DE3917149A1 - Einrichtung zum nachweis geladener teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Nachweis ge­ ladener Teilchen mit einem metallischen Fänger, der die Stirn­ seite des Mittelleiters eines Wellenleiters bildet.

Bei Instrumenten der Massen- oder Elektronenspektroskopie sind Detektoren zum Nachweis der geladenen Teilchen erforderlich. ln der Regel soll dabei ein auf Erdpotential bezogenes Signal registriert werden. Der nachzuweisende, von den geladenen Teil­ chen erzeugte Strom fällt auf einem durch die Teilchenpolarität und die Bauart des teilchenoptischen Systems gegebenen elek­ trischen Potential an.

Aus "Nuclear Intruments and Methods", Vol. 162, 1979, S. 587 ff ist eine Einrichtung zum Nachweis geladener Teilchen der eingangs erwähnten Art bekannt. Der Wellenleiter ist als 50 Ohm-Kabel ausgebildet. Die von den geladenen Teilchen erzeugten Impulse werden vom Kabel weitergeleitet und einer Auswerte-Elektronik (Verstärker, Anzeigegeräte oder dergl.) zugeführt. Die Anwendung dieser vorbekannten Einrichtung ist auf Instrumente beschränkt, bei denen die nachzuweisenden Teilchen auf einem geeigneten Potential anfallen. Eine Überwindung von andersgearteten Poten­ tialdifferenzen ist mit dieser Einrichtung nicht möglich.

Häufig ist es jedoch wünschenswert, wenn der Fänger ein vom Erdpotential verschiedenes Potential hat. Insbesondere bei der Flugzeitmassenspektroskopie kann es günstig sein, wenn der Fänger auf Hochspannung liegt, beispielsweise ±5 bis ±20 KV, um die Probe selbst auf Erdpotential halten zu konnen.

Es sind Nachweissysteme bekannt (vgl. Ewald Niehus, "Flugzeit­ massenspektrometrie mit hoher Auflösung", Diss., Münster, 1988) die eine Trennung von hohen Potentialen auf optischem Wege ermöglichen, indem Szintillationskristalle verwendet werden. Szintillatoren haben jedoch aufgrund ihres exponentiellen Ab­ klingverhaltens eine relativ lange Totzeit. Außerdem ist der Aufwand für derartige Systeme, die einen Elektronenvervielfacher, den Szintillator, einen Fotomultiplier und mindestens drei Hochspannungsversorgungen benötigen, nicht unerheblich.

Weiterhin sind Nachweissysteme bekannt, die eine Potentialtren­ nung mit Hilfe einer diskreten Schaltung ermöglichen. Diese Schaltung ist dem Teilchenfänger nachgeschaltet und umfaßt Trennverstärker oder Trenn- und Impulstransformatoren oder Auskoppelkondensatoren u.s.w. Anordnungen dieser Art zeigen starke zeitliche und Amplituden-Verzerrungen und Dämpfungen sowie niedrige Bandbreiten. Die Verzerrungen begrenzen die Dynamik, Zeitauflösung, Empfindlichkeit sowie den Störabstand eines Teil­ chendetektors und damit die Leistungsfähigkeit eines mit einem derartigen Detektor ausgerüsteten Instrumentes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Nachweis geladener Teilchen der eingangs er­ wähnten Art derart zu gestalten, daß diese auch dann einsetzbar ist, wenn die nachzuweisenden Teilchen auf hohem Potential anfallen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich an den metallischen Fänger, der die Stirnseite des Mittelleiters eines Wellenleiters bildet, ein Kondensator anschließt, der Bestandteil des Mittelleiters ist. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Einrichtung zum Nachweis geladener Teilchen kann der Fänger ein hohes Potential haben. Die Signale, die von den auf Hochspannungspotential anfallenden Ionen, Elektronen oder dergl. erzeugt werden, können aufgrund der Tatsache, daß der potentialtrennende Kondensator in den Mittelleiter eines Wellen­ leiters eingebettet ist, auf ein anderes Potential, vorzugsweise Erdpotential bzw. Schutzleiterpotential, übertragen werden.

Von der Hochspannungsfestigkeit des verwendeten Kondensators hängt es ab, welche Potentialdifferenzen überbrückt werden können. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist bei jeder Potenti­ aldifferenz einsetzbar, die unterhalb des Wertes der Hochspan­ nungssfestigkeit liegt, wobei der Fall, daß keine Potentialdif­ ferenz vorliegt, nicht ausgeschlossen ist. Im Vergleich zur Überwindung von hohen Potentialdifferenzen mit Hilfe eines Szintillators ist mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine schnelle und totzeitfreie Teilchenantwort erreichbar.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der in dem Mittelleiter des Wellenleiters eingebettete Kondensator so gestaltet ist, daß die HF-Übertragungseigenschaften nicht nennenswert verändert sind. Diese Maßnahme ermöglicht die Übertragung der nachzuweisenden Signale ohne Verzerrung von Amplitude und Zeitverhalten über hohe Potentialdifferenzen. Teilchenantworten mit Halbwertsbreiten bis 300 ps und weniger können erreicht werden, was gleichbedeutend damit ist, daß Wechselspannungen hoher Frequenzen (bis zu einigen GHz) störungsfrei übertragen werden können. Die Übertragung der Signale erfolgt linear, was für die Auswertung analoger Größen, wie z.B. Pulshöhe, Pulsbreite, Wechselstrommessung od.dergl. von Bedeutung ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Fig. 1 bis 6 erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für einen Detektor nach der Erfindung mit zylinderförmigem Kondensator,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit dem Kondensator vorgelagerten Kanalplatten,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Abschnitt des Mit­ telleiters, in dem der Kondensator eingebettet ist, sowie der Außenleiter die Form von Exponentialkurven haben,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer Mehrzahl rechteck­ förmiger Kondensatoren,

Fig. 5 die Abbildung eines Signals, das der elektrischen Antwort auf ein Teilchen entspricht und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt den Fänger 1, der sich auf der Stirnseite eines Mittelleiters 6 befindet. Der Mittelleiter 6 ist Bestandteil des koaxialen Wellenleiters 7, dessen Außenleiter mit 8 bezeichnet ist. Im Bereich des Fängers 1 geht der Außenleiter 8 in einen Flansch 9 über, mit dem der Teilchendetektor an einem nicht dargestellten Instrument, bei­ spielsweise an einem Flugzeitmassenspektrometer, befestigt wird, welches die nachzuweisenden Teilchen liefert. Das andere Ende des Wellenleiters 7 ist so gestaltet, daß in bekannter Weise ein BNC-Stecker mit 50 Ohm Wellenwiderstand aufsteckbar ist. Von dieser Einrichtung gelieferte Signale können deshalb in einfacher Weise einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerte-Elektronik zugeführt werden. Die Verwendung koaxialer Wellenleiter ist besonders vorteilhaft; die Verwendung anderer Wellenleiter ist jedoch ebenfalls möglich.

Der Fänger 1 ist als metallische Scheibe oder Schicht ausgebil­ det, die gleichzeitig die eine Elektrode eines Kondensators 10 bildet. Bestandteil dieses Kondensators 10 ist weiterhin die zweite Elektrode 11. Zwischen den Elektroden 1 und 11 befindet sich ein bei diesem Ausführungsbeispiel zylindrisches Dielektri­ kum, das mit 12 bezeichnet ist. Die beiden Elektroden 1 und 11 befinden sich auf den Stirnseiten des zylinderförmigen Dielek­ trikums 12. Die Spannungsversorgung des Fängers bzw. der Elek­ trode 1 erfolgt über den Widerstand 17, über den auch der Strom ab- und zugeführt wird, der durch die auf den Fänger auftreffen­ den geladenen Teilchen erzeugt wird. Der Wert des Widerstandes 17 sollte deutlich über dem Wert des Wellenwiderstandes liegen (z. B. um den Faktor 100 bis 1000), so daß er die Eigenschaften des Wellenleiters nicht beeinträchtigt. Die rückseitige, dem Fänger 1 gegenüberliegende Elektrode 11 ist an den übrigen Teil des Mittelleiters 6 angekoppelt. Die Elektroden 1 und 11 sind zweck­ mäßig auf die Stirnseiten des Dielektrikums 12 aufgedampfte Metallschichten. Auf die Elektrode 11 ist der übrige Teil des Innenleiters 6 des Wellenleiters 7 aufgelötet. Metallegierungen, die auf Keramik-Werkstoffen haften und die das Auflöten von Metallen erlauben, sind an sich bekannt.

Zweckmäßig ist der Kondensator 10 so gestaltet, daß er mit der Geometrie und den Eigenschaften des gewählten Wellenleitertyps verträglich ist. Ist beispielsweise der Wellenleiter eine 50- Ohm-Leitung, dann soll auch die Geometrie und HF-Leitfähigkeit des Kondensators 10 den Wellenleitereigenschaften entsprechen.

In einem praktisch realisierten Ausführungsbeispiel dient als Dielektrikum 12 ein Keramik-Werkstoff mit einem ε _r von 2000 und mehr. Der damit ausgeführte Kondensator 10, mit einem Durchmesser und einer Länge von jeweils 8 mm und metallbedampften Stirnflä­ chen als Elektroden 1,11, hat eine Spannungsfestigkeit ca. 8 KV. Dieser Kondensator hat eine Kapazität von 250 pF. Ein Kondensator dieser Form ist einfach herstellbar und kommt der Geometrie des verwendeten 50-Ohm-Wellenleiters bereits sehr nahe. Die noch vorhandene Störung des Wellenleiters begrenzt die Bandbreite nach oben auf ca. 1 GHz, so daß bereits kleinste Halbwertspulsbreiten von 500 ps erreicht werden können. Das entspricht einer minimalen Halbwertsbreite der Teilchenantwort von 500 ps.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Kondensator 10 ein Sekundärelektronenvervielfacher 13 vorgela­ gert. Dieser besteht aus den Kanalplatten 14 und 15, zu deren Spannungsversorgung der Spannungsteiler 16 dient. Mit Hilfe des dargestellten oder eines anderen Sekundärelektronenvervielfachers 13 kann eine ausreichend hohe Gesamtverstärkung erreicht werden. Beträgt die Zwischenbeschleunigung und die Nachbeschleunigung bewirkende Versorgungsspannung der Kanalplatten einige hundert Volt, vorzugsweise etwa 500 Volt, dann werden die schnellsten Teilchenantworten erzielt.

Die aus der Kanalplatte 14 austretenden Elektronen werden auf der Metallplatte 1 aufgefangen, die die eingangsseitige Elektrode des Kondensators 10 bildet. Damit sich der Kondensator aufgrund des Teilchenstromes nicht aufladen kann, ist es erforderlich, den von den auftreffenden Elektronen erzeugten Strom zuzuführen. Dieses geschieht wieder über den Widerstand 17, über den die Elektrode 1 mit Spannung versorgt wird.

Der Sekundärelektronenvervielfacher 13 stützt sich über elek­ trisch isolierende Elemente 18 auf dem Flansch 9 ab. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Elemente die gleiche Bauform haben wie der Kondensator 10. Die Stützelemente 18 weisen jeweils die Elektroden 21 und 22 auf. Die Elektroden 21 liegen auf dem Potential des Entstehungsortes derjenigen Elektronen, die auf die Elektrode 1 auftreffen. Die Elektroden 22 liegen auf dem Poten­ tial des Außenleiters des Wellenleiters 7, also auf Erdpotential. Die beschriebene Anordnung stellt sicher, daß auch der Entste­ hungsort der Elektronen niederohmig mit dem Außenleiter des Wellenleiters verbunden ist. Hochfrequente Spannungen bis zu 1 GHz können unbeeinflußt übertragen werden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl der Außen­ leiter 8 als auch der Innenleiter 6 des Wellenleiters 7 in der Form von Exponentialfunktionen ausgebildet sind. Auch der Kon­ densator 10, der in den Innenleiter 6 eingebettet ist, hat eine solche Form. Zur Halterung des Sekundärelektronenvervielfachers 13 ist eine Blende 23 vorgesehen, die über einen Keramikring 24 mit dem stirnseitigen Ende des Außenleiters 8 verbunden ist. Die Blende 23 liegt wieder auf dem Potential des Entstehungsortes der Elektronen, die auf die Elektrode 1 auftreffen.

Bei einem Detektor, der entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 aufgebaut ist, ist das Ziel, die Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 1 und der Elektrode 11 mit einem Lei­ tungsabschnitt zu überwinden, der die Eigenschaften des sich an­ schließenden Wellenleiters hat, am besten erreichbar. Zeitliche und Amplituden-Verzerrungen treten nicht auf.

Fig. 4 zeigt die Abbildung eines Signales, das einer Teilchen­ antwort auf ein Teilchen entspricht. Dieses Signal wurde mit einem Detektor gewonnen, das dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht. Wird ein Detektor verwendet, der dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 3 entspricht, dann ist eine noch schnellere Teilchenantwort, d. h. ein Signal gemäß Fig. 4 mit noch kleinerer Halbwertsbreite zu erwarten. Eine Abhängigkeit des registrierten Signales von der Höhe der angelegten, zu trennenden Hochspannung konnte nicht festgestellt werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind mehrere Detektoren der erfindungsgemäßen Art vorgesehen. Sie weisen jeweils eine recht­ eckförmige Elektrode 1 auf, die Bestandteil des sich anschlie­ ßenden Kondensators 10 ist. Der Kondensator 10 ist wieder Be­ standteil eines Wellenleiters 7 mit dem Innenleiter 6, in den der Kondensator 10 eingebettet ist. Von der Rechteckform im Bereich der Elektrode 1 geht der Kondensator 10 und ein sich anschlie­ ßender Abschnitt in den übrigen, zylindrisch gestalteten Ab­ schnitt des Wellenleiters 6 über, der in diesem Fall zylindrisch gestaltet ist. Der Außenleiter 8 des Wellenleiters 7 ist ein allen Wellenleitern gemeinsames Metallgehäuse 25. Das Gehäuse 25 ist mit Bohrungen 26 ausgerüstet, durch die die Innenleiter 6 hindurchtreten. In dieser und ähnlicher Art können Vielkanalde­ tektoren mit ein- oder zweidimensionaler Aufreihung von Einzel­ fängern in beliebiger Form aufgebaut werden.

Die beschriebenen Anordnungen sind grundsätzlich mit einer unteren Grenzfrequenz behaftet, die vom Kondensator 10 und von der Impedanz des Wellenleiters bestimmt ist. Diese untere Grenz­ frequenz läßt sich mit Hilfe eines frequenzabhängigen Abschluß­ widerstandes wesentlich herabsetzen. Diese Maßnahme ist bei Tastköpfen bei Oszillographen bekannt und nutzt die Tatsache, daß bei Beschränkung auf eine vorgegebene größte Kabellänge der einwandfreie Abschluß des Wellenleiters nur für eine endliche Bandbreite am oberen Ende des Übertragungsbereiches eingehalten werden muß.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 haben im wesentlichen alle Bauteile des Detektors die Form eines schiefen Kegels bzw. Kegelabschnittes. Zusätzlich sind Öffnungen vorgesehen, die den Außenleiter 8 (Öffnung 31), den Kondensator 10 und einen Teil des sich anschließenden Innenleiters 6 (Öffnung 32) sowie die Kanal­ platten 14, 15 (Öffnungen 33, 34) durchsetzen. Dem Kanalplatten 14, 15 vorgelagert ist ein Reflektron 35, das aus den Ring­ elektroden 36, 37 und der Scheibe 38 besteht. Das Reflektron 35 bewirkt aufgrund einer im einzelnen nicht dargestellten Span­ nungsversorgung, daß die von links durch die Öffnungen 31, 32, 33 und 34 hindurchtretenden geladenen Teilchen auf den Sekundär­ elektronenvervielfacher 13 reflektiert (vgl. die gestrichelt eingezeichneten Teilchenbahnen) und danach in der bereits be­ schriebenen Weise registriert werden.

Claims (21)

1. Einrichtung zum Nachweis geladener Teilchen mit einem metallischen Fänger (1), der von der Stirnseite des Mittel­ leiters (6) eines Wellenleiters (7) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Fänger (1) ein Kondensator (10) anschließt, der Bestandteil des Mittelleiters (6) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Mittelleiter (6) eingebettete Kondensator (10) so gestaltet ist, daß die Übertragungseigenschaften des Wellenleiters (7) möglichst unverändert sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fänger (1) die eine der beiden Elektroden (1, 11) des Kondensators (10) bildet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (12) des Kondensators (10) zylindrisch ausge­ bildet ist und daß die Elektroden (1, 11) auf den Stirn­ seiten des Zylinders angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen des Wellenleiters (7) in Ausbreitungsrichtung im Bereich des Kondensators (10) die Form von Exponentialfunktionen haben.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fänger (1) nebeneinander ange­ ordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fänger (1) rechteckförmig ausgebildet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenleiter (8) als Bohrungen (26) in einem gemein­ samen Metallgehäuse (25) ausgebildet sind.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden (1, 11) aufgedampfte Metallschichten vorgesehen sind.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum ein ε _r < 2000 hat.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fänger (1) ein Sekundärelektronen­ vervielfacher (13) vorgelagert ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärelektronenvervielfacher (13) zwei Kanalplatten (14, 15) aufweist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung, welche die Zwischenbeschleunigung und die Nachbeschleunigung im Bereich der Kanalplatten (14, 15) bewirken, jeweils etwa einige hundert Volt beträgt.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential des Entstehungsortes der Elektronen, die auf den Fänger (1) auftreffen niederohmig mit dem Außenleiter (8) des Wellenleiters (7) verbunden ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Sekundärelektronenvervielfacher (13) über kera­ mische Stützelemente auf dem Außenleiter (8) des Wellenlei­ ters (7) abstützt.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (18) einen gleichen oder ähnlichen Aufbau haben wie der Kondensator (10).

17. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Sekundärelektronenvervielfacher (13) über einen Keramikring (24) am Außenleiter (8) des Wellenleiters (7) abstützt.

18. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (7) mit einem frequenzabhängigen Abschlußwiderstand ausgerüstet ist.

19. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromversorgung des Fängers (1) über einen Widerstand (17) erfolgt, dessen Widerstands­ wert wesentlich höher ist als der Wellenwiderstand des Wellenleiters (7).

20. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile des Wellenleiters (7) einschließlich des darin eingebetteten Kondensators (10) im wesentlichen die Form eines schiefen Kegels bzw. Kegelab­ schnittes haben.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fänger (1) ein Reflektron (35) vorgelagert ist und daß die Bauteile des Wellenleiters (7) und/oder des Sekundär­ elektronenvervielfachers (13) mit Öffnungen für den Durch­ tritt der geladenen Teilchen ausgerüstet sind.