DE4438315A1

DE4438315A1 - Vorrichtung zum Entfernen von Ionen aus einem Elektronenstrahl

Info

Publication number: DE4438315A1
Application number: DE4438315A
Authority: DE
Inventors: Erich Dr Plies
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1996-05-02
Also published as: US5616920A; JPH08212970A; CN1084925C; CN1133484A

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Der sondenformende Teil des aus [1, 2] bekannten Elektronen strahl-Tomographen besteht im wesentlichen aus einer Elektro nenkanone, einem evakuierten, sich stufenweise erweiternden Driftrohr und einer Solenoidlinse, die die Elektronen aus der Strahlachse ablenkt und auf einen als Röntgenquelle dienenden Anodenring fokussiert. Zwischen Elektronenkanone und So lenoidlinse soll sich der Elektronenstrahl aufgrund seiner Raumladung möglichst weit aufspreizen, da die Größe des Elek tronenfokus auf dem Anodenring und damit auch die Größe der Röntgenquelle dem Querschnitt des in die Solenoidlinse ein tretenden Strahls umgekehrt proportional ist. Infolge der Wechselwirkung der Elektronen mit dem im Driftrohr immer vor handenen Restgasen entstehen allerdings positive Ionen, die die Raumladung des Strahls zumindest teilweise neutralisieren und dessen Aufweitung somit verringern.

Zur Lösung dieses Problems wird in [3, 4] vorgeschlagen, die durch Elektronenstoß erzeugten Gasionen mit Hilfe elektri scher oder magnetischer Ablenksysteme aus dem Strahl zu ent fernen. Bei dem in [4] beschriebenen elektrostatischen Ab lenksystem handelt es sich um eine verbesserte Version der aus [3] bekannten Elektrodensysteme. Es ermöglicht die Erzeu gung homogenerer elektrostatischer Querfelder und vermeidet die Ablenkung des Elektronenstrahls. Die beiden antiparalle len elektrischen Querfelder bewirken allerdings eine Verset zung des Elektronenstrahls, so daß dieser außeraxial in die Solenoidlinse eintritt. Dies vergrößert die Aberrationen des Systems (außeraxialer Astigmathismus) und erschwert die Kon trolle der Lage des Elektronenfokus auf dem Anodenring.

2. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel die Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, mit der sich Ionen aus einem Elektronenstrahl wirkungsvoll ent fernen lassen. Die Ionenextraktion soll insbesondere keine Strahlablenkung und keinen Strahlversatz hervorrufen. Eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen besitzt diese Eigenschaften. Man kann sie insbesondere in den eingangs erwähnten Elektronenstrahl-Tomographen einsetzen, um die Strahlführung und -Kontrolle zu erleichtern und die Aber rationen der Elektronenoptik zu verringern (axialer Eintritt der Elektronen in die Solenoidlinse).

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltun gen und Weiterbildungen der Erfindung.

3. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu tert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 das ein E×B-Dipolfeld erzeugende Elektroden- und Spulensystem der Vorrichtung im Längsschnitt (y-z-Ebene);

Fig. 2 die ein azimutal drehbares Dipolfeld erzeugende elek trostatische Ablenkeinheit im Querschnitt (x-y-Ebene);

Fig. 3 die elektrische und die magnetische Ablenkeinheit im Querschnitt (x-y-Ebene);

Fig. 4 den axialen Verlauf des elektrostatischen und magne tischen Ablenkfeldes

4. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Entfernen von Io nen aus einem sich in Richtung der optischen Achse OA aus breitenden Elektronenstrahl besteht im wesentlichen aus einer elektrostatischen Ablenkeinheit ED, einer ein inneres und ein äußeres Sattelspulenpaar SPI, SPA aufweisenden magnetischen Ablenkeinheit MD und zwei auf einem konstanten Potential V₀ liegenden Rohrelektroden RA und RE, die jeweils im Abstand d vor bzw. hinter den ein senkrecht zur Strahlachse OA orien tiertes E×B-Feld erzeugenden Ablenkeinheiten angeordnet sind.

Wie die Fig. 2 zeigt, besitzt die elektrische Ablenkeinheit ED einen bezüglich der Strahlachse OA rotationssymmetrischen Aufbau. Ihre mit den Potentialen

V_i = V_o + V_xcosϑ_i + V_ysinϑ_i
ϑ_i: Azimutwinkel (ϑ_i = 0°, 45°, 90°, . . . ) (1)

beaufschlagten acht Elektroden erzeugen ein homogenes trans versales elektrostatisches Dipolfeld ohne höhere Multipolkom ponenten. Schreibt man das elektrostatische Potential Φ in der Form (s. beispielsweise [5])

mit der Multipolkomponenten

ϕ₂_ν ₊₁:= r²^ν ⁺¹{f₂_ν ₊₁(z,r)cos[(2ν+1)ϑ] + g₂_ν ₊₁(z,r)sin[(2ν+1)ϑ]} (3)

so gilt für das Acht-Elektroden-Element

Φ_o = V_o, Φ₃ = Φ₅ = 0, Φ₇ ≠ 0,

während für das aus [4] bekannte Elektrodensystem schon der Dezipolterm nicht mehr verschwindet (Φ₅ ≠ 0). Das Potential V₀ wird vorteilhafterweise so gewählt, daß alle Elektroden auf einem negativen Potential liegen. Im Falle eines reinen x-Ablenkfeldes (V_y = 0) kann das Potential beispielsweise den Wert V₀ = -V_x erhalten.

Die beiden die elektrostatische Ablenkeinheit ED ringförmig umschließenden Sattelspulenpaare SPI und SPA erzeugen ein transversales magnetisches Dipolfeld, das senkrecht zum elek trischen Dipolfeld orientiert ist ( ⟂) und wie dieses keine Komponente in Richtung der Strahlachse OA aufweist (B_z = 0, E_z = 0). Da die in einer flexiblen Isoliermasse ein gebetteten Leiterbahnen LB der Sattelspulenpaare SPI, SPA gemäß der Beziehung

(dN/dϑ)_SPA = konst. cosϑ (4a)

(dN/dϑ)_SPI = konst. sindϑ (4b)

in der x-y-Ebene verteilt sind, baut sich innerhalb der Ab lenkeinheit ein sehr homogenes magnetisches Dipolfeld ohne höhere Multipolkomponenten auf (s. beispielsweise [5]). Das von dem äußeren Sattelspulenpaar SPA erzeugte Magnetfeld zeigt Fig. 3, wobei die Richtung des in den äußeren Leiter bahnen LB jeweils fließenden Stromes I_y hierbei wie üblich durch Kreuze bzw. Punkte innerhalb der einzelnen Leiterbahn querschnitte angedeutet ist. Das von dem stromdurchflossenen inneren Sattelspulenpaar SPI erzeugte magnetische Dipolfeld erhält man in einfacher Weise durch Drehung der dargestellten Feldverteilung um 90°.

Wie oben erläutert, erzeugen die beiden Ablenkeinheiten ED, MD rein transversale und zueinander orthogonale Dipolfelder (E×B-Feld). Deren Feldstärken E₀ und B₀ sind hierbei derart aufeinander abgestimmt, daß die in das System eintretenden Elektronen keine Ablenkung oder Versetzung erfahren und star ke Querkräfte nur auf die im Strahl vorhandenen Ionen wirken.

Zur Herleitung der dafür erforderlichen Abgleichbedingungen sei im folgenden von einem elektrischen Ablenkfeld

und einem magnetischen Ablenkfeld

auf der Strahlachse OA ausgegangen. Die in einem solchen Feld auf ein Elektron wirkende Kraft berechnet sich zu

wobei e die Elementarladung und v die Elektronengeschwindig keit bezeichnet. Da die Geschwindigkeit v nur eine Komponente in Strahlrichtung aufweist (_e = v_e·_z) kann man (7) unter Berücksichtigung von (5) und (6) zu

umformen. Soll keine Kraft auf das Elektron wirken, müssen die Feldstärken der Bedingung

E_x(0,0,z)/B_y(0,0,z) = v_e (9a)

und

E_y(0,0,z)/B_x(0,0,z) = -v_e (9b)

genügen, was sich durch Anpassung der Elektronenpotentiale V_i und der in den Sattelspulen SPI, SPA fließenden Ströme I_x bzw. I_y ohne weiteres erreichen läßt. Da die oben angegebene Abgleichbedingung für die in das System eintretenden bzw. dort erzeugten Gasionen nicht erfüllt sind, erfahren die po sitiv geladenen Ionen eine Ablenkung quer zur Strahlrichtung. Die auf ein Ion (Ladung q < 0) mit der Geschwindigkeit

wirkenden Kräfte _i berechnen sich hierbei zu

die Kräfte sind unabhäng von der Ionengeschwindigkeit immer von Null verschieden und senkrecht zur Strahlachse OA gerich tet. Eine Ablenkung findet auch dann statt, wenn sich das Ga sion entgegen der Strahlrichtung bewegt (v_i < 0).

Durch geeignet Wahl der Länge l der Rohrelektroden RA, RE (s. Fig. 1) deren Abstand d von der elektrostatischen Ablenkein heit ED und dem Parameter δ (Abstand der Mitte des Kopfspu lenbereichs vom Kopfstück der elektrostatischen Ablenkein heit; s. Fig. 1 in [6]) kann man es einrichten, daß die Be dingung

E_x(0,0,z)/B_y(0,0,z)=E_y(0,0,z)/(-B_x(0,0,z)=E_o/B_o=_e (11)

für das Wien′sche Filter nicht nur im Hauptfeld, sondern auch im Randbereich erfüllt ist. Das elektrostatische und magneti sche Ablenkfeld besitzt dann beispielsweise den in Fig. 4 dargestellten axialen Verlauf.

5. Weitere Ausführungsbeispiele

Die durch Gleichung (1) gegebene Potentialbelegung der Ablenkelektroden erlaubt eine statische und eine dynamische Drehung des elektrischen Dipolfeldes in der x-y-Ebene. Da man das magnetische Dipolfeld entsprechend mitdrehen muß, sind in der beschriebenen Vorrichtung auch zwei Sattelspulenpaare SPI, SPA für die x- und y-Ablenkung vorgesehen. Ein Sattel spulenpaar kann entfallen, wenn man auf die Drehbarkeit der Dipolfelder verzichtet. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die in Fig. 2 dargestellte Ablenkeinheit durch das aus [4] bekannte Elektrodensystem ersetzt wird.

6. Literatur

[1] D.P. Boyd et al., US-A-4,352,021;
[2] K.R. Peschmann et al., Applied Optics 24 (No. 23), Dec. 1985, S. 4052-4060;
[3] R.E. Rand et al, US-A-4,521,900;
[4] R.E. Rand et al, US-A-4,625,150;
[5] E. Plies, Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte Bd. 11(1982) Nr. 1, S. 38-45
[6] F.E. Mills, G.H. Morgan, Particle Accelerators 5 (1973), 227.

Claims

1. Vorrichtung zum Entfernen von Ionen aus einem Elektronen strahl die

- eine einen weitgehend homogenes elektrisches Dipolfeld er zeugende erste Ablenkeinheit (ED) und
- eine ein weitgehend homogenes magnetisches Dipolfeld er zeugende zweite Ablenkeinheit (MD, SPI, SPA) enthält, wobei
- die Ablenkeinheiten (ID, MD) eine gemeinsamme Symmetrieach se (OA) aufweisen,
- das elektrische und das magnetische Dipolfeld räumlich so zueinander orientiert sind, daß die Feldvektoren nahezu senkrecht aufeinander stehen und jeweils keine Komponente in Richtung der Symmetrieachse (OA) aufweisen und
- der Quotient aus dem Betrag der elektrischen Feldstärke und dem Betrag der magnetischen Feldstärke entlang eines Ab schnitts der Symmetrieachse (OA) konstant und annähernd gleich ist dem Betrag der mittleren Geschwindigkeit der entlang der Symmetrieachse (OA) laufenden Elektronen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ablenkeinheit (ED) in axialer Richtung gesehen zwischen zwei auf einem kon stanten Potential (V₀) liegenden Rohrelektroden (RA, RE) an geordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein elektrostatisches Multipol element (ED) als erste Ablenkeinheit.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostatische Multipolelement vier oder acht Elektroden aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ablenkein heit (MD) eine oder zwei die erste Ablenkeinheit (ED) ring förmig umschließende Sattelspulenpaare (SPI, SPA) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sattelspulen (SPI, SPA) auf der ersten Ablenkeinheit (ED) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der strom führenden Elemente (LB) einer Sattelspule (SPI, SPA) pro Win keleinheit in einer senkrecht zur Symmetrieachse (OA) orien tierten Ebene eine Cosinus- oder Sinusverteilung aufweist.