DE3130276A1

DE3130276A1 - Einrichtung zur vollelektrischen justierung von teilchenspektrometern und abbildungssystemen

Info

Publication number: DE3130276A1
Application number: DE19813130276
Authority: DE
Inventors: Hermann Prof. Dr. 6301 Fernwald Wollnik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1981-07-31
Publication date: 1983-02-17
Also published as: US4486664A

Description

Einrichtung zur voll-elektrischen Justierung von
Teilchenspektrometern und Abbildungssystemen Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Einrichtungen zur Justierung der relativen Lage und/ oder Stärke der einzelnen Komponenten eines Spektrometers für geladene Teilchen. Während üblicherweise solche Justierungen durch mechanische Verstellungen der Komponenten des Spektrometers vorgenommen werden, geht die hier beschriebene Erfindung davon aus, das Teilchenbündel so abzulenken und um seine optische Achse zu verdrehen5 daß es letztlich alle Spektrometerkomponenten an der richtigen Stelle und mit der richtigen Orientierung durchsetzt.
In Abb. 1 ist dargestellt, wie ein Bündel geladener Teilchen die Schlitzblende (1) einer Teilchenquelle verläßt, in einem magnetischen Sektorfeld (2) abgelenkt wird und schließlich nach Impuls durch Ladung getrennt, in einem Bild (3) der Schlitzblende ( ) fokussiert wird Unter der Annahme einer groben mechanischen Justierung müssen zusätzlich für eine gute Fokussierung folgende Bedingungen möglichst exakt erfüllt werden: 1. Die optische Achse des Teilchenbündels muß an einer bestimmten Stelle in der Mitte zwischen den beiden Pol schuhen in das Magnetfeld eintreten (x1=yl=O). Diese Bedingung kann man gut dadurch erfüllen, daß man das Teilchenbündel am Punkt (4) kurz nach der Teilchenquelle um einen geeigneten Betrag in x- und y-Richtung ablenkt.
2. Das Teilchenbündel muß im Magnetfeld so verlaufen, daß die optische Achse des Teilchenbündels das Magnetfeld an einer bestimmten Stelle in der Mitte zwischen den Polschuhen verläßt (x2=y2=O). Diese Bedingung kann man gut dadurch erfüllen, daß man das Teilchenbündel am Punkt (5) kurz vor dem Eintritt in das Magnetfeld um einen geeigneten Betrag in x- und y-Richtung ablenkt.
Diese Bedingung läßt sich jedoch auch durch eine Ablenkung des Teilchenbündels am Punkt (4) erreichen.
3. Die optische Achse des Teilchenbündels muß den Austrittsschlitz an der Stelle (x3=y3=O) durchsetzen. Diese Bedingung kann man gut dadurch erfüllen, daß man das Teilchenbündel am Punkt (6) kurz nach dem Austritt aus dem Magnetfeld um einen geeigneten Betrag in x- und y-Richtung ablenkt. Diese Bedingung läßt sich jedoch auch durch eine Ablenkung des Teilchenbündels an den Punkten (4) und (5) erreichen.
4. Das Bild des Eintrittsschlitzes muß parallel sein zum Austrittsschlitz. Diese Bedingung kann man gut dadurch erfüllen, daß man möglichst nahe am Eintrittsschlitz, also etwa am Punkt (4) nicht nur eine gleiche Ablenkung aller Teilchen des Bündels fordert, (s.
o. unter 1), sondern zudem alle Teilchen ein wenig in x-Richtung ablenkt, wobei die Größe dieser Ablenkung dem Abstand yO, den die einzelnen Teilchen von der Symmetrieebene (y=O) haben, proportional sein soll. Dies erreicht man mit einer magnetischen Spule oder mit einem elektrostatischen Quadrupol am Punkt (4), wobei die vier Quadrupolstäbe nicht wie üblich an den Positionen xo=+Go,yO=O und xo=O,yO=+GO angebracht sein sollen, sondern an den Stellen x0=y =+G~T2 und xo=-yO=+GOtt, also um 450 um die optische Achse gedreht, wie in Abb. 2 dargestellt.
Obwohl nicht unbedingt erforderlich, wird man im allgemeinen einen zweiten solchen, jedoch umgekehrt gepolten Quadrupol kurz hinter Punkt (4), oder aber auch erst an Punkt (5) in Abb. 1 anbringen, der die Winkelverdrehung des ersten Quadrupols wieder aufhebt und in Bezug auf die optische Achse des Teilchenbündels ursprünglich achsenparallele Strahlen wieder achsenparallel macht.
Zu bemerken ist hier aber auch, daß die Strahlenverdrehung auch kurz vor dem Austrittsschlitz, also etwa am Punkt (7) erfolgen kann.
5. In Bezug auf die Fokussierung in x-Richtung muß eine möglichst exakte Gegenstand-Bild Beziehung zwischen Eintritts- und Austrittsschlitzen bestehen. Dies kann man erreichen, indem man Linsen geeigneter Stärke in den Strahlengang bringt, also etwa an den Punkten (5) und (6). Will man hierfür Quadrupollinsen einsetzen, so empfiehlt es sich wenigstens zwei solcher Linsen zu verwenden, um die Fokussierungswirkung des Gesamtsystems in der y-Richtung nicht zu sehr zu verändern.
6. Die Bildfehler in x-Richtung sollten in jedem Falle klein bleiben.
Häufig ergeben sich allerdings trotz optimaler Konstruktion Restbildfehler, die zumindest teilweise, durch Multipole höherer Ordnung korrigierbar sind. Hierbei kann man etwa an die Krümmung des Bildes des Eintrittsspaltes denken, die man durch einen Hexapol kurz nach dem Eintrittsspalt oder kurz vor dem Austrittsspalt korrigieren kann.
Justierungen wie oben beschrieben, kann man weitgehend mit einer Reihe von Ablenk-, Fokussier- und Bildfehlerkorrektur-Elementen durchführen. Schwierig ist hierbei jedoch die Tatsache, daß es sich im allgemeinen um sehr viele Elemente handelt, und dai3 auch diese Elemente alle in ihren Ablenkrichtung,1 präzise aufeinander ausgerichtet sein müssen.
Verwendet man nun elektrostatische oder magnetische Korrektoren, etwa wie ri Abb. 3 angedeutet, so kann man durch Verändern der Potentiale (V) an den einzelnen Elektroden oder der Ströme (I) durch die einzelnen Leiter erreicl.en, daß sowohl die Größe als auch die Richtung einer Ablenkung beliebig einges<eil werden kann, wie sich aus der Summe V1lsin¢*V2lcosf bzw. i1lsin¢+i2lcosf (nach Ansprüchen 1,4) ersehen läßt. Durch weiteres Verändern dieser Potentiale und Ströme, kann man nun diesem Ablenkfeld ein Quadrupolfeld überlagern, d.h.
V21sin2ß+V22cos2 bzw. i21sin2¢+i22cos2¢ (siehe Ansprüche 1,4), wobei Stärke und Fokussierungsrichtung dieses Quadrupols ebenfalls beliebig einstellbar sind. Durch weiteres Verändern der Potentiale und Ströme, kann man dem vorhandenen Felde ein Hexapolfeld überlagern, d.h. V31sin3++V32cos3¢ bzw. i31sin3¢ i32cos3 (siehe Ansprüche 1,4), wobei wiederum Stärke und Fokussierungsrichtung des Hexapols beliebig einstellbar sind. In gleicher Weise kann man in demselben Korrektor noch höhere Multipole integrieren.
Vorteil dieser Korrektoren ist, daß man mit nur wenigen Korrektoren eine Vielzahl von Justierungen durchführen kann. Weiterer Vorteil ist, daß die Ablenk-Richtungen der einzelnen Dipol, Quadrupol, Hexapol, Oktupol und Duodekapole von einem einzelnen, aber auch von verschiedenen Korrektoren leicht parallel zueinander sowie zu einer Referenzebene ausgerichtet werden können.
Ein weiterer Vorteil ist, daß auch komplizierte Justiervorgänge mit vielen iterativen Justierschritten in kurzer Zeit durchführbar sind.
Ein gesamter Justiervorgang mittels der beschriebenen Korrektoren, könnte vereinfacht etwa so aussehen: 1. Durch periodisches Verstellen der Größe eines der Ablenkfelder erreicht man eine Modulation des Signals einer Linie hinter dem Austrittsspalt.
Durch eine Aussteuerung eines ausgewählten Korrektors proportional zur Verstellung des Sektorfeldes, kann man diese Modulation je nach Aussteuerungsamplitude teilweise oder völlig kompensieren, wenn der Azimuthwinkel no der Ablenkung des ausgewählten n-Korrektors geeignet gedreht worden ist.
Steuert man so alle Korrektoren nacheinander in Bezug auf ihre Ablenkwirkungen an, so kann man für jeden k. von ihnen angeben, um welchen Azimuthwinkel tfk die Ablenkung verdreht werden müßte, um mit der Ablenkrichtung des ausgewählten n. Ablenkfeldes übereinzustimmen.
Die Ablenkrichtung aller anderen Ablenkfelder muß man dann entweder mechanisch auf die des Referenz-Ablenkfeldes einjustieren, oder das Teilchenbündel durch Quadrupole nach Abb. 2 bzw. durch Magnetspulen, deren Achsen mit der optischen Achse des Teilchenbündels zusammenfall, geeignet verdrehen.
2. Durch Verstellen der Größe der Ablenkwirkung eines, im allgemeinen des ersten Korrektors, kann man d&nn das Teilchenbündel mit maximaler Intensität durch den Austrittsspalt dirigieren.
3. Durch Verstellen der Brechkraft der Quadrupol-Komponente eines Korrektors kurz vor oder nach einem der Sektorfelder, kann man dann das Teilchenbündel in x-Richtung optimal fokussieren, d.h. die Strahl breite am Ort des Austrittsspaltes minimieren. Wenn der Divergenzwinkel des Strahlbündels in x-Richtung zu klein ist um diese Minimierung eindeutig vorzunehmen, kann man auch das Teilchenbündel mit einem Ablenkkondensator, der kurz nach dem Eintrittsspalt angebracht ist, hin und her wedeln und so den Aperturwinkel virtuell vergröern. Anstelle dieses 'D 1 enkkondensators, kann man auch die Ablenkwirkung,des ersten Korrektors des Gesamtsystems einsetzen.
4. Durch Verstellen der um 450 verdrehten Quadrupol-Komponente des ersten und eventuell zweiten, oder aber des letzten Korrektors, kann man dann den Strahl so verdrehen, daß das Bild des Eintrittsspaltes parallel zum Austrittsspalt ist.
Die Schritte 2,3,4 sollte man mehrfach iterativ durchführen, bis der Teilchenstrahl mit optimaler Intensität durch den Austrittsspalt hindurch kommt. Anschließend kann man an dieses Iterationsverfahren auch die Optimalisierung von Bildfehlern durch die Hexapol, Dekapol und Duodekapol-Komponenten der Korrektoren iterativ einschließen.
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Claims

Ansprüche 1. Einrichtung zur Justierung einer Abbildungseinrichtung oder eines Spektrometers für Bündel von geladenen Teilchen bestehend aus einem oder mehreren elek trostatischen Korrektoren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass jeder dieser Korrektoren N Elektroden enthält, welche symmetrisch oder unsymmetrisch um die optische Achse des Teilchenbündels angeordnet sind und sich auf solchen roGentialen befinden, daß das resultierende Potential V(r,+) unter dem Azimuth-Winkel f auf der Zylinderfläche mit Radius r um eine gerade optische Achse, bzw. auf einer entsprechenden Torusfläche um eine gekrümmte optische Achse, als Summe von V1 = V11sin#+V12sin2#+V13sin3#+V14sin4#+V15sin5#+V16sin6# und V2 = V21cos++V22cos20+V23cos3¢+Vz4cos4¢+V25cos5¢+V26cos6¢ dargestellt weìde,l kann, wobei die Koeffizienten V1k and V2k (k=1,2,3,4,5,6) beliebig einstellbar sind, d.h. eine Uberlagerung eines elektrostatischen Dipols, eines Quadrupols, eines Hexapols, eines Oktupols, eines Dekapols und eines Duodekapols darstellen mit einer in jedem Falle beliebig einstellbaren Orientierung und Stärke jedes einzelnen Multipols relativ zum Winkel +=0.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß N Elektroden parallel zur optischen Achse und mit Radius R uni diese im jeweiligen Winkelabstand 2X/N angeordnet sind, wobei das Potential V(¢=M2W/N) - mit M = 1,2,3,... N -jeder dieser Elektroden die Summe der Potentiale V1 = V1lsin+M+Vl2sin2pM+Vl3 sin3#M+V14sin4#M+V15sin5#M+V16sin6#M und V2 = V21cos#M+V22cos2#M+V23cos33#M+ V24cos4fM+V25Cos5fM+V26Cos6¢M ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zwar alle parallel zur optischen Achse verlaufen, jedoch nicht in gleichmässigei Abstand von dieser, also auf der Umfangslinie eines Kreises, sondern auf der Umfangslinie eines Rechtecks, durch dessen Mittelpunkt die optische Achse stößt
4. Einrichtung zur Justierung einer Abbildungseinrichtung oder eines Spektrometers für Bündel von geladenen Teilchen bestehend aus einem oder mehreren magnetischen Korrektoren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass jeder dieser Korre toren N stromdurchflossene Leiter enthält, die symmetrisch oder unsymmetrisch um die optische Achse des Teilchenbündels angeordnet sind und von im allgemeinen unterschiedlichen elektrischen Strömen durchflossen werden, die so beschaffen sind, daß sich eine Magnetflußuichte B ergibt, die auch durch Leiter erreicht werden könnte, die parallel zur optischen Achse, in gleichmößigem Abstand R z@ dieser angeordnet sind und durch die solche Ströme geschickt werden, daß die Stromdichte i als Funktion des Azimuthwinkels f auf dieser Zylinderfläche (im Falle einer geraden optischen Achse) bzw.

Torusfläche (im Falle einer gekrümmten optischen Achse), dargestellt werden kann als Summe von i1 = i 11sin#+i13sin3#+i14sin4@+i15sin5@+i16sin6# und i2 = i21cos#+i22cos2#+i23cos3#+i24cos4#+i25cos5#+i26cos6#, wobei die Koeffizienten ilk und i2k (k=1,2,3,4,5,6) beliebig einstellbar sind, d.h.

eine überlagerung eines magnetischen Dipols, eines Quadrupols, eines Hexapols, eines Oktupols, eines Dekapols und eines Duodekapols darstellen, mit einer in jedem Falle beliebig einstellbaren Orientierung relativ zum Winkel ¢=0 und .9tdtKe jedes einzelnen Multipols.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß N Stromleiter parallel zur optischen Achse und mit Radius R um diese angeordnet sind, im jeweiligen Winkelabstand 2w/N, wobei die Ströme I( M=M2 /N) mit M=0,1,2, N-1 in jedem dieser Leiter die Summe aus I1M = I11sin#M+I12sin2#M+I13sin3#M+I14sin4#M+I15sin5#M +I16sin6#M und I2M = I21cos#M+I22cos2#M+I23cos3#M+I24cos4#M+I25cos5#M+I26cos6#M sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleiter zwar alle parallel zur optischen Achse verlaufen, jedoch nicht in gleichmässigem Abstand von dieser, also auf der Umfangslinie eines Kreises, sondern auf der Umfangslinie eines Rechtecks, durch dessen Mittelpunkt die optische Achse stößt.
7. Einrichtung nach Ansprüchen 1,4, dadurch gekennzeichnet, daß die sin und cos Funktionen durch andere Orthogonalfunktionen ersetzt sind.
8. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß sowohl Elektroden zur Erzeugung elektrostatischer Multipolfelder, als auch Stromleiter zur Erzeugung magnetischer Multipolfelder verwendet werden.
9. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nur einige der angegebenen 2 mal 6 Koeffizienten V Vlk, V2k bzw. i1k, i2k vorgegeben werden, so daß etwa nur die Koeffizienten V11, V21 bzw. i11, i21 vorgegeben werden und die Wirkung der restlichen Koeffizienten Null ist, oder unberücksichtigt bleibt.
10. Einrichtung nach Anspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten Vik, V2k bzw. il i2k (k=1,2,3,4,5,6) durch vorgegebene Potentiale oder Ströme bestimmt werden, die Aufteilung dieser Potentiale und Ströme auf die einzelnen Elektroden oder Stromleiter entsprechend ihrer -Abhängigkeit jedo durch ein Widerstands-, Dioden- und/oder Transistornetzwerk erfolgt.
11. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentie'e der einzelnen Elektroden oder die Ströme der einzelnen Stromleiter durch einen oder mehrere Prozeßrechner eingestellt werden, was entweder über viele parallel arbeitende Digital-Analog-Konvertoren erreicht werden kann, oder über einen oder mehrere Digital-Analog-Konvertoren sowie Analog-Multiplexern, it t entsprechend vielen Ausgängen sowie Kurzzeit-Analog-Speichern.
12. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Koeffizienten V1k' V2k bZw. ilks i2k (k=1,2,3,4,5,6) oder die Größe der Potentiale und Ströme aller Elektroden und Leiter der Korrektoren aber auch die Größe der Potentiale und Ströme in ablenkenden oder fokussierenden anderen Komponenten des Teilchenspektrometers von einem oder mehreren Prozeßrechnern vorgegeben werden5 je nach dem, wie sich die Teilchenstromverteilung in der Bildebene oder in einer Zwischenbildebene b2-w die Teilchenstromsiqnale in dem oder den Endauffängern oder Zwischenauffängern verändern, wenn das Teilchenbündel durch einen oder mehrere Korrektoren in definierter Weise in 0.,1.,2.,3., 4. oder 5. Nährung verändert wird, d.h. abgelenkt oder fokussiert wird bzw.

beaufschlagt mit Bildfehlern 2.-,3.-,4.- und 5.-Ordnung, wobei zusätzlich zu den gesteuerten Korrektoren noch Ablenkkondensatoren oder kurze Ablenkmagnete mit zur optischen Achse senkrechten Feldlinien eingesetzt bzw. zur Strahlverdrehung Magnetspulen, deren Feldlinien parallel zur optischen Achse verlaufen.