DE1908395A1

DE1908395A1 - Scintillations-Ionendetektor

Info

Publication number: DE1908395A1
Application number: DE19691908395
Authority: DE
Inventors: Strausser Yale E
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1968-03-04
Filing date: 1969-02-20
Publication date: 1969-09-25
Also published as: GB1202004A; FR2003139A1; US3538328A

Description

Photovervielfachers ist ein Mass für den Ionenstrom des Strahls. Der Ionendetektor nach der Erfindung ist durch einen extrem einfachen Aufbau gekennzeichnet, so daß die Herstellungskosten verringert werden. Die hohle Sekundäremissionselektrode erleichtert die Fokussierung der Sekundärelektronen. auf den Scintillator, so daß die Empfindlichkeit des Ionendetektors verbessert wird.

Stand der Technik»

Es sind bereits Sointillations-Ionehdetektoren "bekannt. Bei diesen ■bekannten Detektoren "bombardiert der Ionenstrahl eine knopfförmige Sekundäremitterelektrode. Diese Sekundärelektronenemission von der Knopfelektrode wurde auf einem Scintillator gesammelt, um die Sekundärelektronen in optische Photonen umzuwandeln. Die Photonen wurden durch ein"Fenster des evakuierbaren Gefäases zu einer Photovervielfacherröhre durchgelassen» Scintillations-Ionendetektoren dieser Art eind beschrieben, in "Review of Scientific Instruments" _t Band 37» Ho. 10, Oktober 1956, Seiten 1385 - 1390 und Band 31, Hb. 3, März 1960, Seiten 264 - 267.

Bei diesen bekannten Ionendetektoren war der Aufbau relativ kompliziert, weil die axiale Symmetrie fehlte. Im Betrieb traten positive Ionen längs einer Achs· ein und wurden quer zur Aohse auf ein Target, ein· Sekundäremitterlektrod·, gezogen, die quer mit Bezug auf die Achse angeordnet var. Sie Sekundärelektronen, die vom Target emittiert wurden, wurden über die Strahlaohse auf einen Scintillator und eine Photovervielfachereinheit gerichtet, die quer zur Strahlaohse angeordnet waren. Demaufolg· hatte der Ionendetektor eine allgemeine T-Form ait drei relativ aufwendigen vakuumdichten Flanschen auf drei Seiten* Darüber hinaus ergab sich eine relativ schlechte Fokussierung der Sekundärelektronen auf den Scintillator, so daß aioh nicht die optimale Detektiarempfindlichkeit ergab.

909839/1008

33 besteht deshalb ein Bedarf für einen besseren Scintillationslonendetektor mit einfacherem Aufbau und verbesserter Sekundärelektronenfokussierung.

Zusammenfassung der Erfindung;

Durch.die Erfindung soll deshalb ein verbesserter Scintillations-Ionendetektor verfügbar gemacht werden.

Erfindungsgemäss wird ein Scintillations-Ionendetektor mit einer Sekundärelektrode verfügbar gemacht, die eine Bohrung aufweist, die koaxial zum Weg des zu detektierenden Ionenstrahls angeordnet ist. Im Betrieb werden die zu detektierenden Ionen auf den Innenseiten der Bohrungen gesammelt, um die Sekundärelektronenemission hervorzurufen. Die Sekundärelektronen werden am stromabwärtigen Ende der Bohrung herausfokussiert, und zwar auf einen Scintillator-Photovervielfacher, der axial ausgefluchtet zum Ionenstrahlweg und zur Bohrung angeordnet ist, so daß die Geometrie des Scintillations-Ionendetektors vereinfacht wird.

Gemäss einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Bohrung in der Sekundäremitterlektrode konisch geformt, und weist das kleine Ende der Bohrung stromaufwärts zum Ionenstrahlweg und das grosse Ende der Bohrung ist einem plattenförmigen Scintillator gegenüber angeordnet, so daß die Fokussierung der Sekundärelektronenemission auf die Scintillatorplatte erleichtert ist, um eine bessere Ionendetektierempfindlichkeit zu erhalten,,·

V/eitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

lfs. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Scintillations-Ionendetektor;

909839/1008

COPY

Pig. 2 aohematisch einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1 j und Pig« 3 den in Fig. 1 mit der Linie 3-3 umschlossenen Teil vergrössert.

Der in der Zeiohnung dargestellte Sointillations-Ionendetektor 1 weist einen rohrförmigen Körper 2, beispielsweise aus rostfreiem St~ahl, auf, der an einem Ende 3 mit einem Plansch versehen ist, mit dem er vakuumdicht an das Vakuumgefäss einer Einrichtung angesetzt werden kann, die einen Ionenstrahl 4 liefert_f dessen Strom gemessen werden soll. Das andere Ende des rohrförmigen Körpers 2 ist mit einem Flansoh 5 versehen, um eine vakuumdichte Verbindung mit einem ringförmigen Metellrahmen 6 eines optisch transparenten Fensters 7 in Form einer kreisförmigen Platte, beispielsweise aus Glas, herzustellen, das dioht über das stromabwärtige Ende des rohrförmigen Körpers 2 gesetzt ist und diesen abschliesst.

Eine leitende querliegende Scheibe 8 ist über dem stromaufwärtigen Ende des Detektorkörpers 2 angeordnet und weist eine zentral liegende Ionenstrahlöffnung 9 auf, durch die der Strahl 4 in den Detektor 1 eintritt. Eine Sekundärelektronenemitterelektrode 11 mit einer axialen Bohrung 12 ist auf der Achse des Strahlweges 4 zwischen der Strahleingangszwischenwand und dem Fenster 7 angeordnet. Die Innenseite der Bohrung 12 besteht aus einem Material mit einem guten Sekundärelektronenemissionsverhältnis, beispielsweise rostfreiem Stahl. Die Emitterelektrode 11 wird mit einer geeigneten negativen Spannung, beispielsweise «0,1 - 10 kV gegenüber dem Körper 2 über einen Durchführungsisolator 13 und eine Leitung 14 versorgt.

Eine Sointillationssohicht 15 ist auf der zur Sekundäremitterelektrode 11 weisenden Seite der Fensterplatte 7 angeordnet. Der strukturelle Aufbau des Sointillators 15 und d«s Fensters ist in Fig. 3 dargestellt. Das Fenster besteht aus einer kreisförmigen Soheibe oder Platte 7 aus Glas, auf der die Sointillatorphosphorsohioht 15 in einer Dicke von etwa 10 Mikron niedergeschlagen ist. Eine Photovervielfaoherröhre

- 5 909839/1008

17f beispielsweise ein Photovervielfacher vom Typ RCA 4517» axial mit dem Ionenstrahlweg 4 ausgefluchtet und auf der Aussenseite des Fensters 7 angeordnet. Ein rohrförmiger Adapter 1Θ hält die Photovervielfaoherröhre 17 am rohrförmigen Detektorkörper 2. Die spektrale Verteilung des Phosphors 15 soll an die spektrale Empfindlichkeit des Photovervielfaohers 17 angepasst sein.

Ein geeigneter Phosphor 15 ist ein Sylvania- oder HCA-P-4-Phosphor. Eine dünne loohfreie leitende Sohicht 16, beispieleweise aus Aluminium, ist in einer Stärke von etwa. 2000 AE auf der innenseitigen Oberfläche des Phosphors 15 niedergeschlagen, beispielsweise aufgesprüht. Die Aluminiumschicht 16 soll frei von Löohern sein, um eine undurchsichtige Sperre zwisohen dem Strahleingangssohlitz 9 und dem Phosphor 15 und der Photovervielfaoherröhre 17 zu bilden, damit Lichtphotonen, die in die Ionendetektorkammer 2 eintreten oder in dieser erzeugt werden, daran gehindert werden, duroh die Sohioht 16 in den Fotovervielfacher einzutreten, um Untergrundrauschen oder Dunkelstrom zu erzeugen· Die Aluminiumsοhioht 16 dient ala elektronen·· durchlässige Elektrode und ist elektrisch geerdet bzw. liegt auf des Potential des Körpers 2. Statt deasen kann die llektrode 16 auch gewünsch tenf al Is auf einem unabhängigen Potential betrieben werden.

Im Betrieb laufen positive Ionen, die in die Strahleingangsöffnung 9 eintreten, in die Sekundäremisaionaelektrode 11 und werden allgemein unter Glan*-Auftreffwinkeln auf den Innenseiten 12 dea Sekundär· emitterβ geaamaelt. Sekundärelektronen, die to» Emitter 12 emittiert werden, werden auf die leitende Sohioht 16 und die Scintillationsschicht 15 fokussiert. Die Spannungen aind ao gewählt, daß die Elektronen durch die aehr dünne Aluminiumelektrode 16 und in den Phoaphor 15 getrieben werden. In der Phoaphorsehioht werden die energiereichen llektronen gefangen und erieugen emittierte optieohe Photonen P, die duroh daa optiaoh transparente Penater 7, beiapielaweiae aua Olaa, in die Photovervielfaoherröhre eintreten. Im Photorervielfaoher 17 werden die Photonen in einen Ilektronenatrom umgewandelt, ui& in der Photo»

909839/1008

vervielfacherröhre kann eine erhebliche Verstärkung erreicht werden. Die Aluminiumelektrode 16 dient auch dazu_f Photonen durch das Fenster 7 zu reflektieren, die nach dem Scintillationsereignia im Phosphor 15 rückgestreut werden, so daB auf diese Weise der Wirkungsgrad verbessert wird, mit dem die Elektronen in nutzbare Photonen umgewandelt werden, d.h. Photonen, die von der Photovervielfacherröhre 17 detektiert werden können.

Dadurch, daß die Bohrung 12 der Sekundäremiseionselektrode 11 konisch gemacht worden, ist, wird die Auebeute der Sekundärelektronenemiäsion verbessert, weil die Ionen wahrscheinlicher auf der Sekundäremissionsfläche 12 unter Glanz-Auftreffwinkeln gesammelt werden, so daß die Sekundärelektronenemissionsausbeute verbessert wird. Darüber hinaus erleichtert die konisch· Fora der Bohrung 12 die Fokussierung der emittierten. Elektronen auf einen Fleck auf dem Scintillator 15» so daB die Möglichkeit verkleinert wird, daB einige der Elektronen entweichen, ohne Photonen im Scintillator 15 zu erzeugen. Wenn die Elektronen auf einen -^leck auf dem Phosphor 15 fokussiert werden, wird die Grosse der erforderlichen Eingangsöffnung der Photovervielfaoher« röhre 17 verringert, so daB wiederum der unerwünschte Dunkelstron herabgesetzt wird. Die axiale Symmetrie des Detektors 1 erleichtert ihre Konstruktion und ergibt dadurch kleinere Herstellungskosten.

Der Ionendetektor 1 nach der Erfindung ist besonders brauchbar zur Messung des Ionenstrahlausgangs eine· Massenspektrometer oder Ionen-Takuiuunetersy und ist besonders brauchbar zur Verwendung in einem elektrostatisch fokussierten Massenspektrometer. Im letzteren Falle erleichtert der den Strahl umfassende Aufbau der Sekundärelektronen« emissionselektrode die Sanlung von Ionen nit merklichen Sesohwindigkeitskoaponenten quer sum Ionenstrahlweg 4» der Ionendetektor 1 kann auch günstig in magnetisch fokussierten Massenspektrometer^ verwendet werden, in solchen Fällen ist es jedoch allgemein erwünscht, einen

909839/1008

COPY

Magnetachirm vorzusehen, der den Ionendetektor 1 umgibt, um das Magnetfeld des Spektrometers aus den Bereichen der Sekundäremiseionselektrode 11 und des Photovervielfachers 17 heraus zu schirmen. Wenn, der Ionenstrom für relativ leichte Ionen gemessen wird, "beispielsweise Heliumionen, kann der Gewinn des Ionendetektors 1 leicht dadurch verändert werden, daß die Spannung an der Sekundäremi3sionselektrode 11 geändert wird. Der Gewinn, oder die Verstärkung, kann

3 9
beispielsweise von 10 - 10 geändert werden, wenn die Minusspannung an der Sekundäremitterelektrode 11 von -500 ToIt auf - 7,5 kT verändert wird· Wenn eine Sekundäremissionselektrode 11 aus rostfreiem Stahl verwendet wird, wird der Ionendetektor 1 von Oberflächengaaen nicht beeinflusst, die dazu neigen, sich im Betrieb auf den Oberflächen der Elektroden zu sammeln. Bei einem Ausführungsbeispiel eines Ionendetektors nach der Erfindung hatte die Ionenkollektorelektrode 11 einen Konuswinkel von 40°, d.h. der halbe Winkel der Kegelspitze betrug 40 , oder mit anderen Worten der Konuespitzenwinkel betrug 80 .

909839/1008

COPY

Claims

190839S

8 Vi P2O5 B

Pat entaneprfiche

11J Seintillations-Ionendetektor, bestehend au« einer Sekundäremitterelektrode , die von cu detektierenden Ionen bombardiert wird und entsprechend Sekundärelektronen emittiert, einem Scintillator, der mit den emittierten Sekundärelektronen bombardiert wird und daraufhin optische Photonen emittiert, einem optisch transparenten gasdichten Fenster in einem evakuierbaren Gefäße, das die Sekundäremitterelektrode und den Scintillator enthält, und einem optischen Detektor, der so angeordnet ist, daß er die optischen Photonen aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daS die Sekundäremitterelektrode eine Bohrung aufweist, die den Ionen»trahlweg umgibt, und die Wände dieser Bohrung des Sekundäretektronenemitter bilden, so daß die Ionen an einem Ende in die Bohrung eingelassen werden und auf den Innenseiten der Bohrung gesammelt werden, um die Sekundärelektronen zu erzeugen, die durch die Inneneeiten der Bohrung auf den Scintillator fokussiert werden*

2. Ionendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung in der Sekundäremitterelektrode konisch geformt ist und koaxial relativ zum*Ionenstrahlweg so angeordnet ist, daß ihr kleines Ende stromaufwärts zum Ionenstrahlweg zeigt.

J. Ionendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Fenster eine Platte ist, die den Scintillator auf der Innenseite trägt, die Ebene der Platte im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Elektrodenbohrung liegt und das stromabwärtige Ende der Elektrodenbohrung so angeordnet ist, daß es zu dieser Platte weist, um die Sekundärelektronen am stromabwärtigen Ende der Bohrung heraus auf den Scintillator zu fokussieren·

909839/1008

4· Ionendetektor nach Anspruoh 3i dadurch gekennzeichnet, daß ein Photovervielfacher in der Nähe der Ausaenaeite der Fensterplatte angeordnet ist, um die optischen Photonen zu detektieren und der Photovervielfacher in axialer Ausfluchtung mit der Längsachse der Elektrodenbohrung angeordnet ist.

909839/1008

Leerseite