DE2550668A1

DE2550668A1 - Wienfilter

Info

Publication number: DE2550668A1
Application number: DE19752550668
Authority: DE
Inventors: Nicolaas Hazewindus; Jacob Maria Van Nieuwland
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-11-25
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1976-05-26
Also published as: NL7415318A; FR2292331A1; US4019989A; JPS5177384A; FR2292331B1; GB1523458A

Description

ΡΐίΝ 779S Dr. Herbert Seboi* _Λ r- r- « ~ _Λ ~ DUYS/JV/CB

i"-:e!der: N. V. PK.LIPS' GLO EILAMPENFABRtEKEN

Akte: PHN 7798 Anmeldung vom» 16₀10ο75

»Wienfliter".

Die Erfindung bezieht sich auf ein

Wienfilter zum Selektieren von Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus einem Bündel geladener Teilchen, das Mittel zum Aufrechterhalten eines elektrischen und eines magnetischen Feldes enthält, welche Felder nahezu senkrecht aufeinander stehen und je zu der Achse des genannten Bündels nahezu senkrecht sind, wobei das magnetische Feld zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten erzeugt wird, der mit Mitteln zum Anbringen eines einstellbaren Gradienten im obengenannten magnetischen Feld versehen ist, welcher Gradient zu dem elektrischen Feld nahezu parallel ist.

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Ein derartiges Wienfilter ist aus dem

"Handbuch der Physik", Band 33, S. 594 (Korpuskularoptik) bekannt. Sobald das Bündel geladener Teilchen in das Wienfilter gelangt, werden auf jedes der geladenen Teilchen eine Kraft infolge des genannten elektrischen Feldes und eine Lorentz-Kraft ausgeübt. Diese beiden Kräfte wirken einander durch die beschriebene Felderstruktur entgegen. Für eine bestimmte Geschwindigkeit der geladenen Teilchen ν gilt dann :

e E = e ν Β
ζ

wobei e die Ladung des geladenen Teilchens,

E die elektrische Feldstärke,

B das Magnetfeld ist.

Mit anderen Worten: Die Kraft infolge des elektrischen Feldes und die Lorentz-Kraft gleichen sich aus und die Teilchen bewegen sich in einer geraden Bahn. Für die Geschwindigkeit ν gilt auch :

v_z = (2eiU/m)i (2), '

wobei m die Masse des betreffenden Teilchens und eU die kinetische Energie des Teilchens ist.

Daraus folgt, dass die Beziehung (i) für

Teilchen mit einem bestimmten Verhältnis zwischen Ladung, Masse und Energie erfüllt ist.

Besteht das in das Wienfilter einfallende Bündel aus Teilchen mit einer bestimmten Ladung und Energie, so wird nur für- eine Fraktion der Teilchen mit

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einer bestimmten Masse m die Beziehung (i) gelten, wodurch, dieses Bündel nicht abgelenkt wird. Teilchen mit einer anderen Masse werden abgelenkt und können nach dem Passieren des Filters weggefangen werden. Das Wienfilter wirkt auf diese Weise als ein Massen-•trennelement. Wenn jedoch dieses in das Wienfilter einfallende Bündel aus Teilchen mit einer bestimmten Masse und Ladung und verschiedenen Energien besteht, folgt daraus analog, dass das Wienfilter dann als Energietrennelement wirkt.

Derartige Wienfilter können in Vorrichtungen zur Massenanalyse' und Strukturanalyse von Oberflächenschichten mittels Ionenstreuung, in Ioiienquellen für Teilchenbeschleuniger als Massenseparatoren usw. verwendet-werden.

Bei derartigen Wienfiltern ist es bekannt, dass die Fokussierung des Teilchenbündels von einem Gradienten im elektrischen oder magnetischen Feld beeinflusst werden kann. Zum Anbringen eines Gradienten im elektrischen Feld wird meist eine Anzahl zusätzlicher Elektroden verwendet, wa.3 aus verschiedenen Gründen ziemlich bedenklich ist.

Im genannten Absatz aus dem "Handbuch

der Physik" wird ein Gradienten im Magnetfeld dadurch erhalten, dass die Polschuhe des Elektromagneten bewegbar ausgebildet werden. Die Einstellung dieses Magneten

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während seiner Wirkung geht völlig mechanisch vor sich und ist daher nicht einfach.

Die Erfindung bezweckt, ein Wienfilter mit einer erheblich einfacher regelbaren Fokussierung mit Hilfe eines einstellbaren Gradienten im Magnetfeld zu schaffen.

Weiter bezweckt die Erfindung, ein Wienfilter zu schaffen, dessen benötigter Gradient sich einfach berechnen lässt und daher für die Einstellung mit Hilfe einer Rechenanlage geeignet ist.

Ein Wienfilter der eingangs genannten Art

ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, die den genannten Gradienten erzeugen, zwei Spulen enthalten, die zu beiden Seiten des genannten Bündels liegen und deren Achsen zu dem elektrischen Feld nahezu parallel sind, wobei die in den Spulen erzeugten magnetischen Feldstärken einander nahezu entgegengesetzte Richtungen aufweisen.

Die Bildung eines Magnetfeldes mit einem Gradienten mittels zweier Spulen ist an sich bekannt (Dissertation J.M. van Nieuwland, Philips Research Reports, Suppl. 3 Eindhoven 1972, S. 29 und folgende) und diese Spulen werden als astigmatische Linse dem Extraktor in einem Zyklotron nachgeordnet. Die Anwendung in einem Wienfilter ist jedoch.neu und bietet viele Vorteile im

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Vergleich zu dem bereits bekannten Verfahren zum Anbringen eines Gradienten in dem Magnetfeld eines Wienfilters. Ausserdem kann die Einstellung durch Regelung des elektrischen Stromes durch die beiden Spulen erfolgen und lässt sich eine Betätigung mittels einer Rechenanlage leicht verwirklichen.

Eine besonders einfache und billige Ausführungsform ist die, bei der die gekannten Spulen um die Polschuhe des Elektromagneten herum gewickelt sind.

Ausserdem kann der Elektromagnet mit einer Anzahl zusätzlicher Wicklungen versehen werden, die in Reihe mit den genannten Spulen angeordnet, aber derart gewickelt sind, dass der in den zusätzlichen Wicklungen erzeugte Magnetfluss von dem in den genannten Spulen erzeugten Magnetfluss teilweise ausgeglichen wird.

Wenn die Anzahl A.W. (Amperewindungen) der

genannten zusätzlichen Wicklungen und jeder der genannten Spulen nahezu gleich ist, bleibt das Magnetfeld nahezu konstant längs einer Linie in der Medianebene durch die geometrische Mitte und in der geometrischen Mitte zwischen den Polschuhen. Dies hat den Vorteil, dass die Beziehung (i) für Teilchen, die sich längs dieser Linie bewegen, unabhängig von der Einstellung des Gradienten dm magnetischen Feld, nach wie vor erfüllt ist.

Eine weitere Möglichkeit ist, bei dem Wienfilter die genannten Polschuhe um Metallkerne zu. wickeln,

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die zwischen den Polschuhen angeordnet sind. Dabei sind die genannten zusätzlichen Wicklungen nicht erforderlich.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Figuren 1 und 2 schematisch das Wienfilter,

Fig. 3 eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik,

Fig. k eine Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 5 einen Schnitt längs der x-y-Ebene der Fig. h,

Fig. 6 den Verlauf eines Magnetfeldes in der y-Ri'chtung, und

Fig. 7 eine andere Ausführungsform nach der Erfindung. . .'

• · Fig. ·1 zeigt schematisch ein Wienfilter. Das elektrische Feld wird zwischen zwei nahezu fLachen Elektroden 1 und 2 mit einem elektrischen Potential -U,

bzw. +U, erzeugt. Die Elektroden weisen einen gegenseitigen Abstand gleich 2d auf. Es sei ein Bündel positiv geladener Teilchen 3 betrachtet, das zur Vereinfachung dieser schematischen Darstellung aus nur zwei Arten Teilchen mit Massen m und m (h und 5) bei derselben Energie besteht. Die Teilchen in dem Bündel beschreiben parallele Bahnen. Die Teilchen mit der Masse m.. , die sich in geringerer Entfernung von der Elektrode 1 mit dem

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Potential -U, bewegen, werden infolge des elektrischen Eandfeldes beim Eintreten des Teilchenbündels in das Wienfilter eine grössere Geschwindigkeit als Teilchen mit derselben Masse in der in der Mitte zwischen den Elektroden 1 und 2 liegenden Ebene 6 aufweisen. Die Te-ilchen 8 in geringerer Entfernung von der Elektrode 2 weisen dadurch eine niedrigere Geschwindigkeit auf. Es lässt sich nun einfach erkennen, dass die grössere -und die kleinere Lorentz-Kraft infolge der verschiedenen Geschwindigkeiten bewirken, dass die Teilchen 7 und 8 zu der Ebene 6 zurückgetrieben werden, wodurch eine JLinienfokus 9 gebildet wird. Teilchen 5 mit einer Masse m_? werden abgelenkt und weisen einen Linienfokus 10 auf. Es ist aus der Figur ersichtlich, dass an der Stelle, an der das Bündel analysiert wird, mittels des Spaltes 11 keine Trennung der Massen m₁ und m_? erzielt werden kann. Auch ist es nicht möglich, an den Stellen der Fokusse 9 und 10 eine Trennung anzubringen, weil für ein nicht genau paralleles Bündel die Fokusse nicht punktförmig sind und ihr gegenseitiger Abstand klein ist. Es ist bekannt, mit Hilfe eines Gradienten im magnetischen oder eldtrischen Feld die Fokussierung zu beeinflussen. Durch einen Gradienten im magnetischen Feld wird bewirkt, dass das magnetische Feld an der Elektrode 1 mit einem Potential -U, schwächer als das Magnetfeld nach der Beziehung (i) ist, wodurch die zurücktreibende Lorentz-Kraft geringer

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wird und der Fokus weiter von dem Wienfilter zu , liegen kommt, wie in Fig. Z dargestellt ist. Es kann nun wohl eine Trennung der Massen m.. und m_ mittels des Spaltes 1 1 erzielt werden. Aus d"en Maxwellschen Gesetzen folgt jedoch, dass, wenn auf die hier beschriebene Weise die Fokussierung in der Ebene 6 verringert wird, eine Fokussierung in der Ebene senkrecht zu der Ebene 6 auftreten wird, die die Medianebene der Polschuhe des Elektromagneten bildet, in der die Teilchen keinen Kräften ausgesetzt waren. Es erweist sich nun als möglich, die Fokussierung in den zwei genannten zueinander senkrechten Ebenen durch passende Wahl des Gradienten im Magnetfeld nahezu gleich stark zu machen. Ein auf diese Weise eingestelltes Wienfilter wird ein ursprünglich aus sich parallel bewegenden Teilchen bestehendes Bündel als einen Punkt oder runden Fleck abbilden. Eine stigmatische Abbildung ist hier also wohl möglich. Diese passende Wahl ist möglich, wenn der Gradient im magnetischen Feld gemäss der Erfindung erhalten wird. Die Trennung von Teilchen mit verschiedenen Geschwindigkeiten infolge von Massen- und/oder Energieunterschieden wird dadurch erheblich vereinfacht.

Fig. 3 zeigt eine bekannte Ausführungsform zum Erhalten eines Magnetfeldes mit einem Gradienten

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(siehe den betreffenden Absatz im vorgenannten "Handbuch der Physik"). Die Polschuhe 12 sind mit bewegbaren Teilen 13 versehen, die die Form von Halbzylindern aufweisen. Zwischen den Polschuhen .befinden sich plattenförmige Elektroden 1 und 2 zum Erzeugen des elektrischen Feldes. Die Einstellung der Polschuhe auf mechanischem Wege 1st jedoch umständlich und die Herstellung derselben ist kostspielig. Auch der Luftspalt zwischen den verschiedenen Teilen des Magneten ergibt Probleme.

Fig. h zeigt eine Ausführungsform eines Wienfilters nach der Erfindung. Der Elektromagnet besteht aus einem im wesentlichen C-förmigen Magnetjoch mit zwei Polschuhen 12. Das Magnetjoch ist aus Weicheisen hergestellt. Rings um das Magnetjoch ist eine Spule 14 angebracht, die aus etwa 500 Kupferdrahtwindungen besteht. Bei einem Strom von 5 A durch die Spule ik wird ein Magnetfeld B von etwa 780 Gauss erhalten (siehe auch Fig. 6), das nahezu homogen ist. Das elektrische Feld, dessen Stärke aus der Beziehung (i) folgt, wird zwischen den Elektroden 1 und 2 erzeugt. Nach der Erfindung sind eine Anzahl von Wicklungen 15 rings um die Polschuhe angebracht, die zwei Spulen bilden, deren Achsen zu dem elektrischen Feld nahezu parallel sind, wobei die in den Spulen erzeugten Magnetfelder einander entgegengesetzte

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Richtungen aufweisen. Von den Spulen wird dem bereits vorhandenen homogenen Magnetfeld ein Magnetfeld mit einem Gradienten zugesetzt. Der

und
Strom durch die Spulen damit auch der Gradient ist einstellbar. Um über eine Linie in der Medianebene und in der geometrischen Mitte der Polschuhe den Gradienten unabhängig von dem Magnetfeld ändern zu können, ist die Ausgleichsspule 16 hinzugefügt, die mit den Spulen auf den Polschuhen in Reihe geschaltet ist, wobei die Anzahl von Amperewindungen der Ausgleichsspule und jeder der genannten Spulen nahezu gleich ist.

Fig. 5j die einen Schnitt längs der x-y-Ebene der Fig. 4 zeigt, gibt die Richtung des elektrischen Stromes durch die Windungen der Spulen 14,

15 und 16 an. Die Spulen 15 und die Ausgleichsspule

16 sind in Reihe geschaltet,während die Spule 14 das Hauptmagnetfeld erzeugt. Die Polschuhe sind 2 1 breit, während y = O ein Punkt in der Medianebene und in der geometrischen Mitte zwischen den Polschuhen ist,

Es sei das Kreisintegral des Magnetfeldes B längs der gestrichelten Linie in Fig. 3 betrachtet.

^Bs d -

wobei · ·

N I die Anzahl Amperewindungen im Kreds,

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/U die magnetische Permeabilität (jj ist die m.P. in Luft),

B die Komponente des Magnetfeldes in Richtung des Weges s und

d s ein Linienelement dieses Weges ist. Dann gilt (wenn angenommen wird, dass B=O im Magnetjoch) für das Magnetfeld als Funktion von y :

B_(y) = /*/ e ^₁₁Ui

oder aber

^B(y) ^=yCi/g (^NI.^+MI1 ^V/i) ^für " ^1C

Aus Symmetriegründen ist B(y) = -B(y).

NI_t ist die Anzahl Amperewindungen der Spule 5» MI₁ die Anzahl Ampex'ewindungen der Spule 6 und der Spulen h und g der Abstand zwischen den Polschuhen.

Aus (5) folgt, dass das erzeugte Magnetfeld aus einem ' von der Spule 14 in Fig. 5 abhängigen Teil besteht :

^B(y) ='f ^NI· ⁽⁶⁾·

dem ein Feld mit einem linearen Gradienten überlagert ist : . ·

B_(y) .,« MI, V₁ . (7),

•was genau den in Fig. 6 dargestellten Messungen entspricht.

Fig. 6 zeigt das mit einer Hallsonde gemessene Magnetfeld längs der y-Achse der Fig. 5 für zwei Situationen, und zwar mit und ohne Einschaltung der

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Spulen 15 und 16. I ist der Strom durch die Spule 14,
der bei einer Stärke von etwa 5 A ein homogenes Magnetfeld mit einer Stärke von etwa,780 Gauss in einem Gebiet 5 mm links und rechts von y = 0 erzeugt. Mit Einschaltung der Spulen 15 und 16 und einem Strom von 1,5 A (i, = 5 A und I = 1_β5 Α) wird ein nahezu linearer Gradient in dem

Magnetfeld erhalten, während das Feld in y = 0 nahezu
konstant bleibt.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform des ¥ienfilters nach der Erfindung, bei der die Spulen 15 um Metallkerne 17 gewickelt sind, die zwischen den Polschuhen angeordnet sind. Gleich wie bei Fig. 5 folgt für das
magnetische Feld als Funktion von y :

B(_y) = /]jL (NI^MI₁-J ) -

mit anderen Worten, wieder ein konstantes Feld und ein
Feld mit einem von y abhängigen Gradienten. Es versteht sich, dass die Windungen der Spulen 14 und 16 auch um
andere Teile eines MagnetJoches, wie ζ B. die Polschuhe, angebracht sein können, ohne dass man'den Rahmen der
Erfindung verlässt. Auch kann das Magnetjoch eine ganz
andere Form, z.B. eine vielfach bei Transformatoren verwendete Form, aufweisen, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

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Claims

pun 779δ 9-10.1975

PATENTANSPRUECHE:

Λ.) Wienfilter zum Selektieren von Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus einem Bündel geladener Teilchen, das Mittel zum Aufrechterhalten eines elektrischen und eines magnetischen Feldes enthalt, welche Felder zueinander nahezu senkrecht und je zu der Achse des genannten Bündels nahezu senkrecht sind, wobei dieses Magnetfeld zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten erzeugt wird, der mit Mitteln zum Anbringen eines einstellbaren Gradienten in dem genannten Magnetfeld versehen ist, welcher Gradient zu dem elektrischen Feld nahezu parallel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen des genannten Gradienten zwei Spulen enthalten, die zu beiden Seiten des genannten Bündels liegen und deren Achsen zu dem elektrischen Feld nahezu parallel sind, wobei die in den Spulen erzeugten magnetischen Feldstärken einander nahezu entgegengesetzte Richtungen aufweisen.
2. Wienfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Spulen um die Polschuhe des Elektromagneten angebracht sind.
3· Wienfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet mit einer Anzahl zusätzlicher Wicklungen vergehen ist, die mit den genannten Spulen in Reihe geschaltet_sind, derart, dass der in den zusätzlichen Wicklungen erzeugte Magnetfliiss den in den Spulen erzeugten Magnetfluss teilweise ausgleicht.

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4. Wienfilter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl Amperewindungen (A.W.) der genannten zusätzlichen WicÜungen find jeder der Spulen nahezu gleich ist.

5· Wienfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen um Metallkerne gewickelt und zwischen den Polschuhen und symmetrisch zu der genannten Bündelachse angeordnet sind.

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