DE19740807A1 - Verfahren und hochauflösendes Impulsmikroskop zum Nachweis geladener Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung dynamischer Prozesse in atomaren und/oder molekularen Systemen an Festkörperoberflächen, bei dem ein Projektilstrahl auf ein festes Target geschossen wird und die beim Prozeß freigesetzten geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen und Ionen, auf mindestens einem Detektor nachgewiesen werden. Die Erfindung betrifft auch ein Impulsmikroskop zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 9.

Mikroskope, wie zum Beispiel das Elektronen- oder Raster-Tunnel-Mikroskop können bereits mit einer Genauigkeit im subatomaren Bereich statische Strukturen darstellen. Sie bieten jedoch aufgrund ihrer Funktionsweise prinzipiell nicht die Möglichkeit sehr schnelle, dynamische Prozesse in atomaren Systemen zu betrachten, oder eine zeitlich aufgelöste Einzelereignisuntersuchung durchzuführen. Sie sind zeitlich integrierende Verfahren, bei der die Bildinformation durch Anhäufung von vielen Ereignissen (beim Elektronenmikroskop) oder durch statische Strommessung (beim Raster-Tunnel-Mikroskop) erfolgt. Solche Mikroskope messen dispersiv im Ortsraum, wobei die Bestimmung der Impulse der betrachteten Teilchen nicht möglich ist.

Flugzeit-Massenspektrometer zur Bestimmung des Ladungs-zu-Masse-Ver­ hältnisses von Atomen oder Ionen existieren bereits sei einiger Zeit. Diese Massenspektrometer beschleunigen Ionen durch elektrostatische Felder auf Fotoplatten oder andere Detektoren für atomare Teilchen, und vermögen damit auch prinzipiell, je nach verwendetem Nachweissystem, jedes einzelne Teilchen zeitaufgelöst nachzuweisen. Sie verwenden jedoch Feldanordnungen, die durch eindimensionale Fokussierung zwar mit hoher Präzision die Massenbestimmung durch eine reine Flugzeitmessung erlauben, aber keinerlei Information über den Impulszustand der Teilchen und damit über die Dynamik eines solchen Prozesses liefern. Im Gegenteil sind für diese Verfahren die Impulse als Störung der eigentlichen Meßgröße zu betrachten, so daß sie darauf optimiert sind, deren Auswirkungen zu minimieren. Die genaue Funktionsweise ist zum Beispiel in der Diplomarbeit "Laserspektroskopische Untersuchungen zum Ladungstransfer in molekularen Aggregaten" von Armin Gerlach, vorgelegt an der Universität Frankfurt, nachzulesen.

Die Messung des Impulses eines Teilchens einer atomaren Stoßreaktion, z. B. klassische Elektronenspektroskopie, ist eine vielseitig anwendbare Technik. Sie liefert alle drei Impulskomponenten des nachgewiesenen Elektrons, allerdings nur für einen winzigen Nachweisraumwinkel von typischerweise 10^-4, weil die Auflösung durch Aufstellen einer kleinen Blendenöffnung in großem Abstand zum Reaktionsvolumen erfolgt. Deshalb registriert man nur noch diejenigen Teilchen, die durch die Öffnung auf einen Zähler treffen.

Es handelt sich bei solchen klassischen Elektronenspektrometern um reine Einteilchennachweissysteme. Es werden keine elektromagnetischen Felder zur Extraktion der Elektronen verwendet. Im Gegenteil werden elektrische und magnetische Felder so gut wie möglich abgeschirmt, bzw. werden kompensiert, da sie für diese Meßtechnik eine Störung darstellen. Durch die extrem kleine Nachweiseffizienz ist eine Koinzidenzmessung zwischen zwei solchen Zählern schon außerordentlich schwierig, da die Koinzidenzraten sehr klein und das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis sehr schlecht sind. Eine Koinzidenz von mehr als zwei solchen Zählern verbietet sich praktisch völlig, insbesondere deshalb, weil man um den gesamten Halbraum, oder zumindest einen großen Teil davon abzudecken, auch noch die Blenden über alle Raumrichtungen scannen müßte.

Es existieren bereits auch Apparaturen, die in der Lage sind, Impulse und das Ladungs-zu-Masse-Verhältnis von positiv geladenen Ionen, entstanden aus den Targetatomen in Stoßreaktionen (Rückstoßionen), und/oder Elektronen zu bestimmen. Diese arbeiten aber ausschließlich mit gasförmigen Targets. Weiterhin verwenden diese zumeist homogene elektrostatische Felder zum Extrahieren der geladenen Fragmente. Die genaue Funktionsweise dieser Verfahren ist in V. Mergel: "State Selective Scattering Angle Dependent Capture Cross Sections Measured by Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy", Physical Review Letters 74 2200, 1995 nachzulesen. Eine Weiterentwicklung dieser Methode verwendet zwischen zwei homogenen Feldbereichen eine elektrische Linse, um die Unschärfe des Startortes zu fokussieren. Die genaue Funktionsweise dieses Verfahrens ist in V. Mergel: "Dynamische Elektronenkorrelationen in Helium", Dissertation, Universität Frankfurt, nachzulesen.

Die Stärke des angelegten elektrischen Feldes bestimmt bei diesen Apparaturen die Impulsauflösung in der Richtung des Extraktionsfeldes (longitudinal) und in den beiden Richtungen senkrecht dazu (transversal) sowie den Akzeptanzwinkelraum. Die Stärke des Extraktionsfeldes wird dabei typischerweise an den maximal nachzuweisenden Transversalimpuls angepaßt. Für Ionen ergibt sich daraus typischerweise eine ähnlich gute Auflösung in longitudinaler und transversaler Richtung bei typischen elektrostatischen Feldern im Bereich 1 . . . 5 V/cm. Elektronen aus atomaren Reaktionen besitzen typischerweise aufgrund ihrer mindestens 2000fach geringeren Masse wesentlich höhere Energien als Ionen. Um eine Akzeptanz bis zu 2π für Elektronen mit einer Energie größer 1 eV zu erreichen, muß man wesentlich höhere elektrische Felder (20 . . . 1000 V/cm) verwenden. Dann ist zwar die Auflösung in den transversalen Richtungen noch sehr gut, aber in der longitudinalen Richtung vergleichsweise schlecht. Um die Auflösung in der longitudinalen Richtung zu verbessern, ohne den Akzeptanzraumwinkel zu verkleinern, müssen die transversalen und longitudinalen Komponenten entkoppelt werden. Eine Möglichkeit ist die Überlagerung des elektrischen Extraktionsfeldes mit einem magnetischen Feld, das die Elektronen auf Spiralbahnen zwingt. Häufig verbietet sich jedoch das Anlegen magnetischer Felder durch andere externe Randbedingungen. Außerdem entstehen für Flugzeiten die ganzzahligen Vielfachen der Zyklotronfrequenz der Elektronen in diesem Magnetfeld. Es gibt in diesem Magnetfeld Bereiche, in denen überhaupt keine Auflösung erzielt werden kann. Außerdem muß für dieses Verfahren immer ein gepulster Projektilstrahl verwendet werden. Die genaue Funktionsweise dieses Verfahrens ist zum Beispiel in J. Ullrich et al.: "Ionization Collision Dynamics in 3.6 MeV/u Ni²⁴⁺ on He Encounters", Nuclear Instruments and Methods B98, 375, 1995 nachzulesen.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit dem der dreidimensionale Impulsraum, d. h. die dynamischen Vorgänge an Oberflächen in Festkörpern sichtbar gemacht werden können, wobei die Auflösungen in transversaler Richtung und in longitudinaler Richtung unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem die geladenen Teilchen durch gezielte Beschleunigung und/oder Abbremsung auf einem orts- und zeitauflösenden Detektor abgebildet werden, wobei die geladenen Teilchen mindestens auf einem Teil ihrer Wegstrecke zwischen Target und Detektor mindestens einem inhomogenen, elektrischen Feld unterworfen werden.

Durch die Bestimmung des Auftreffortes und der Auftreffzeit können in eindeutiger Weise die Teilchenbahnen und -flugzeiten bestimmt werden, woraus die Impulsvektoren der Teilchen zum Zeitpunkt der Emission aus dem Target in eindeutiger Weise berechnet werden können.

Die Verwendung von inhomogenen, elektrischen Feldern bietet den Vorteil, daß die Feldstärke unabhängig von der Inhomogenität, d. h. der Krümmung des Feldes, eingestellt werden kann.

Über die Einstellung der Krümmung des elektrischen Feldes ist es möglich, die geladenen Teilchen im gesamten Halbraum, also im Raumwinkel von bis zu 2π zu erfassen, weil beispielsweise die unter einem flachen Winkel aus dem Target emittierten Teilchen auf stark gekrümmten Flugbahnen dem Detektor zugeführt werden können. Dies bedeutet, daß sich über die Einstellung der Krümmung des Feldes somit der Nachweisraumwinkel einstellen läßt, d. h. über den Feldgradienten können bestimmte Bereiche aus dem dreidimensionalen Impulsraum "herausgezoomt" werden. Hierunter versteht man, daß bestimmte Impulskomponenten vergrößert und/oder verkleinert werden.

Über die Wahl der Feldstärke läßt sich die zeitliche Auflösung, d. h. die longitudinale Auflösung einstellen. Bei der Verwendung von homogenen Feldern kann durch eine große Feldstärke zwar auch ein großer Nachweisraumwinkel eingestellt werden, allerdings werden die geladenen Teilchen dann zu stark beschleunigt, so daß die zeitlichen Nachweisgrenze unterschritten wird.

Da der erfaßbare Nachweisraumwinkel über die Inhomogenität des elektrischen Feldes eingestellt werden kann, kann die Feldstärke des inhomogenen Feldes geringer gewählt werden als bei homogenen Feldern.

Durch die Verwendung von inhomogenen Feldern können somit die Auflösung und der maximale Akzeptanzimpuls in longitudinaler und transversaler Richtung voneinander entkoppelt eingestellt werden. Dadurch läßt sich insbesondere die Energieauflösung, d. h. die Impulsauflösung für den Nachweis von Elektronen deutlich gegenüber den Verfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, verbessern. Stellen, an denen überhaupt keine Auflösung erzielt werden kann, wie bei der Verwendung von magnetischen Feldern, treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf.

Es hat sich gezeigt, daß die zeitliche Auflösung durch die Feldstärke am Startpunkt, also im Bereich des Targets bestimmt wird. Dies ist auch der Ort, wo die Einstellung der Krümmung des Feldes zur Erfassung des gewünschten Raumwinkels am kritischsten ist. Vorzugsweise wird daher die Krümmung des elektrischen Feldes am Startpunkt am stärksten gewählt, wobei die Krümmung in Richtung Detektor verringert wird. Vorteilhafterweise wird die Feldstärke am Startort auf die gewünschte longitudinale Auflösung eingestellt und nimmt in Richtung zum Detektor hin zu.

Vorzugsweise durchlaufen die geladenen Teilchen vor dem Detektor einen feldfreien Raum. Solche feldfreien Driftzonen dienen dazu, die Flugzeiten in longitudinaler Richtung zu vergrößern und damit die Zeitauflösung und somit die Impulsauflösung zu verbessern.

Das Target wird vorzugsweise gekühlt, damit die im Target stattfindende Reaktion nicht durch thermische Bewegungen gestört wird.

Der Projektilstrahl wird vorzugsweise gepulst, wodurch Informationen über die Flugzeit der emittierten Teilchen erhalten werden. Dementsprechend werden die Daten des Auftreffzeitpunktes in das Auswertesystem eingegeben.

Es kann auch mit ungepulsten Projektilstrahlen gearbeitet werden, wobei man dann zwar aufgrund des Fehlens der Flugzeitinformation nicht mehr alle drei Impulskomponenten eines nachgewiesenen Teilchens, aber immerhin noch mit sehr großer Präzision den Emissionswinkel messen kann. Beim Nachweis mehrerer Teilchen in Koinzidenz kann sogar die Differenzzeit zwischen den Teilchen gemessen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die geladenen Teilchen auch mindestens einem sich zeitlich ändernden elektrischen Feld unterworfen werden.

Einzelne oder mehrere Elektroden können hierbei auch gepulst werden, d. h. daß an sie eine zeitlich veränderliche Spannung angelegt wird. Diese zusätzliche Variante bietet den Vorteil, daß Teilchen, die aufgrund ihres Startimpulses oder ihrer unterschiedlichen Geschwindigkeit (z. B. aufgrund eines unterschiedlichen Ladungs-zu-Masse-Verhältnisses) im elektromagnetischen Feld einen Ort zu unterschiedlichen Zeiten passieren, durch die elektromagnetischen Felder in unterschiedlicher Stärke und Richtung beschleunigt oder abgebremst werden können.

Das oder die inhomogenen elektrischen Felder können auch mit homogenen elektrischen Feldern kombiniert werden.

Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Target und Detektor Elektroden zur Erzeugung mindestens eines inhomogenen elektrischen Feldes vorhanden sind, die Mittel zur unabhängigen Einstellung der Feld-Krümmung und der Feldstärke aufweisen, und daß das Detektorsystem mindestens ein zeit- und ortsauflösendes System ist.

Elektronen- oder Raster-Tunnel-Mikroskope sind in der Lage, die statische Struktur, d. h. den statischen dreidimensionalen Ortsraum von atomaren Systemen, bzw. Oberflächen darzustellen. Das Impulsmikroskop vermag nun den dreidimensionalen Impulsraum, d. h. die dynamischen Vorgänge und Oberflächen in Festkörpern sichtbar zu machen. Die Vorrichtung erlaubt eine Vergrößerung oder Verkleinerung und die Abbildung des Mehrteilchenimpulsraumes.

Läßt man Ionen, Elektronen, Photonen, Atome, Moleküle oder dergleichen (Projektile) auf ein Target in der Form einer Oberfläche eines Festkörpers auftreffen, so können aus diesem Target Elektronen, Ionen oder andere geladene Teilchen emittiert werden. Das erfindungsgemäße Impulsmikroskop vermag die Impulse der emittierten Elektronen, Ionen oder aller weiteren entstehenden geladenen Fragmente mit einem Raumwinkel von bis zu 2π und einer Auflösung sichtbar zu machen, die mindestens eine Größenordnung besser ist als der mittlere Impuls eines Elektrons im Wasserstoff-Grundzustand (2.10^-24 kg.m/sec).

Das Impulsmikroskop kann zwischen Target und Detektor mehrere inhomogene elektrische Felder und feldfreie Driftbereiche aufweisen. Die Anordnung der inhomogenen elektrischen Felder und der feldfreien Driftbereiche hängt davon ab, welche Impulsbereiche weicher Auflösung vermessen werden sollen.

Die Elektroden sind an eine Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen, mit der individuell jede Elektrode mit einer vorgegebenen Spannung beaufschlagt werden kann.

Die Elektroden, die vorzugsweise aus übereinander angeordneten Ringen bestehen können, können alle denselben Durchmesser aufweisen. Unterschiedliche Ringdurchmesser sind dann von Vorteil, wenn z. B. große Feldgradienten gefordert werden.

Zur weiteren Beeinflussung des oder der inhomogenen Felder können die Elektroden auch bezüglich der Nachweisrichtung gekippt oder geschwenkt werden. In diesem Fall ist eine entsprechende Verstelleinrichtung vorgesehen.

Zum Nachweis der emittierten Teilchen werden schnelle, großflächige orts- und zeitauflösende Detektoren verwendet. Diese sind vorzugsweise so aufgebaut, daß sie mehrere Teilchen in schneller Abfolge (zeitlicher Mindestabstand 10^-9 sec) verarbeiten können. Derartige Detektoren werden als sogenannte Multihitdetektoren bezeichnet.

Als Detektoren werden z. B. Vielkanalplatten (sogenannte Micro-Channel-Plates) zur lokalisierten Sekundärelektronenvervielfachung in Kombination mit sogenannten Keilstreifenstrukturen, resistiven Anoden oder mit sogenannten Delay-Line-Anoden verwendet. Trifft ein einzelnes atomares Teilchen, wie Atome, Ionen, Moleküle oder Elektronen auf die Vorderseite des Detektors, wird durch Sekundärelektronenvervielfachung eine sehr lokalisierte Elektronenlawine ausgelöst. Diese Detektoren liefern also sowohl den Auftreffort als auch den Nachweiszeitpunkt, so daß durch die Koinzidenz mit einem gepulsten Projektilstrahl oder dem Projektil die Flugzeit des Teilchens gemessen werden kann.

Wenn beispielsweise eine Delay-Line-Anode verwendet wird, ermittelt man den Auftreffort, der aus der Micro-Channel-Platte emittierten Elektronenwolke mittels Laufzeitmesung der Signale auf Metalldrähten. Die Laufzeitsignale werden mit Hilfe von Constant-Fraction-Diskriminatoren und Verstärkern gesammelt, um aus der Zeitdifferenz der Signale von den beiden Enden der Drähte den Auftreffort in einer Richtung zu berechnen. Mit Hilfe zweier gekreuzter Drahtebenen erhält man eine zweidimensionale Ortsauflösung.

Zur Messung der Flugzeit eines Elektrons, Ions oder Fragments benutzt man eine Zeitmessung zwischen dem Auftreffzeitpunkt auf der Micro-Channel-Platte und einem Referenzsignal, das man mit dem Projektilstrahlimpuls erhält. Bei mehreren Teilchen, die auf einen oder verschiedenen Detektoren auftreffen, kann auch die Differenzflugzeit bestimmt werden. Damit ist eine Koinzidenzmessung, bei der alle Impulse von im Prinzip beliebig vielen Fragmenten kommen können, möglich. Man erhält aus der Flugzeit, ähnlich den reinen Massenspektrometern das Ladungs- zu Masseverhältnis jedes Fragmentes. Alle Signale werden in einem Zeit-zu-Digitalkonverter registriert, digitalisiert und über ein Bussystem zu einem Speichermedium übertragen. Mit Hilfe eines Computersystems lassen sich gleichzeitig zur Datenspeicherung auch alle Ergebnisse On-Line darstellen und kontrollieren.

Aus den beiden Ortsinformationen eines jeden Detektors und der Flugzeit der emittierten Teilchen können in eindeutiger Weise der komplette Impulsvektor, den das Teilchen durch die Reaktion erhielt, berechnet werden. Wichtig für diese Berechnung für ionische Fragmente ist die Kühlung des Targets, da die thermische Bewegung der Targetatome, z. B. bei Zimmertemperatur das Auflösungsvermögen im subatomaren Bereich zerstören würde. Das Target kann daher vorzugsweise an eine Kühleinrichtung angeschlossen sein. Die Energie eines Teilchens ergibt sich dann als die Hälfte des Impulsquadrates geteilt durch die Masse. Schnelle Elektronik, d. h. Verstärker, Diskriminatoren, Zeitmesser, etc. sowie Analog- zu -Digitalkonvertern und ein handelsüblicher computergestütztes Speichermedium für die sogenannte "List-Mode"-Aufnahme und Bildgebung vervollständigen das Impulsmikroskop.

Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch das Impulsmikroskop,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung von Target, Elektroden und Detektorsystemen,

Fig. 3 eine Übersicht über das Auswertesystem und

Fig. 4a bis 4c unterschiedliche Feldverläufe mit Flugbahnen emittierter Teilchen.

In der Fig. 1 ist das Impulsmikroskop im Vertikalschnitt dargestellt. Die Reaktionskammer 1 ist von einem Gehäuse 2 und einer Bodenplatte 5 umschlossen. An das Gehäuse 2 ist über den Vakuumanschluß 6 eine Turbomolekülarpumpe 6a angeschlossen, mit der in der Reaktionskammer ein Druck von 10^-6 Pascal aufrechterhalten wird.

Im Inneren der Reaktionskammer 1 ist im Bereich der Bodenplatte 5 eine Grundplatte 8 mit einem Target 9 angeordnet, das beispielsweise aus monokristallinem Lithiumfluorid bestehen kann. Eine eventuell vorgesehene Kühleinrichtung ist nicht dargestellt.

Seitlich sind am Gehäuse 2 schräg zwei Rohrstutzen 3a und 3b mit dem Eintrittsfenster 4a und dem Austrittsfenster 4b angeordnet. Durch den Rohrstutzen 3a tritt der Projektilstrahl 10 unter einem vorgegebenen Winkel in die Reaktionskammer ein und trifft auf das Target 9. Die bei der Reaktion freigesetzten Teilchen werden im gesamten Raumwinkel 2π emittiert. Der reflektierte Strahl 11 tritt durch das Fenster 4b aus der Reaktionskammer 1 aus. Als Projektilstrahl kann beispielsweise ein Photonenstrahl mit einer Energie von bis zu einigen 10 Elektronen Volt eingesetzt werden.

Über dem Target 9 sind in der hier gezeigten Ausführungsform acht Elektrodenringe 20a-20h aus unmagnetischem Edelstahl mit üblichem Durchmesser übereinander angeordnet. Die Elektrodenringe 20a-20h, die Grundplatte 8 und die Driftröhre 21 sind an eine Spannungsversorgungseinrichtung 26 angeschlossen, mit der die Feldkrümmung und die Feldstärke einstellbar ist. Hieran schließt sich eine Driftröhre 21 an. Die Elektrodenringe 20a-20h und die Driftröhre 21 können beispielsweise einen Innendurchmesser von etwa 90 mm und einen Außendurchmesser von etwa 100 mm aufweisen.

Wird ein Photon des Projektilstrahls im Festkörpertarget 9 absorbiert, werden ein oder mehrere sogenannte Fotoelektronen aus dem Target 9 emittiert. Diese Elektronen werden dann in dem inhomogenen, in diesem Beispiel zeitlich konstanten elektrischen Feld beschleunigt und auf einem orts- und zeitempfindlichen Micro-Channel-Plate-Detektor 30 mit einer Delay-Line-Anode 31 nachgewiesen.

Trifft ein Elektron auf einen solchen Micro-Channel-Plate-Detektor 30, wird lokal eine Sekundärelektronenvervielfachung induziert. Die dadurch entstehende Ladungswolke trifft auf die Delay-Line-Anode 31, von der aus die Signale an eine Auswerteeinrichtung 32 weitergegeben werden, deren Komponenten in der Fig. 3 dargestellt sind. Das Auswertesystem gemäß der Fig. 3 umfaßt einen Satz von Differenzverstärkern, von Konstant-Fraction-Dis­ kriminatoren, einen Zeit-zu-Digital-Konverter sowie ein Speichermedium und einen Computer mit Monitor.

Der verwendete Delay-Line-Detektor 31 ist in der Lage, beliebig viele Elektronen hintereinander zu detektieren, solange der zeitliche Abstand jeweils größer als ca. 2 nanosec ist. Die nachgeschaltete Elektronik ist in der Lage, die Orte und Auftreffzeiten von bis zu 4 Elektronen eines Ereignisses zu bestimmen, die jeweils mindestens 8 nsec nacheinander auf den Detektor 30 auftreffen. Die Genauigkeit der Zeitmessung ist aber besser als 500 picosec und die Genauigkeit der Ortsmessung ist besser als 0,1 mm.

Werden z. B. durch ein einfallendes Photon 4 Elektronen emittiert, so werden am Detektor für jedes Elektron 4 sehr schnelle Zeitsignale erzeugt, aus denen für jedes der Elektronen im Computer in eindeutiger Weise der Auftreffort und die Flugzeit jedes Elektrons berechnet wird.

Das inhomogene elektrische Feld wird mittels der Spannungsversorgungseinrichtung 26 durch Anlegen von in Richtung des Detektors 30 ansteigenden Spannungen an die Grundplatte 8, und die acht Elektrodenringe 20a-20h und die Driftröhre 21 erzeugt (s. Fig. 2). Die Grundplatte 8 befindet sich auf Erdpotential und an den Ringelektroden 20a-20h werden beispielsweise folgende Spannungen angelegt:

Elektrode 20a: + 2 Volt
Elektrode 20b: + 8 Volt
Elektrode 20c: + 18 Volt
Elektrode 20d: + 32 Volt
Elektrode 20e: + 50 Volt
Elektrode 20f: + 72 Volt
Elektrode 20g: + 98 Volt
Elektrode 20h: + 128 Volt
Driftröhre: + 162 Volt.

Die Vorderseite des Micro-Channel-Plate-Detektors 30 befindet sich auf einer Spannung von etwa 200 Volt, um die Elektronen mit der definierten Energie von etwa 200 eV auftreffen zu lassen. Die Driftröhre 21 ist an beiden Enden mit einem metallischen Gitter 24 der Maschenweite 0,25 mm bestückt, um in der Driftröhre 21 Feldfreiheit zu garantieren. Die elektrische Feldstärke beträgt in einem Abstand von 0,1 mm von der Targetoberfläche 100 Volt/m und kurz vor der Driftröhre 750 Volt/m.

Durch das Anlegen der genannten Spannungen an die Elektrodenringe 20a-20h bildet sich zwischen den Ringen ein inhomogenes elektrisches Feld aus, das die Elektronen auf den Detektor 30 und gleichzeitig zum Zentrum des Feldes hin beschleunigt. Dadurch wird erreicht, daß alle Elektronen, die unter einem Winkel von <45° zur Targetoberfläche aus dem Target 9 emittiert werden, noch bis zu einer Energie von 5 eV detektiert werden können. Elektronen geringerer Energie können sogar noch unter einem flachen Winkel zur Oberfläche emittiert und trotzdem detektiert werden. Dies bedeutet, daß für Elektronen bis zu einer Energie von 5 eV der Nachweisraumwinkel mindestens 12% von 4Π beträgt. Die Impulsauflösung für ein Elektron, das mit dem Startimpuls 0 aus der Oberfläche des Targets extrahiert wird, beträgt in transversaler Richtung, d. h. senkrecht zur Verbindungsachse Target - Detektor 0,0016 a.u. (I a.u. ist der mittlere Impuls eines Elektrons im Wasserstoffatom = 2×10^-24 kg.m/sec), und in longitudinaler Richtung (parallel zur Verbindungsachse Target Detektor (0,012 a.u.). Daraus ergibt sich eine Energieauflösung für ein solches Elektron von 2 meV.

Verwendet man anstatt des erfindungsgemäßen inhomogenen Feldes ein homogenes Feld, beträgt die Energieauflösung für das gleiche Elektron nur 70 meV. Das erfindungsgemäße Impulsmikroskop erreicht also bei gleichem Raumwinkel eine Auflösung, die 35mal besser ist, als das Spektrometer mit homogenem Feld.

Fig. 4a zeigt den Feldverlauf eines Spektrometers mit homogenen elektrischen Feldern 22a-20h gemäß des Standes der Technik, an den sich ein feldfreier Bereich 25 anschließt. Die vertikalen gekrümmten Linien stellen Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes dar. Die horizontalen gekrümmten Linien stellen Flugbahnen von Elektronen dar, die aus dem Target 9 emittiert werden. An den Flugbahnen befinden sich Markierungen 26a, 26b, 26c, die jeweils einer konstanten Flugzeit entsprechen. Es sind 21 Elektronenflugbahnen dargestellt. Ein Elektron startet mit der Energie 0. 10 Elektronen starten unter dem Winkel von 45 Grad zur Horizontalen nach oben mit Energien von 0,5 eV bis 5 eV in Intervallen von 0,5 eV. 10 Elektronen starten unter dem Winkel von 45 Grad zur Horizontalen nach unten mit Energien von 0,5 eV in Intervallen von 0,5 eV. Die Feldstärke im Spektrometer wurde so gewählt, daß ein Elektron, das unter 45 Grad mit der Energie 5 eV aus dem Target emittiert wird, am Rand des Detektors 30 auftrifft.

Fig. 4b zeigt den Feldverlauf im erfindungsgemäßen Impulsmikroskop.

Die vertikalen gekrümmten Linien stellen Äquipontentialflächen der elektrischen Felder 22a-20h dar. Das elektrische Feld ist nicht homogen, sondern die Feldstärke nimmt vom Target 2 aus in Flugrichtung kontinuierlich zu. An diesen Feldbereich schließt sich ein feldfreier Bereich 25 an, um eine optimale Impulsauflösung zu erreichen. Die horizontalen gekrümmten Linien stellen Flugbahnen von Elektronen dar, die aus dem Target emittiert werden. An den Flugbahnen befinden sich Markierungen 26a-26d, die jeweils einer festen Flugzeit entsprechen. Es sind 21 Elektronenflugbahnen dargestellt. Ein Elektron startet mit der Energie Null. 10 Elektronen starten unter dem Winkel von 45 Grad zur Horizontalen nach oben mit Energien von 0,5 eV bis 5 eV in Intervallen von 0,5 eV. 10 Elektronen starten unter dem Winkel von 45 Grad zur Horizontalen nach unten mit Energien von 0,5 eV bis 5 eV in Intervallen von 0,5 eV.

Fig. 4c zeigt den Feldverlauf im erfindungsgemäßen Impulsmikroskop.

Die horizontalen, gekrümmten Linien stellen Flugbahnen von Elektronen dar, die mit der Energie Null an verschiedenen Orten aus dem Target 9 emittiert werden. Sie werde alle auf denselben Ort auf dem Detektor 30 abgebildet. Das erfindungsgemäße Impulsmikroskop fokussiert also zusätzlich eine Ortsunschärfe des Emissionsbereiches, wie sie z. B. durch einen ausgedehnten Projektilstrahl verursacht wird. Dadurch verschlechtert sich im Gegensatz zum Spektrometer mit homogenem Feld die Auflösung durch einen ausgedehnten Projektilstrahl nicht.

Bezugszeichenliste

1

Reaktionskammer

2

Gehäuse

3

a,

3

b Rohrstutzen

4

a Eintrittsfenster

4

b Austrittsfenster

5

Bodenplatte

6

Vakuumanschluß

6

a Turbomolekularpumpe

8

Grundplatte

9

Target

10

einfallender Projektilstrahl

11

reflektierter Projektilstrahl

20

a-

20

h Ringelektroden

21

Driftrohr

22

a-

22

h inhomogene elektrische Felder

23

a-

23

h homogene elektrische Felder

24

metallisches Gitter

25

feldfreier Bereich

26

Spannungsversorgungseinrichtung

30

Microchannel-Plate-Detektor

31

Delay-Line Anode

32

Auswertesystem

Claims (13)

1. Verfahren zur Untersuchung dynamischer Prozesse in atomaren und/oder molekularen Systemen an Festkörperoberflächen bei dem ein Projektilstrahl auf ein festes Target geschossen wird und die beim Prozeß freigesetzten geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen und Ionen, auf mindestens einem Detektor nachgewiesen werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die geladenen Teilchen durch gezielte Beschleunigung und/oder Abbremsung auf einem orts- und zeitauflösenden Detektor abgebildet werden, wobei die geladenen Teilchen mindestens auf einem Teil ihrer Wegstrecke zwischen Target und Detektor mindestens einem inhomogenen elektrischen Feld unterworfen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen einem gekrümmten elektrischen Feld derart unterworfen werden, daß die Transversalimpulskomponenten komprimiert oder expandiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld mit zunehmendem Abstand vom Target an Krümmung abnimmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke vom Target in Richtung zum Detektor zunimmt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen vor dem Detektor einen feldfreien Raum durchlaufen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Target gekühlt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektilstrahl gepulst wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen mindestens einem sich zeitlich ändernden elektrischen Feld unterworfen werden.

9. Impulsmikroskop zum Darstellen mikroskopischer Prozesse in atomaren und/oder molekularen Strukturen mit einem Target, einem Spektrometer- und Detektorsystem, das in einer Vakuumkammer angeordnet ist, mit einem Vakuumsystem und einem Auswertesystem, wobei das Spektrometer- und Detektorsystem eine Streukammer aufweist, in der eine Wechselwirkung zwischen dem Projektilstrahl und dem Target stattfindet und in dem ein elektrisches Feld zur Beschleunigung der geladenen Teilchen zwischen Target und Detektor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Target (9) und Detektor (30, 31) Elektroden (20a-20h) zur Erzeugung mindestens eines inhomogenen elektrischen Feldes angeordnet sind, die Mittel (26) zur unabhängigen Einstellung der Feld-Krümmung und der Feldstärke aufweisen, und daß das Detektorsystem (30, 31) mindestens ein zeit- und ortsauflösendes Detektor-System umfaßt.

10. Impulsmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20a-20h) aus übereinander angeordneten Ringen desselben oder unterschiedlichen Durchmessers bestehen.

11. Impulsmikroskop nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (9) an eine Kühleinrichtung angeschlossen ist.

12. Impulsmikroskop nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsystem einen Microchannel-Plate-De­ tektor (30) und eine Delay-Line-Anode (31) oder Keil-Streifen-Struk­ turen oder resistive Anoden umfaßt.

13. Impulsmikroskop nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertesystem (32) einen Constant-Fraction-Dis­ kriminator, einen Zeit- zu Digital-Konverter und eine Computereinheit umfaßt.