DE19803146A1

DE19803146A1 - Method and device for analyzing surfaces using ionizing rays

Info

Publication number: DE19803146A1
Application number: DE1998103146
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Moshammer; Joachim Prof Dr Ullrich
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1999-07-29

Abstract

Controlled ionizing rays are directed onto a surface (2) and backscattered or produced surface particles are recorded by a detector (3) to determine their type, energy and direction. Irradiation occurs in short, clearly defined time pulses, lasting less than the time of flight of particles between the surface to be analyzed and the detector. The moment when a ray pulse occurs and the moment of a particle's contact with the detector are measured.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Oberflächen mittels ionisierender Strahlung, bei welchem ionisierende Strahlung kontrolliert auf eine zu analysierende Oberfläche gerichtet wird und dabei entstehende Teilchen, einschließlich etwaiger rückgestreuter Teilchen des Strahles, von der Oberfläche nach außen abgegeben und von mindestens einem Detektor erfaßt werden, um Art, Energie und Flugrichtung der emittierten Teilchen zu bestimmen.The present invention relates to a method for analyzing surfaces by means of ionizing Radiation, in which ionizing radiation controls on a surface to be analyzed is directed and thereby resulting particles, including any backscattered particles of the Beam, emitted from the surface to the outside and detected by at least one detector to determine the type, energy and direction of flight of the emitted particles.

Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung für die Analyse von Oberflächen mittels ionisierender Strahlung, mit einer Quelle ionisierender Strahlung, Einrichtungen zum Ausrichten des Strahles aus ionisierender Strahlung relativ zu der zu analysierenden Oberfläche, und mit einem Detektor zur Erfassung der Teilchen, die durch die auftreffende Strahlung aus der Oberfläche herausgelöst oder rückgestreut werden und sich danach in dem Raum zwischen der Oberfläche und dem Detektor bewegen.The present invention also relates to a device for the analysis of surfaces by means of ionizing radiation, with a source of ionizing radiation, devices for Aligning the beam of ionizing radiation relative to the surface to be analyzed, and with a detector for detecting the particles caused by the incident radiation from the Surface or be scattered back and then in the space between the Move the surface and the detector.

Mit dem Begriff "Oberfläche" sollen im Sinne der vorliegenden Erfindung auch oberflächennahe Schichten und Adsorbate umfaßt sein. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen sind bereits seit längerem bekannt. Dabei kann die ionisierende Strahlung elektromagnetische Strahlung sein, zum Beispiel von Lasern, Röntgenröhren oder beschleunigten Elektronen (Synchrotonstrahlung), oder es kann sich um Teilchenstrahlung handeln, d. h. um Elektronenstrahlen, Protonen- oder sonstige Ionenstrahlung, wie zum Beispiel Schwerionenstrahlung. Es versteht sich, daß für Oberflächenanalysen vor allem solche Strahlungsarten in Betracht kommen, die eine relativ starke Wechselwirkung mit der Materie der zu untersuchenden Oberfläche haben und die demzufolge nur eine geringe Eindringtiefe haben (im Gegensatz zum Beispiel zu Neutronen). Auf diese Weise werden durch die Strahlung im wesentlichen nur aus den oberen Atomlagen der Oberfläche Teilchen herausgelöst, so daß durch deren Analyse in der Tat auch die Eigenschaften der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes bestimmte werden können. Dies ermöglicht es außerdem, die auf die Oberfläche einwirkende Stahlungsdosis möglichst gering zu halten, um nicht durch eine intensive Strahlung selbst Veränderungen der Oberfläche zu erzeugen, die dann als inhärente Eigenschaften der Oberfläche fehlinterpretiert werden könnten. Darüberhinaus wird bei Oberflächenanalysen in manchen Fällen auch angestrebt, den die Oberfläche aufweisenden Gegenstand anschließend weiter zu verwenden, wenn die Oberflächenanalyse entsprechend positiv ausgefallen ist. Auch dies verlangt das Aufbringen einer möglichst geringen Strahlendosis.For the purposes of the present invention, the term “surface” is also intended to mean near the surface Layers and adsorbates can be included. Appropriate methods and devices are already in place known for a long time. The ionizing radiation can be electromagnetic radiation, for example from lasers, x-ray tubes or accelerated electrons (synchrotron radiation), or it can be particle radiation, d. H. around electron beams, proton or other ion radiation, such as heavy ion radiation. It is understood that for Surface analyzes especially consider those types of radiation that are relatively strong Interaction with the matter of the surface to be examined and consequently only have a small depth of penetration (in contrast to neutrons, for example). In this way are essentially only from the upper atomic layers of the surface by the radiation Particles detached, so that by analyzing them, the properties of Surface of the object to be examined can be determined. This makes it possible furthermore, to keep the radiation dose acting on the surface as low as possible in order to not to produce changes in the surface itself by intensive radiation, which then could be misinterpreted as inherent properties of the surface. Furthermore, in the case of surface analyzes, in some cases it is also desirable to have the surface surface Subsequently continue to use the object if the surface analysis accordingly turned out positive. This also requires the application of the lowest possible radiation dose.

Da die Informationen über die zu analysierende Oberfläche aus der Art, Energie und Impuls (Richtung) der durch die ionisierende Strahlung aus der Oberfläche herausgelösten oder rückgestreuten Teilchen bestimmt werden, versteht es sich, daß die Strahlungsdosis umso geringer sein kann, je größer der Anteil der Teilchen ist, die nach dem Herauslösen oder Rückstreuen aus der Oberfläche durch die ionisierende Strahlung tatsächlich auch von einem Detektor erfaßt und hinsichtlich Art, Energie und Impuls analysiert wird.Because the information about the surface to be analyzed from the type, energy and momentum (Direction) of the surface or released by the ionizing radiation backscattered particles are determined, it is understood that the radiation dose all the more may be lower, the larger the proportion of the particles, which after removal or Scattering back from the surface by the ionizing radiation actually from one Detector is detected and analyzed in terms of type, energy and pulse.

Alle bisherigen Verfahren zur Oberflächenanalyse werden diesen Anforderungen nur unzureichend gerecht. Im einzelnen sind bisher die folgenden Verfahren zur Oberflächenanalyse mittels ionisierender Strahlung bekannt.All previous methods for surface analysis meet these requirements inadequately fair. In detail, the following methods for surface analysis have so far been used known ionizing radiation.

Die Beugung niederenergetischer Elektronen (Low Energy Electron Defraction, kurz: LEED) ist die älteste und zumeist standardmäßig angewandte Technik zur quantitativen Strukturbestimmung von Oberflächen oder auch von Adsorbaten auf Oberflächen. Dabei werden niederenergetische Elektronen im Energiebereich zwischen typischerweise 25 und 600 eV an der zu untersuchenden Oberfläche gestreut. Elektronen dieser Energie haben eine de-Broglie-Wellenlänge, die der Dicke einiger Atomlagen entspricht, so daß man entsprechende Beugungsmuster beobachten kann. Dabei werden jedoch nur elastisch gestreute Elektronen, d. h. Elektronen, die die gleiche kinetische Energie haben, wie die auf die Oberfläche auftreffenden Elektronen, ortsaufgelöst nachgewiesen. Alle niederenergetischen Elektronen werden durch ein elektrisches Gegenfeld unterdrückt. Diese Technik erfaßt also nur einen sehr kleinen Teil des Impulsraumes der Gesamtheit der von der Oberfläche abgegebenen Elektronen, insbesondere also der elastisch aus der Oberfläche herausgelösten oder rückgestreuten Elektronen. Insbesondere ist auch der energieselektive Nachweis von zwei oder mehreren, durch ein einlaufendes Elektron herausge schlagene bzw. emittierte Elektronen unmöglich, da diese notwendigerweise jeweils eine geringere Energie haben als das einlaufende Elektron.The diffraction of low-energy electrons (Low Energy Electron Defraction, short: LEED) is the oldest and mostly standard technology for quantitative structure determination of surfaces or also of adsorbates on surfaces. Thereby, low-energy Electrons in the energy range between typically 25 and 600 eV at the one to be examined Scattered surface. Electrons of this energy have a de Broglie wavelength, that of the thickness corresponds to some atomic layers, so that one can observe corresponding diffraction patterns. However, only elastically scattered electrons, i.e. H. Electrons the same Like the electrons hitting the surface, kinetic energy has a spatial resolution proven. All low-energy electrons are generated by an opposing electrical field suppressed. This technique therefore only covers a very small part of the pulse space The totality of the electrons emitted by the surface, in particular the elastic ones electrons released or backscattered from the surface. In particular, the Energy-selective detection of two or more, highlighted by an incoming electron Impacted or emitted electrons impossible, because these necessarily have a lower one Have energy as the incoming electron.

Bei der Photoelektronenanalyse (Photoelectron Defraction, kurz: PhD), wird anstelle eines Elektronenstrahls elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche gerichtet und es werden die dabei rückgestreuten (herausgelösten) Photoelektronen nachgewiesen. Dieses Verfahren ist zwar empfindlich auf die kurzreichweitige Ordnung an der Oberfläche und elementspezifisch, da in Abhängigkeit von der gewählten, eingestrahlten Photonenenergie nur bestimmte Elemente die eingestrahlten Photonen absorbieren können, jedoch erfolgt der Nachweis in der gleichen Weise wie bei der LEED, so daß insoweit auch die gleichen Einschränkungen gelten.In the case of photoelectron analysis (Photoelectron Defraction, in short: PhD), instead of one Electron beam electromagnetic radiation directed to the surface and it will be the backscattered (detached) photoelectrons detected. This procedure is true sensitive to the short-range order on the surface and element-specific, because in Depending on the chosen, irradiated photon energy only certain elements can absorb the incident photons, but the detection is carried out in the same way as with the LEED, so that the same restrictions apply.

Bei der "Surface Extended X-Ray Absorption Fine Structure" (SEXAFS) wird die Absorption hochenergetischer (Röntgen-)Photonen an Oberflächen oder in Festkörpern direkt in der Nähe von sogenannten Absorptionskanten mit hoher Auflösung vermessen. Da die dabei entstehenden Photoelektronen an den benachbarten Atomen der Oberfläche gestreut werden, findet sich eine Feinstruktur in den Absorptionsquerschnitten, welche die Struktur der Oberfläche in der nächsten Umgebung der absorbierenden Atome widerspiegelt im allgemeinen wird lediglich die Absorption der auftreffenden Strahlung ermittelt und die dabei entstehenden, niederenergetischen Photoelektronen und -ionen werden nicht vermessen, so daß hier die aufgrund der Bestrahlung entstandenen Teilchen überhaupt nicht zur Auswertung und Analyse gelangen.With the "Surface Extended X-Ray Absorption Fine Structure" (SEXAFS) the absorption high-energy (X-ray) photons on surfaces or in solid bodies nearby measured by so-called absorption edges with high resolution. Because the resulting Scattered photoelectrons on the neighboring atoms of the surface, one is found Fine structure in the absorption cross sections, which the structure of the surface in the next The environment surrounding the absorbing atoms generally reflects only the absorption the incident radiation and the resulting low-energy Photoelectrons and ions are not measured, so here due to the radiation resulting particles do not arrive at all for evaluation and analysis.

Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Oberflächen ist die sogenannte Elektron-Elektron Koinzidenz nach Elektronenstoß. Dabei wird unter Verwendung von Flugzeittechniken das Auftreten zweier Elektronen, die infolge des Einfalls jeweils eines einzigen Elektrons emittiert wurden, koinzident und impulsaufgelöst nachgewiesen. In bisherigen Apparaturen können die koinzident nachzuweisenden Elektronenpaare jeweils nur in ganz bestimmten relativen Winkeln zur Strahlrichtung nachgewiesen werden. Darin liegt eine extrem starke Einschränkung in der Auswahl der nachzuweisenden Teilchen, den es werden weit weniger als ein Tausendstel aller entstehenden Elektronenpaare erfaßt. Es ist daher so gut wie unmöglich, mit einem solchen Verfahren mehr als zwei Elektronen koinzident nachzuweisen.Another method for determining the properties of surfaces is the so-called Electron-electron coincidence after electron impact. This is done using Time-of-flight techniques the occurrence of two electrons, each due to the incidence of one Electrons were emitted, detected coincidently and with pulse resolution. In previous The electron pairs that can be detected coincidently can only be used in whole devices certain relative angles to the beam direction can be detected. There is an extreme in that strong limitation in the selection of the particles to be detected, since there will be far fewer recorded as one thousandth of all the resulting electron pairs. It is therefore almost impossible to detect more than two electrons coincidently with such a method.

Ein weiteres bekanntes Verfahren ist die Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES). Hierzu werden die von der Oberfläche emittierten Elektronen unter festgelegten Winkeln meist unter Verwendung elektrostatischer Spektrometer mit hoher Auflösung analysiert. Aus der Lage der dabei auftretenden Linien lassen sich die Elementzusammensetzung und die chemischen Eigenschaften der Oberfläche bestimmen. Entsprechende Spektrometer erreichen zwar eine sehr hohe Energie auflösung, haben jedoch nur eine geringe Winkel- und Energieakzeptanz. Es werden nur solche Elektronen nachgewiesen, die zum einen direkt in die Aperturblende des Spektrometers treffen und deren Energie darüberhinaus genau der jeweils eingestellten Analysatorspannung entspricht. Insgesamt wird daher nur ein Tausendstel bis zu einem Millionstel aller emittierten Elektronen nachgewiesen.Another known method is Auger electron spectroscopy (AES). To do this the electrons emitted from the surface are mostly used at specified angles high resolution electrostatic spectrometer analyzed. From the location of the Lines appearing can be the element composition and chemical properties determine the surface. Corresponding spectrometers reach a very high energy resolution, but only have a low angle and energy acceptance. It will only be such Electrons detected, which on the one hand hit the aperture of the spectrometer directly and whose energy also corresponds exactly to the set analyzer voltage. In total, therefore, only one thousandth to one millionth of all emitted electrons proven.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Oberflächen mittels ionisierender Strahlung zu schaffen, welche eine Analyse sowohl der Struktur als auch der Elementzusammensetzung der Oberflächen mit wesentlich geringerer Strahlungsdosis ermöglichen als herkömmliche Verfahren und Vorrichtungen, wobei vorzugsweise auch mehrere (zwei oder mehr als zwei) gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig emittierte Teilchen jeweils gleichen Vorzeichens ihrer Ladung erfaßt werden sollen.Compared to this prior art, the present invention is based on the object Method and device for analyzing surfaces by means of ionizing radiation create an analysis of both the structure and the element composition of the Surfaces with a significantly lower radiation dose than conventional methods and devices, preferably also several (two or more than two) simultaneously or particles emitted almost simultaneously have the same sign of their charge should.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bestrahlung in kurzen, eindeutig voneinander getrennten Zeitintervallen (Pulsen) erfolgt, deren Dauer kürzer ist als die Flugzeit der Teilchen von der Oberfläche zum Detektor und daß ein breitbandiger, orts- und zeitauflösender Detektor verwendet wird.With regard to the method, this object is achieved in that the radiation in short, clearly separated time intervals (pulses), the duration of which is shorter than that Flight time of the particles from the surface to the detector and that a broadband, local and time-resolving detector is used.

Hinsichtlich der entsprechenden Vorrichtung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß Einrichtungen für den gepulsten Betrieb bzw. das Unterbrechen der ionisierenden Strahlung vorgesehen sind, sowie Zeitmeßeinrichtungen, welche den Zeitpunkt eines Strahlpulses und den Zeitpunkt des nachfolgenden Auftreffens von Teilchen auf dem Detektor erfassen, wobei der Detektor ein breitbandiger, orts- und zeitauflösender Detektor ist, der die auftreffenden Teilchen in zweidimensionaler Ortsauflösung erfaßt.With regard to the corresponding device, the object underlying the invention becomes solved in that devices for the pulsed operation or the interruption of Ionizing radiation are provided, as well as time measuring devices, which determine the time of a Beam pulse and the time of the subsequent impact of particles on the detector detect, wherein the detector is a broadband, spatially and time-resolving detector that the incident particles recorded in two-dimensional spatial resolution.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es, daß die nach einem Strahlpuls aus einer Oberfläche herausgelösten Teilchen, die in den Halbraum vor der Oberfläche emittiert werden, nahezu vollständig von dem Detektor erfaßt werden, zumindest soweit der Detektor den Raumwinkel oberhalb des Auftreffortes der ionisierenden Strahlung abdeckt. Aufgrund der Zeitauflösung des Strahls und der Zeiterfassung der Detektion der auf dem Detektor auftreffenden Teilchen können die detektierten Teilchen eindeutig einem vorherigen Strahlpuls und damit auch dem Ort des Auftreffens zugeordnet werden, so daß nach der orts- und zeitaufgelösten Erfassung auf dem Detektor vollständige Informationen über die Energie und den Impuls der entstandenen Teilchen zur Verfügung stehen. Dabei kann die Energie der Teilchen über deren Flugzeit unter Berücksichtigung etwaiger transversaler Impulskom ponenten, die durch die Geometrie der Vorrichtung und durch die Ortsauflösung auf dem Detektor bestimmt sind, ermittelt werden.The method and the device according to the invention enable that the particles released from a surface after a beam pulse that enter the half-space emitted in front of the surface, are almost completely detected by the detector, at least as far as the detector detects the solid angle above the impact point of the ionizing Covers radiation. Due to the time resolution of the beam and the time recording of the detection of the particles hitting the detector, the detected particles can clearly be one previous beam pulse and thus also be assigned to the location of the impact, so that after the location- and time-resolved detection on the detector complete information about the Energy and the momentum of the resulting particles are available. In doing so, the energy of the particles over their flight time taking into account any transverse pulse com components by the geometry of the device and by the spatial resolution on the detector are determined.

Der Detektor ist vorzugsweise ein breitbandiges, kombiniertes elektrisches und magnetisches Spektrometer mit orts- und zeitauflösender Teilchenerfassung, der in der Lage ist, auch mehrere gleichzeitig oder sehr kurz (typisch innerhalb 10 ns) hintereinander auftreffende Teilchen zu registrieren.The detector is preferably a broadband, combined electrical and magnetic Spectrometer with location and time-resolved particle detection, which is capable of several particles hitting simultaneously or very briefly (typically within 10 ns) to register.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen in dem Raum zwischen der zu analysierenden Oberfläche und dem Detektor mindestens ein elektrisches Beschleuni gungsfeld, vorzugsweise zusätzlich auch noch ein Magnetfeld vorgesehen sind, wobei zweckmäßigerweise beide Felder homogen sind mit Feldlinien, die sich im wesentlichen entlang der kürzesten Verbindung zwischen Oberfläche und Detektor erstrecken. Durch eine solche Anordnung von elektrischen und magnetischen Feldern ist es zur vollständigen Erfassung der emittierten Teilchen durch den Detektor nicht mehr notwendig, daß der Detektor im wesentlichen den ganzen Raumwinkel auf einer Seite der Oberfläche abdeckt, da dann die von der Oberfläche abgegebenen Teilchen durch das elektrische Feld zusätzlich in Richtung des Detektors beschleunigt werden und etwaige transversale Impulskomponenten durch das magnetische Feld in eine Rotation um die magnetischen Feldlinien umgesetzt werden, so daß auch Teilchen mit hohem Transversalimpuls (d. h. senkrecht zur Richtung der kürzesten Verbindung zwischen Oberfläche und Detektor) durch das Magnetfeld gebündelt und aufgrund ihres verbleibenden Longitudinalimpulses und insbesondere der Beschleunigung durch das zusätzlich angelegte elektrische Feld von der Oberfläche zum Detektor transportiert werden.Embodiments of the invention are particularly preferred in which in the space between the surface to be analyzed and the detector have at least one electrical acceleration supply field, preferably also a magnetic field are also provided, wherein expediently both fields are homogeneous with field lines that run essentially along the shortest connection between surface and detector. By such Arrangement of electrical and magnetic fields, it is for complete detection of the particles emitted by the detector no longer need the detector essentially covers the whole solid angle on one side of the surface, because then that of the surface particles emitted by the electric field in the direction of the detector be accelerated and any transverse pulse components by the magnetic field are converted into a rotation around the magnetic field lines, so that particles with high transverse pulse (i.e. perpendicular to the direction of the shortest connection between Surface and detector) bundled by the magnetic field and due to their remaining Longitudinal pulse and especially the acceleration due to the additional applied electric field can be transported from the surface to the detector.

Die Größe des Transversalimpulses äußert sich dann nur noch im Abstand und Winkel des Auftreffortes auf dem Detektor, gemessen bezüglich der kürzesten Verbindungslinie zwischen Oberfläche und Detektor und ausgehend von dem Auftreffpunkt des ionisierenden Strahls. Aus diesem Abstand und der gemessenen Flugzeit lassen sich Impuls und Richtung eindeutig bestimmen.The size of the transverse pulse is then only expressed in the distance and angle of the Impact points on the detector, measured with regard to the shortest connecting line between Surface and detector and starting from the point of impact of the ionizing beam. Out This distance and the measured flight time make the impulse and direction unambiguous determine.

Es versteht sich, daß aufgrund des Anlegens eines elektrischen Feldes nur noch Teilchen einer gegebenen positiven oder negativen Ladung von dem Detektor erfaßt werden können. Einfaches Umpolen des Feldes und gegebenenfalls die Änderung der Feldstärke erlauben es jedoch, eine Teilchensorte entgegengesetzter Ladung ebenfalls mit optimalem Raumwinkel und Impuls auflösung zu erfassen und somit für die Analyse der Oberfläche auch eventuell herausge schlagene, positive Ionen nachzuweisen oder wenn aufgrund der Art der ionisierenden Strahlung möglicherweise das Entstehen von Positronen zu erwarten ist, auch diese zu erfassen.It is understood that due to the application of an electric field only particles of one given positive or negative charge can be detected by the detector. Simple Reversing the polarity of the field and, if necessary, changing the field strength, however, allow a Particle type of opposite charge also with optimal solid angle and momentum Detect resolution and thus possibly also for the analysis of the surface detect positive ions or if due to the nature of the ionizing radiation positrons may possibly be expected to be detected as well.

Der Einfachheit halber geht die vorliegende Beschreibung im wesentlichen von der Herauslösung bzw. dem Erzeugen oder Rückstreuen von Elektronen aufgrund der ionisierenden Strahlung aus, ohne daß insoweit eine Beschränkung erfolgen soll. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung auf herausgelöste Teilchen beliebiger Art, insbesondere auch positive und negative Ionen, anwendbar ist.For the sake of simplicity, the present description essentially proceeds from the extraction or the generation or backscattering of electrons due to the ionizing radiation, without any limitation. It is self-evident for the expert that the method according to the invention and the corresponding device are released Particles of any kind, in particular also positive and negative ions, can be used.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hinsichtlich der Verfahrensweise ein Speichermodus vorgesehen, bei welchem die sich in Richtung des Detektors bewegenden, elektrisch geladenen Teilchen vor dem Erreichen des Detektors durch eine Potentialbarriere gestoppt und zurückreflektiert werden, wobei entweder eine zusätzliche Barriere in Gegenrichtung verhindert, daß die Teilchen zurück bis zu der zu analysierenden Oberfläche gelangen, wobei auch diese Oberfläche selbst oder ein vor dieser angeordnetes Potentialgitter auf eine entsprechend höhere Spannung angehoben werden kann, so daß in diesem Speichermodus die elektrisch geladenen Teilchen zwischen den so gebildeten Potentialbarrieren eingefangen sind und hin und her reflektiert werden, bis die Potentialbarriere vor dem Detektor stufenweise abgesenkt wird, so daß zunächst die höherenergetischen Teilchen auf den Detektor auftreffen und anschließend auch Teilchen mit zunehmend niedrigerer Energie auf den Detektor gelangen.In the preferred embodiment of the invention, the procedure is as follows: Storage mode is provided in which the moving in the direction of the detector electrically charged particles before reaching the detector through a potential barrier stopped and reflected back, with either an additional barrier in the opposite direction prevents the particles from getting back to the surface to be analyzed, whereby also this surface itself or a potential grid arranged in front of it on a accordingly higher voltage can be raised, so that in this storage mode electrically charged particles are trapped between the potential barriers thus formed and are reflected back and forth until the potential barrier in front of the detector is gradually lowered is, so that first the higher energy particles hit the detector and then particles with increasingly lower energy also reach the detector.

Aus der Energie, welche die Teilchen beim Oberwinden der Potentialbarriere haben und der bis dahin verstrichenen Zeit läßt sich auch die Zahl der hin- und her-Reflexionen zwischen den Potentialbarrieren genau bestimmen, so daß sich hieraus der Gesamtlaufweg der Teilchen und in Verbindung mit der Gesamtlaufzeit und der ortsaufgelösten Messung auf der Detektoroberfläche auch die Impulskomponenten und die Gesamtenergie des Teilchens berechnen lassen.From the energy that the particles have when breaking the potential barrier and up to the elapsed time can also be the number of back and forth reflections between the Determine potential barriers precisely so that the total path of the particles and in connection with the total runtime and the spatially resolved measurement on the detector surface also have the impulse components and the total energy of the particle calculated.

Die entsprechende Vorrichtung weist kurz vor dem Detektor zwei kurz hintereinander angeordnete Potentialgitter auf, zwischen welchen eine entsprechende Sperrspannung zur Erzeugung einer Potentialbarriere angelegt werden kann. Zweckmäßig ist es auch, wenn zusätzlich irgendwo auf der Strecke zwischen untersuchter Oberfläche und dem Detektor ein weiteres, doppeltes Potentialgitter angeordnet wird, an welchem ebenfalls eine entsprechende Barrierenspannung angelegt wird, so daß die Teilchen, nachdem sie von der Oberfläche abgelöst wurden, zunächst über eine Beschleunigungsstrecke in Richtung Detektor beschleunigt werden, wobei ein elektrisches Beschleunigungsfeld zum Beispiel zwischen der Probenoberfläche bzw. einem unmittelbar hiervor angeordneten Potentialgitter und einem mittleren Potentialgitter liegt, welches vorzugsweise als doppeltes Potentialgitter ausgebildet ist, so daß die Teilchen danach (hinter dem mittleren Potentialgitter) mit konstanter Geschwindigkeit weiter in Richtung Detektor driften, vor welchem aber die bereits erwähnte Potentialbarriere in Form eines Doppelgitters geschaltet ist. Wegen der relativ kurzen Zeitdauer des Bestrahlungspulses und bei nicht allzu unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten, die auch noch durch die Beschleunigungsspannung vergleichmäßigt werden, kann dann an dem mittleren, doppelten Potentialgitter nach einer vorgegebenen Zeit, die der maximalen Beschleunigungszeit zwischen Detektor und mittlerem Gitterpaar eines mit der Anfangsgeschwindigkeit null aus der Oberfläche austretenden Teilchens entspricht, das Gegenpotential auch an dem mittleren, doppelten Potentialgitter angelegt werden, bevor die sich am schnellsten in Richtung des Detektors bewegenden Elektronen von dem Reflektorpotential vor dem Detektor zurückgeworfen worden sind und das mittlere, doppelte Potentialgitter erreicht haben.The corresponding device has two shortly in front of the detector Potential grid on, between which a corresponding reverse voltage to generate a Potential barrier can be created. It is also useful if in addition somewhere the distance between the examined surface and the detector another, double Potential grid is arranged, on which also a corresponding barrier voltage is applied so that the particles, after being detached from the surface, initially be accelerated over an acceleration path towards the detector, with a electrical acceleration field, for example between the sample surface or a immediately in front of it is a potential grid and a middle potential grid, which is preferably designed as a double potential grid, so that the particles afterwards (behind the middle potential grid) drift towards the detector at a constant speed but which is connected to the potential barrier already mentioned in the form of a double grid. Because of the relatively short duration of the radiation pulse and not too different Initial speeds, which are also equalized by the acceleration voltage can then on the middle, double potential grid after a predetermined time, the the maximum acceleration time between the detector and the middle pair of gratings one with the Initial velocity corresponds to zero particle emerging from the surface, that Counter potential can also be applied to the middle, double potential grid before the fastest moving electrons in the direction of the detector from the reflector potential have been thrown back and the middle, double potential grid is reached to have.

Es versteht sich, daß wegen der hohen Geschwindigkeiten, die Teilchen schon bei einer Beschleunigungsspannung von zum Beispiel 100 V erreichen, die absoluten Zeiten für den Auf- und Abbau der Potentialbarrieren sehr kurz sind und höchstens in der Größenordnung von Mikrosekunden liegen, so daß entsprechend schnell eine weitere Messung mit einem neuen Strahlpuls stattfinden kann.It is understood that because of the high speeds, the particles already at one Acceleration voltage of 100 V, for example, reach the absolute times for the and removal of the potential barriers are very short and at most in the order of magnitude Microseconds lie, so that another measurement with a new one is correspondingly quick Beam pulse can take place.

Als Detektor wird in der bevorzugten Ausführungsform ein Vielkanalplatten-Elektronenvervielfacher verwendet. Ein solcher Detektor hat sehr kurze Nachweiszeiten bei guter Ortsauflösung, so daß sich in Verbindung mit der Flugzeit hieraus sämtliche interessierende Informationen über Impuls und Energie der Teilchen ergeben.In the preferred embodiment, a multichannel plate electron multiplier is used as the detector used. Such a detector has very short detection times with good spatial resolution, so that in connection with the flight time all relevant information about impulse and give energy of the particles.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazu gehörigen Figuren.Further advantages, features and possible uses of the present invention will become apparent clear from the following description of a preferred embodiment and the related proper figures.

Die einzige Figur zeigt im oberen Teil schematisch den experimentellen Aufbau für die erfindungsgemäße Oberflächenanalyse und im unteren Teil wiederum schematisch den Potentialverlauf zwischen Probe und Detektor in verschiedenen Betriebszuständen.The only figure in the upper part shows the experimental setup for the surface analysis according to the invention and in the lower part again schematically the Potential curve between sample and detector in different operating states.

Man erkennt links oben in der Figur schematisch dargestellt eine Probe 1 mit einer Oberfläche 2. Rechts, der Oberfläche 2 gegenüberliegend, erkennt man einen Detektor 3, der die von der Oberfläche 2 ausgehenden Teilchen erfaßt. Nicht eingezeichnet ist die ionisierende Strahlung, die in dem mit 4 bezeichneten Punkt auf der Oberfläche 2 auftrifft. Beispielhaft und schematisch dargestellt sind hier die Bahnen zweier Elektronen, bezeichnet als "Elektron 1" und "Elektron 2", die beim Auftreffen eines Strahlpulses an dem Ort 4 aus der Oberfläche 2 austreten und sich auf spiraligen Bahnen in Richtung des Detektors 3 bewegen.A sample 1 with a surface 2 is shown schematically at the top left in the figure. On the right, opposite the surface 2 , one can see a detector 3 which detects the particles emanating from the surface 2 . Not shown is the ionizing radiation incident in the region labeled 4 point on the surface. 2 The orbits of two electrons, referred to as "electron 1" and "electron 2", are shown here by way of example and schematically, which emerge from the surface 2 when a beam pulse strikes the location 4 and move in the direction of the detector 3 on spiral tracks.

Auf einem ersten Teil der Strecke ist ein vorzugsweise homogenes, elektrisches Feld angelegt, und zwar entweder zwischen einem unmittelbar vor der Oberfläche 2 angeordneten ersten Potentialgitter P₁ und einem mittleren Potentialgitter P₂ oder aber, falls die Probe 1 metallisch bzw elektrisch leitfähig ist, zwischen der Oberfläche 2 der Probe 1 und dem Potentialgitter P₃. Es versteht sich, daß sich aufgrund des elektrischen Feldes die eingezeichneten spiraligen Bahnen der Elektronen 1 und 2 in diesem Bereich kontinuierlich axial verlängern müßten, was jedoch aus Gründen der Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung hier nicht entsprechend wie dergegeben ist.A preferably homogeneous electric field is applied to a first part of the route, either between a first potential grid P ₁ arranged directly in front of the surface 2 and a middle potential grid P ₂ or, if the sample 1 is metallic or electrically conductive, between the surface 2 of the sample 1 and the potential grid P ₃ . It goes without saying that, due to the electric field, the spiral paths of electrons 1 and 2 shown in this area would have to be axially extended continuously in this area, which, however, is not correspondingly shown here for the sake of simplifying the drawing.

Dem vorzugsweise homogenen elektrischen Feld, welches sich von der Oberfläche 2 bzw. der Gitterelektrode P₁ zu der mittleren Gitterelektrode P₃ erstreckt, ist noch ein ebenfalls vorzugs weise homogenes Magnetfeld überlagert, welches sich im wesentlichen über die gesamte Strecke zwischen der Probenoberfläche 2 und der Oberfläche des Detektors 3 erstreckt. Auch das homogene Magnetfeld hat vorzugsweise Feldlinien, die genau in Richtung der kürzesten Verbindung zwischen der Oberfläche 2 und dem Detektor 3 verlaufen, wie es durch die von links nach rechts weisenden Pfeile angedeutet wird. Im oberen Teil des Bildes ist die Längserstreckung des elektrischen Feldes durch einen Doppelpfeil angezeigt und weiter unten ist die Erstreckung des Magnetfeldes ebenfalls durch einen Doppelpfeil angezeigt.The preferably homogeneous electric field, which extends from the surface 2 or the grid electrode P ₁ to the middle grid electrode P ₃ , is also a preferably homogeneous magnetic field superimposed, which extends essentially over the entire distance between the sample surface 2 and the Surface of the detector 3 extends. The homogeneous magnetic field also preferably has field lines which run exactly in the direction of the shortest connection between the surface 2 and the detector 3 , as is indicated by the arrows pointing from left to right. In the upper part of the picture, the longitudinal extension of the electric field is indicated by a double arrow, and below, the extension of the magnetic field is also indicated by a double arrow.

Der nicht von dem elektrischen Feld erfaßte Teil wird als feldfreie Driftstrecke bezeichnet.The part not covered by the electric field is called a field-free drift path.

Die Elektronen, die mit einem gewissen Longitudinalimpuls (in Richtung der Pfeile) und einem Transversalimpuls (senkrecht zu den Pfeilen) aus der Oberfläche 2 austreten, werden durch das elektrische Feld in Richtung der Elektrode P₃ und damit in Richtung des Detektors 3 beschleunigt und werden dabei durch das Magnetfeld auf Kreis- bzw. Schraubenbahnen gezwungen, deren Durchmesser von den jeweiligen Transversalimpulsen bzw. den jeweiligen quer zu den Magnetfeldlinien verlaufenden Geschwindigkeiten (und selbstverständlich der Ladung und Masse der Teilchen) abhängen. Durch Messen des Zeitpunktes beim Auftreffen des Strahls auf den Punkt 4 und Erfassen von Zeitpunkt und Ort der Elektronen 1 und 2 auf der Detektoroberfläche ergibt sich unmittelbar deren Flugzeit sowie ihre transversalen Impulskomponenten und daraus wiederum die Energie und Impulse der Elektronen 1, 2. Dies hängt damit zusammen, daß die Zyklotronfrequenz von Elektronen im Magnetfeld nur von der Stärke des Magnetfeldes B und von dem Verhältnis e/m (Ladung zu Masse der Elektronen oder sonstigen Teilchen) abhängt. Unterschiedliche Transversalimpulse führen nur zu unterschiedlichen Radien dieser Zyklotronbah nen, jedoch nicht zu unterschiedlichen Umlauffrequenzen. Die Laufzeit bestimmt dann eindeutig den aktuellen Winkel der Zyklotronbahn zum Zeitpunkt des Auftreffens der Elektronen auf dem Detektor, hieraus ergibt sich wiederum die Lage eines Kreis- bzw Bahnmittelpunktes (Bahnachse), von welchem aus der betreffende Auftreffpunkt gerade dem zugehörigen Winkel in der Zyklotronbahn nach der gegebenen Laufzeit entspricht. Damit liegt auch der Radius dieses Kreises bzw. der Zyklotronbahn fest und hieraus ergibt sich wiederum der Transversalimpuls. Lediglich bei einigen speziellen Punkten, nämlich immer dann, wenn die Laufzeit einem ganzzahligen Vielfachen des Kehrwertes der Zyklotronfrequenz entspricht, kann der Transversal impuls nicht eindeutig bestimmt werden. Wenn bei einer gegebenen Oberfläche, einer gegebenen Strahlenergie und Geometrie der Vorrichtung diese Bedingung zufällig für einen großen Anteil der herausgelösten Teilchen erfüllt sein sollte, kann man dem allerdings durch passende Wahl der Magnetfeldes und auch des elektrischen Beschleunigungsfeldes oder auch durch eine Änderung des Abstandes zwischen Oberfläche und Detektor leicht entgegenwirken.The electrons that emerge from the surface 2 with a certain longitudinal pulse (in the direction of the arrows) and a transverse pulse (perpendicular to the arrows) are accelerated by the electric field in the direction of the electrode P ₃ and thus in the direction of the detector 3 thereby forced by the magnetic field on circular or helical paths, the diameter of which depend on the respective transverse pulses or the respective speeds (and of course the charge and mass of the particles) running transversely to the magnetic field lines. By measuring the point in time when the beam strikes point 4 and detecting the point in time and location of electrons 1 and 2 on the detector surface, the flight time and their transversal pulse components and the energy and pulses of electrons 1, 2 are derived. This depends together with the fact that the cyclotron frequency of electrons in the magnetic field depends only on the strength of the magnetic field B and on the ratio e / m (charge to mass of the electrons or other particles). Different transverse pulses only lead to different radii of these cyclotron tracks, but not to different frequencies. The transit time then clearly determines the current angle of the cyclotron orbit at the time the electrons hit the detector, which in turn results in the position of a circle or orbit center (orbit axis), from which the point of impact in question just corresponds to the associated angle in the cyclotron orbit corresponds to the given term. This also fixes the radius of this circle or the cyclotron orbit, which in turn results in the transverse pulse. Only with some special points, namely always when the transit time corresponds to an integral multiple of the reciprocal of the cyclotron frequency, the transverse pulse cannot be clearly determined. If for a given surface, a given beam energy and the geometry of the device this condition happens to be fulfilled for a large proportion of the released particles, this can be done by a suitable choice of the magnetic field and also the electrical acceleration field or by changing the distance between the surface and counteract the detector easily.

Die vorstehend beschriebene Betriebsweise entspricht dem sogenannten Projektionsmodus, der im unteren Teil der Figur oben dargestellt ist. Dabei ist schematisch in der Vertikalen das elektrische Potential aufgetragen und es sind an verschiedenen Positionen Potentialgitter P₁ bzw. Potentialdoppelgitter P₃ und P₂ mit aktuellen Potentialwerten V₁, V₃ und V₂ eingezeichnet.The above-described mode of operation corresponds to the so-called projection mode, which is shown in the lower part of the figure above. The electrical potential is schematically plotted in the vertical and potential grids P ₁ or potential double grids P ₃ and P ₂ with current potential values V ₁ , V ₃ and V _{2 are} shown at different positions.

In dem zuerst beschriebenen Projektionsmodus werden entsprechend dem Verlauf des elektrischen Potentials (Potentialdifferenz V₃-V₁) die Elektronen in Richtung des Detektors 3 bzw. in Richtung der Gitterelektrode P₃ beschleunigt und driften von dort mit konstanter Longitudinalge schwindigkeit in Richtung des Detektors 3 bzw. des unmittelbar davor angeordneten Potentialgit ters P₂.In the projection mode described first, the electrons are accelerated in the direction of the detector 3 or in the direction of the grid electrode P _{3 in} accordance with the profile of the electrical potential (potential difference V ₃ -V ₁ ) and drift from there at a constant longitudinal speed in the direction of the detector 3 or the potential grid P ₂ arranged directly in front of it.

Im Speichermodus, der in der Mitte und unten in der unteren Figur dargestellt ist, ist zum Zeitpunkt des Auftreffens des ionisierenden Strahlpulses ebenfalls die Beschleunigungsspannung V₃-V₁ zwischen dem Potentialgitter P₁ und dem Potentialdoppelgitter P₃ angelegt. Gleichzeitig wird zwischen den beiden Einzelgittern des Potentialdoppelgitters P₂ ein in Gegenrichtung geschaltetes elektrisches Potential V₂ bzw. V₂-V₃ angelegt, welches größer ist als die Differenz V₁-V₃. Da die Laufzeit der Elektronen wesentlich größer ist als die Pulsdauer und da die Geschwindigkeiten der aus der Oberfläche 2 austretenden Elektronen im Vergleich zu der Geschwindigkeit, die sie aufgrund der Beschleunigung im elektrischen Feld erlangen, nur geringfügige Unterschiede aufweist, bewegen sich mehrere gleichzeitig durch den Strahlpuls aus der Oberfläche 2 herausgelöste Elektronen als "Wolke" in vergleichsweise kleinen (bezogen z. B. auf die Länge der Driftstrecke) relativen Abständen zueinander und auf unterschiedlichen Spiralbahnen, deren Radien den jeweiligen Transversalimpulsen entsprechen, von der Oberfläche 2 in Richtung des Detektors. Dabei werden die Elektronen bis zu der Gitterelektrode P₃ noch beschleunigt. Die größte Laufzeit haben dabei bis zur Elektrode P₃ diejenigen Elektronen, deren anfänglicher Longitudinalimpuls gleich null war, die also allein durch das elektrische Feld in Richtung der Elektrode P₃ und damit in Richtung des Detektors beschleunigt wurden. Deren Laufzeit läßt sich aus der Stärke des elektrischen Feldes bzw. der Potentialdifferenz V₁-V₃ exakt berechnen. Sobald diese maximale Laufzeit für die Strecke P₁-P₃ verstrichen ist, befinden sich alle bei dem Strahlpuls erzeugten Elektronen zwischen den beiden Doppelgitterelektroden P₂ und P₃. Dabei ist vorausgesetzt, daß die maximale Anfangsgeschwindigkeit der Teilchen in Längsrichtung der Felder nur einen Bruchteil der durch das elektrische Beschleunigungsfeld vermittelten Geschwindigkeit der Teilchen ausmacht. Aber auch, wenn die maximale Anfangs geschwindigkeit der Teilchen in Richtung auf den Detektor erheblich sein sollte, kann man durch Verlängerung der Driftstrecke im Verhältnis zur Beschleunigungsstrecke sicherstellen, daß sich zu einem gegebenen Zeitpunkt nach dem Herauslösen der Teilchen aus der Oberfläche, sämtliche Teilchen in dem Raum zwischen den Potentialgittern P₃ und P₂ befinden.In the storage mode, which is shown in the middle and below in the lower figure, the acceleration voltage V ₃ -V _{1 is also applied} between the potential grid P ₁ and the potential double grid P ₃ at the time of the impact of the ionizing beam pulse. At the same time, an electrical potential V ₂ or V ₂ -V ₃ which is switched in the opposite direction and which is greater than the difference V ₁ -V ₃ is applied between the two individual grids of the potential double grid P ₂ . Since the transit time of the electrons is considerably longer than the pulse duration and since the velocities of the electrons emerging from the surface 2 have only slight differences compared to the velocity which they achieve due to the acceleration in the electric field, several move through the beam pulse at the same time Electrons released from the surface 2 as a "cloud" at comparatively small (relative to the length of the drift path, for example) relative distances to one another and on different spiral tracks, the radii of which correspond to the respective transverse pulses, from the surface 2 in the direction of the detector. The electrons are accelerated up to the grid electrode P ₃ . Up to electrode P _3, the longest running time are those electrons whose initial longitudinal pulse was zero, that is to say they were accelerated solely by the electric field in the direction of electrode P ₃ and thus in the direction of the detector. Their transit time can be calculated exactly from the strength of the electric field or the potential difference V ₁ -V ₃ . As soon as this maximum transit time for the path P ₁ -P _{3 has} passed, all the electrons generated in the beam pulse are located between the two double grid electrodes P ₂ and P ₃ . It is assumed that the maximum initial velocity of the particles in the longitudinal direction of the fields is only a fraction of the velocity of the particles mediated by the electrical acceleration field. But even if the maximum initial speed of the particles in the direction of the detector should be considerable, one can ensure by extending the drift distance in relation to the acceleration distance that at a given time after the particles are detached from the surface, all the particles in the Space between the potential grids P ₃ and P ₂ are.

Nunmehr kann auch an der Doppelgitterelektrode P₃ ein Gegenpotential V'₃-V₁ angelegt werden, welches größer sein sollte als die zuvor zwischen P₁ und P₃ angelegte Beschleunigungs spannung. Auf diese Weise sind die Elektronen in dem Potentialkasten zwischen P₂ und P₃ gefangen, sofern ihre Energie nicht dem Betrag der Barrieren V₂ und V₃ übersteigt. Die Barriere V₂ wird nun in kurz aufeinanderfolgenden Schritten stufenweise herabgesetzt, so daß jeweils diejenigen Elektronen diese Barriere V₂ überwinden können, die eine entsprechend höhere Energie (in dieser Richtung) haben. Die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden, stufenweisen Herabsetzungen des Potentials V₂ entspricht dabei der maximalen doppelten Laufzeit der Elektronen zwischen den Elektroden P₂, P₃, die sich aus der minimalen Driftge schwindigkeit der Elektronen ergibt und die wiederum durch die Beschleunigungsspannung festgelegt wurde. Aber auch eine kontinuierliche Herabsetzung der Potentialbarriere ist möglich.Now a counter potential V ' ₃ -V ₁ can also be applied to the double grid electrode P ₃ , which should be greater than the acceleration voltage previously applied between P ₁ and P ₃ . In this way, the electrons are trapped in the potential box between P ₂ and P ₃ , provided that their energy does not exceed the amount of the barriers V ₂ and V ₃ . The barrier V ₂ is now gradually lowered in short successive steps, so that in each case those electrons can overcome this barrier V ₂ that have a correspondingly higher energy (in this direction). The time between two successive, gradual reductions in the potential V ₂ corresponds to the maximum double transit time of the electrons between the electrodes P ₂ , P ₃ , which results from the minimum drift speed of the electrons and which in turn was determined by the acceleration voltage. A continuous reduction of the potential barrier is also possible.

Dieser Speichermodus ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die auftreffende, gepulste Strahlung sehr energiereich ist, wie zum Beispiel im Fall einer Schwerionenstrahlung, wobei auch durch einen sehr kurzen Strahlpuls eine sehr große Anzahl von Teilchen aus der Oberfläche herausgelöst wird und wobei die sehr große Anzahl fast gleichzeitig eintreffender Teilchen das zeitliche Auflösungsvermögen des Detektors 3 übersteigen könnte. Durch den eben be schriebenen Speichermodus werden die Teilchen zunächst zwischengespeichert und sortiert nach ihrem Longitudinalimpuls bzw. der Longitudinalenergie in entsprechend kleineren Portionen an den Detektor abgegeben, so daß nach Möglichkeit dessen zeitliches Auflösungsvermögen ausreicht, alle auftreffenden Teilchen zu erfassen und zu unterscheiden. Die mehrfachen Reflektionen zwischen den Potentialbarrieren bei P₂ und P₃ vergrößern außerdem den räumlichen, und damit auch den zeitlichen Abstand von Teilchen mit sehr nahe beieinander liegenden longitudinalen Geschwindigkeiten.This storage mode is particularly useful when the impinging, pulsed radiation is very high in energy, such as in the case of heavy ion radiation, a very large number of particles being released from the surface even by a very short beam pulse, and the very large number being almost particles arriving at the same time could exceed the temporal resolution of the detector 3 . Due to the storage mode just described, the particles are first temporarily stored and sorted according to their longitudinal pulse or the longitudinal energy in correspondingly smaller portions to the detector, so that, if possible, its temporal resolution is sufficient to detect and distinguish all incident particles. The multiple reflections between the potential barriers at P ₂ and P _{3 also} increase the spatial, and thus also the temporal spacing of particles with very close longitudinal velocities.

Für die Erzeugung des elektrischen Feldes können anstelle von Potentialgittern oder auch zusätzlich zu Potentialgittern auch Potentialringe verwendet werden. Für die Erzeugung eines entsprechenden, vorzugsweise homogenen Magnetfeldes können Helmholtzspulen verwendet werden. Diese haben aber ein im Vergleich zu ihren Abmessungen ein relativ kleines homogenes Feldvolumen. Es wäre daher auch möglich, mit Hilfe von mehreren kleineren Ringspulen, deren Stromstärke und möglicherweise auch Position individuell einstellbar ist, ebenfalls ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen, welches im wesentlichen den gesamten Raum zwischen der zu analysierenden Oberfläche und der gesamten Detektoroberfläche ausfüllt, wobei die Außen abmessungen einer derartigen Spulenanordnung womöglich wesentlich kleiner sein könnte als die zweier Helmholtzspulen.For the generation of the electric field can instead of potential grids or In addition to potential grids, potential rings can also be used. For the creation of a corresponding, preferably homogeneous magnetic field, Helmholtz coils can be used become. However, these have a relatively small homogeneous compared to their dimensions Field volume. It would therefore also be possible to use several smaller ring coils Amperage and possibly also position is individually adjustable, also a homogeneous Generate magnetic field, which essentially covers the entire space between the analyzing surface and the entire detector surface fills, the outside Dimensions of such a coil arrangement could possibly be significantly smaller than that two Helmholtz coils.

Bei einem Prototypen der erfindungsgemäßen Vorrichtung lag der Abstand zwischen der Oberfläche 2 und dem Detektor 3 in der Größenordnung von 20 bis 60 cm, der Durchmesser der (kreisrunden) Detektoroberfläche betrug etwa 80 mm und die Stärken des elektrischen Feldes waren wählbar zwischen 0 und etwa 20 V/cm, und zwar über eine Strecke, die etwa zwischen 40 und 60% der gesamten Entfernung zwischen Probenoberfläche und Detektor ausmachte. Das Magnetfeld wurde mit Helmholtzspulen erzeugt und konnte zwischen 0 und maximal 120 Gauß variiert werden.In a prototype of the device according to the invention, the distance between the surface 2 and the detector 3 was of the order of 20 to 60 cm, the diameter of the (circular) detector surface was approximately 80 mm and the strengths of the electric field were selectable between 0 and approximately 20 V / cm, and that over a distance that made up approximately between 40 and 60% of the total distance between the sample surface and the detector. The magnetic field was generated with Helmholtz coils and could be varied between 0 and a maximum of 120 Gauss.

Zweckmäßigerweise ist die Probe 1 auf einem Goniometer montiert und somit in allen Richtungen dreh- und kippbar und auch die Elektroden sowie die Magnetspulen sollten nach Möglichkeit in ihrer räumlichen Lage verstellbar sein, um die Homogenität und Richtung der Felder optimal einstellen zu können.The sample 1 is expediently mounted on a goniometer and can thus be rotated and tilted in all directions, and the electrodes and the magnetic coils should also be adjustable in their spatial position, if possible, in order to be able to optimally adjust the homogeneity and direction of the fields.

Es versteht sich, daß man prinzipiell auch mit inhomogenen Feldern arbeiten könnte, was jedoch die Auswertung der Ergebnisse entsprechend komplizierter macht.It goes without saying that one could in principle also work with inhomogeneous fields, but that the evaluation of the results complicates accordingly.

Claims

1. A method for analyzing surfaces by means of ionizing radiation, in which ionizing radiation is directed in a controlled manner onto a surface to be analyzed and thereby emerging or backscattered particles are released from the surface to the outside and are detected by at least one detector to determine the type, energy and direction of the to determine the emitted particles, characterized in that the irradiation takes place in short, clearly separate time intervals (pulses), the duration of which is shorter than the time of flight of the particles from the surface to be analyzed to the detector, a location- and time-resolving detector being used.

2. The method according to claim 1, characterized in that the irradiation time (Pulse length) is in each case shorter than 100 nanoseconds (ns), preferably less than 10 ns and in particular about 1 ns.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the time intervals between two successive radiation pulses are larger than the largest Flight time of emerging or backscattered particles from the surface to the detector.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Pulse lengths and intermediate intervals are multiples of a definable time unit.

5. The method according to claim 4, characterized in that the time periods of a sequence of pulses and intermediate intervals of a random pattern or a selectable code correspond.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the particles exposed to an electrical acceleration field between the surface and the detector become.

7. The method according to claim 6, characterized in that the electric field is a homogeneous field whose field lines are parallel to the direction of the analyte the surface run to the detector.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that during the flight time of the particles from the surface to the detector an electrical storage field between surface and detector is switched on, which is at a distance there are mutually arranged potential barriers for the particles.

9. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the electrical Acceleration field only over part of the distance between the surface and the detector extends.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the particles be exposed to a magnetic field between the surface and the detector Field lines essentially along the connection between surface and detector run.

11. The method according to claim 10, characterized in that the magnetic field in a is essentially homogeneous magnetic field.

12. Device for the analysis of surfaces by means of ionizing radiation, with a Source of ionizing radiation, means for directing the beam relative to the surface to be analyzed and a detector for the detection of particles by the incident radiation is released from the surface or backscattered and move in the space between the surface and the detector characterized that devices for interrupting or pulsed operation the ionizing radiation are provided, as well as time measuring devices, which the The time or the duration of a beam pulse and the time or the duration the subsequent impact of particles on the detector, the Detector is also a spatially resolving detector.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the means for Generate the pulsed operation and the time measuring devices have a time resolution of better than 10 nanoseconds (ns), preferably 1 ns or better.

14. The apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that an electrical Potential generating device for generating an electrical acceleration field between surface and detector with selectable strength and direction of the field is provided.

15. The device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the electrical acceleration field between surface and detector on part of the Distance between surface and detector is limited.

16. The apparatus according to claim 14 or 15, characterized in that the device Has potential rings, which the distance between the surface and the detector in essentially coaxially surrounded.

17. The device according to one of claims 14 to 16, characterized in that at least two potential grids are provided, to which an electrical voltage can be applied and which is essentially perpendicular to the connection direction of the surface to the detector and in the space between them.

18. Device according to one of claims 12 to 17, characterized in that Devices for generating a potential trap for between the surface and the detector located particles are provided.

19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the devices for Generation of potential traps are potential double grids.

20. Device according to one of claims 12 to 19, characterized in that Devices for generating a magnetic field are provided, preferably in the Way that the field lines generated thereby from the surface to Detector run.

21. The apparatus according to claim 20, characterized in that the devices Helmholtz coils are.

22. The apparatus according to claim 20, characterized in that a plurality of ring coils of different diameters and with individually adjustable power supply are provided.

23. The device according to one of claims 12 to 22, characterized in that the Detector is a so-called multi-hit capable detector.