zusammenfallen. Zu diesem Zweck kann die Neigung der Eintritts- und Austrittsfläche des Prismas eingestellt werden. Es kann theoretisch gezeigt werden (beispielsweise unter Verwendung von auf der Cotteschen Theorie beruhenden Formeln), daß zur Erzielung von Stigmatismus im Fall eines kleinen Winkels oc der Winkel zwischen der Eintrittsfläche des Prismas und einer Ebene senkrecht zum Mittelstrahl des einfallenden Strahlenbündels und der Winkel zwischen der Austrittsfläche des Prismas und einer Ebene senkrecht zum Mittelstrahl des austretenden Bündels jeweils gleich +oc/4 bzw. - <x/*J sein soll, woraus sich der trapezförmige Umriß des magnetischen Prismas ergibt. (|

In der Praxis wird diesen beiden Winkeln der gleiche Absolutwert/3 erteilt, welcher nahe an oc/H liegt und wird so eingestellt, daß vom Standpunkt des Stigmatismus und der Abwesenheit von Verzerrung das beste .Ergebnis erzielt wird.

Wenn

2098 1 A/0322

Wenn der Winkel lh bestimmt ist, ist nicht schwierig

zu sehen, daß der Winkel γ (Figur 5) gleich 2 β sein soll.

δ '

Es wird hier daran erinnert, daß der Ausdruck "magnetisches Prisma¹' jede Vorrichtung bedeuten soll, mit der es möglich ist, in einem teilweise durch einen Flächenwinkel begrenzten Spaltbereich ein Magnetfeld zu erzeugen, welches im wesentlichen gleichförmig und parallel zum Scheitel oder zur Kante des Flächenwinkels ist. Das magnetische Prisma gemäß Figur 3 kann auch ein Elektromagnet sein, in welchem Fall unterschiedliche Abweichungen des Elektronenbündels ohne eine mechanische Drehung des Ablenkorgans durch Veränderung der Stärke des Induktionsfeldes erzielt werden können. Die Verwendung eines Dauermagneten beseitigt jedoch jegliche VersorgungsSchwierigkeit, welche auf der Verwendung eines Elektromagneten beruht, der sich auf dem Nachbeschleunigungspotential befinden muß.

Figur 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform des elektrooptischen Aufbaus des Auffang- oder Nachweisteils eines mit Szintillation arbeitenden Massenspektrometers mit einem erfindungsgemäßen Ionen-Elektronenwandler.

Es ist leicht zu sehen, daß in diesem Fall die Schwierigkeit bezüglich des magnetischen Ablenkgliedes im Verhältnis

zum

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zum Pall eines Bildwandlers sehr stark vereinfacht ist, "da hier die Bildverzerrung keine Rolle spielt.

Beispielsweise wird angenommen, daß der bezüglich des Ladung-Ionenverhältnisses gefilterte Ionenstrahl aus einem auf Erdpotential befindlichen Raumbereich kommt und eine Energie von etwa 5 keV besitzt, wenn er die Eintrittsblende 80 durchsetzt, die in Figur 6 gezeigt ist, und einen Teil einer geerdeten Umfassung 82 darstellt, von welcher nur ein Teil in der Figur gezeigt ist.

Es wird ebenfalls angenommen, daß das Strahlenbündel aus einem optischen System austritt, so daß es vor dem Durchtritt durch diese Blende einen Einschnürungspunkt I aufweist.

Unter den oben genannten, beispielsweise angegebenen Bedingungen, welche zeigen sollen, wie das Problem des Betriebs der Anordnung sowohl mit positiven Ionen als auch mit negativen Ionen vorteilhaft gelöst werden kann, kann die elektro-optische Anordnung vorteilhaft in folgender Weise ausgebildet werden:

Innerhalb des leitenden Gehäuses 82 weist der Wandler

einen 209814/0322

einen leitenden zylindrischen Teil 50 auf, dessen zwei Grundflächen mit öffnungen versehen sind und zwei weitere Blenden 5^ und 55 für das einfallende Strahlenbündel bilden, worauf eine ebene Elektrode 56 parallel zu den Grundflächen des Zylinders folgt, welche den Sekundärelektronen aussendenden Auffänger bildet. Die Achse des Geräts verläuft durch die Mitten der aufeinanderfolgenden Blenden. Innerhalb des Zylinders 50 ist ein magnetisches Ablenkorgan, vorzugsweise ein Dauermagnet, angeordnet, welcher in diesem Beispiel in einer festen Lage angenommen wird und ein Magnetfeld senkrecht zur Pigurenebene in dem kreisförmigen schraffierten Bereich 57 derselben erzeugt, was bedeutet, daß der Spalt dieses Magneten einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Ein ebener Szintillator 58 überdeckt eine öffnung in der Wand des Gehäuses 50.

Eine Spannungsquelle 62 mit 40 kV wird verwendet, deren positive und negative Klemme mit den beiden Widerständen bzw. 72 verbunden ist, welche eine gemeinsame Klemme 73 besitzen. Der Wert des Widerstands 72 ist dreimal so groß wie derjenige des Widerstands 71.

Die positive und die negative Klemme der Spannungsquelle sind außerdem mit den festen Kontakten ρ bzw. η eines Schalters 63 verbunden, dessen beweglicher Kontakt geerdet ist.

Wenn

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■■■'.'- 23 -

Wenn positive Ionen verwendet werden, befindet sich der Schalter 63 in der Stellung "p", wobei die Klemme 73 und die Wände des Gehäuses 50 sich auf dem Potential -10 kV und der Elektronen aussendende Auffänger 56 auf -40 kV befindet. "

Die einfallenden lohen werden zwischen den Blenden 80 und 5¹J und weiterhin zwischen der Blende 55 und dem Auffänger 56 beschleunigt, wobei die beiden ersteren Blenden zu-

sätzlich eine Sammellinse bilden, welche allein die Er- ^

zeugung eines weiteren Einschnürungspunktes I nach dem Auffänger 56 hervorrufen würde.

Das entsprechende Ionenbündel P ist in der Figur in ausgezogenen Linien dargestellt, wobei seine virtuelle Verlängerung (ohne Berücksichtigung der Sammelwirkung der Linse 55-56) nach dem Auffänger 56 in strichpunktierten Linien dargestellt ist.

Die vom Auffänger 56 ausgesandten Sekundärelektronen werden zu einem Sekundärstrahlenbündel zusammengefaßt und durch die Potentialdifferenz von 30 kV zwischen dem emittierenden Auffänger 56 und der Blende 54 beschleunigt. Beim Eintritt in den Bereich 57 werden sie um einen Winkel von 90° zum Szintillator 58 hin abgelenkt. Die Einstellung des Magnetfelds, damit es eine derartige Ablenkung von

Elektronen 20 9 8 U/ 032 2 '

Elektronen mit einer Energie von etwa 30 keV bewirkt, verändert natürlich die Bahn des einfallenden Ionenbündels mit einer Energie von 5 + 10 = 15 keV nicht wesentlich.

Das Elektronenbündel ist bei Et£dargestellt.

Der Szintillator 58 ist in bekannter Weise optisch durch ein sammelndes optisches System 59 mit einem-Photovervielfacher 61 gekoppelt, welcher hinter einer Durchlaßöffnung 60 in der Wand 82 des Geräts angeordnet ist.

Wenn negative Ionen verwendet werden, wird der Schalter in die Stellung "n" gebracht und der Zylinder 50 wird auf ein Potential von + 30 kV gebracht, während der Auffänger 56 geerdet wird. Die Ionen des einfallenden Strahlenbündels werden durch die Potentialdifferenz von + 30 kV zwischen den Blenden 82 und 54 beschleunigt. Die Sammelwirkung der durch diese beiden Blenden gebildeten Linse ist wesentlich stärker als im Fall von positiven Ionen und das Strahlenbündel zeigt daher einen tatsächlichen Einschnürungspunkt I innerhalb des zylindrischen Teils 50 und divergiert wiederum, so daß es in Höhe des Auffängers 56 im wesentlichen den gleichen Querschnitt besitzt wie das Strahlenbündel P. Das negative lonenbündel Ng 1st in der Figur in gestrichelten Linien dargestellt.

Das

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Das Verzögerungspotential von 30 kV für das negative Ionenbündel zwischen den Elektroden 55 und 56 beläßt diesem Strahlenbündel noch seine anfängliche Energie von 5 keV, was zur Auslösung einer Sekundärelektronenemission ausreicht.

Was diese Sekundärelektronen betrifft, werden sie genau den gleichen Bedingungen unterworfen wie im Fall eines positiven Ionenbündels, wobei die Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 56 und der Eintrittsblende 80 wiederum + 30 kV beträgt.

In diesem Fall kann natürlich ebenfalls ein prismatischer Magnet wie auch ein Elektromagnet verwendet werden.

Patentansprüche

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Ionen-Elektronenwandler mit einem Gehäuse, welches eine Fläche mit einer öffnung aufweist, die eine Eintrittsblende für ein einfallendes Ionenbündel bildet, wobei das Gehäuse enthält: einen Auffänger, welcher Elektronen in Abhängigkeit von dem Aufprall von Ionen aussendet, wobei dieser Auffänger gegenüber der Eintrittsblende angeordnet ist und die senkrecht auf dem Auffänger stehende und durch die Mitte der Blende gehende Gerade als Achse des Wandlers bezeichnet wird, sowie in der Umgebung des Auffängers eine Einrichtung zum Sammeln der Elektronen in einem Sekundärstrahlenbündel, dessen Achse im wesentlichen mit der Wandlerachse zusammenfällt, gekennzeichnet durch eine zwischen der Sammeleinrichtung und der Eintrittsblende angeordnete magnetische Einrichtung zum Ablenken des Sekundärstrahlenbündels in einer Richtung, welche einen Winkel mit der Wandlerachse einschließt.

2. Ionen-Elektronenwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur Änderung der genannten Richtung.

3. Ionen-Elektronenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einrichtung aus einem Dauermagneten besteht.

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4. Ionen-Elektronenwandler nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet zur Erzeugung einer magnetischen Induktion senkrecht zur Wandlerachse geeignet ist und daß die Steuereinrichtung eine mechanische Einrichtung zum Drehen des Dauermagneten um die Wandlerachse ist.

5. Ionen-Elektronenwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung eines Ionen-

■ en

bildes in ein Elektronenbild der.Wandler ein/Lumineszenzschirm und einen Träger, einer phot ο graphischen Emulsion aufweist_r welche beide so angeordnet sind, daß sie die Wandieraehse nicht schneiden, und gegenseitig so angeordnet sind, daß sie das Sekundärelektronenbündel bei einer ersten bzw. zweiten Einstellung der genannten Richtung empfangen.

6. Ionen-Elektronenwandler nach Anspruch 5_a dadurch gekennzeichnet, daß der Lumineszenzschirm mit einer kleinen Öffnung versehen ist, und daß eine Einrichtung zum Messen der Stärke des durch die letztgenannte Öffnung tretenden Elektronenstroms vorgesehen ist.

7. iönen-Elektronenwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine leitende Umfassung innerhalb des Gehäuses zwischen der Eintrittsblende urid dem Auffänger_Ä wobei

die 2098H/0322 .

die Umfassung die magnetische Einrichtung umfaßt und zwei Flächen besitzt, welche senkrecht zur Wandlerachse liegen, jeweils mit auf der Wandlerachse gemitteten Öffnungen versehen sind und eine zweite und dritte Blende für das einfallende Ionenbündel bilden, eine Einrichtung, welche die erste Blende, die leitende Umhüllung und den Auffänger jeweils auf ein erstes, ein zweites bzw. ein drittes Potential bringt, und durch eine Schalteinrichtung, welche gleichzeitig das zweite und dritte Potential derart verändert, daß wahlweise das zweite Potential bezüglich des ersten Potentials negativ oder positiv gemacht wird, ohne daß die Differenz zwischen dem zweiten und dritten Potential verändert wird.

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