DE69703624T2

DE69703624T2 - Geschwindigkeitsanalysator geladener teilchen

Info

Publication number: DE69703624T2
Application number: DE69703624T
Authority: DE
Inventors: John Eccles; Andrew Steele; Charles Unwin
Original assignee: MILBROOK INSTR Ltd
Current assignee: MILBROOK INSTR Ltd
Priority date: 1996-08-17
Filing date: 1997-08-18
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: GB9617312D0; DE69703624D1; WO1998008244A3; EP0919067B1; WO1998008244A2; EP0919067A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Geschwindigkeitsanalysator für geladene Teilchen und auf ein Verfahren zum Analysieren der Geschwindigkeit geladener Teilchen.
Die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens wird durch seine Masse und seine Energie bestimmt. Für einen monoenergetischen Strahl von Teilchen kann das Ergebnis der Geschwindigkeitsanalyse umgewandelt werden, um ein Massenspektrum zu erhalten. Die Massenspektroskopie ist eine verbreitet benutzte Analysentechnik. Für einen Strahl von Teilchen einer bestimmten Masse, zum Beispiel Elektronen, kann das Ergebnis der Geschwindigkeitsanalyse dazu benutzt werden, das Energiespektrum zu bestimmen. Die Energiespektroskopie von Elektronen ist eine verbreitet benutzte Technik.
Eine Art der Massenanalyse ist als Flugzeit-Analyse (ToF = Time-of flight) bekannt. Andere Analysenmethoden sind die Quadrupol-Analyse und Magnetsektor-Analyse.
Die Quadrupol-Analyse hat den Nachteil, dass sehr genaue mechanische und elektronische Bauteile notwendig sind. Ein besonderer Nachteil liegt darin, dass die Transmission der Teilchen in dem Apparat mit zunehmender Masse abnimmt.
Magnetsektor-Massenanalyseapparate erfordern Magnete, die oftmals sehr groß und schwer sind. Durch die Größe und das Gewicht der Magnete wird der Gebrauch dieser Art von Apparaten eingeschränkt.
Quadrupol- und Magnetsektorinstrumente haben den weiteren Nachteil, dass sie Informationen über eine bestimmte Masse nacheinander und nicht alle Massen gleichzeitig verarbeiten, was sehr zeitaufwendig ist.
Bisherige Flugzeitinstrumente haben den Vorteil, mechanisch einfach gestaltet zu sein, aber auch den Nachteil, einen kurzen Arbeitszyklus auf zuweisen. Der Arbeitszyklus ist der Zeitabschnitt des Arbeitens des Instrumentes, in dem Daten aufgezeichnet werden. Ein typischer Arbeitszyklus bisheriger Flugzeitinstrumente liegt bei unter 0,1 %. Die unerwünschte Folge hiervon liegt darin, dass lange Gesamtaufnahmezeiten notwendig werden und ein großer Anteil der Teilchen einer kontinuierlichen Quelle verschwendet wird.
Zwei bisherige Arten von Flugzeitinstrumenten benutzten eine Frequenzmodulation des Ionenstrahls. Bei einem ersten dieser Instrumente wurden viele Frequenzen in einer Folge verschlüsselt. Die Daten des Detektors wurden durch ein Gatter des Detektors dekonvolutiert. Das Gatter selektiert eine bestimmte Flugzeit von den vielen im detektierten Signal vorhandenen Flugzeiten aus. Deshalb wird ein großer Teil des Signals nicht benutzt und damit verschwendet. Weiterhin muss das Verfahren für jede Flugzeit wiederholt werden, was eine unerwünscht lange Zeit erfordern kann.
Ein zweites dieser bisherigen Flugzeit-Instrumente modulierte das Signal mit einer Sinuswelle. Die Frequenz wurde stufenweise verändert und dem Detektor wurde wie bei dem zuletzt genannten Instrument ein Gatter für eine bestimmte Frequenz vorgeschaltet. Das zweite Flugzeit-Instrument hatte ebenfalls den Nachteil, innerhalb eines Zeitraumes nur eine einzige Flugzeit zu verarbeiten.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, den zuvor genannten Nachteilen zu begegnen.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat ein Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator Modulationsmittel zum Aufzwingen einer binären Folge auf eine Probe geladener Teilchen, einen Detektor zur Ermittlung des Eintreffens der genannten, geladenen Teilchen bei ihm und zum Erzeugen eines Ausgangssignals sowie Transformationsmittel zum Transformieren des Signals des Detektors mittels der binären Folge, um Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten zu liefern, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die binäre Folge eine im Wesentlichen zufällige binäre Folge ist und dass der Detektor so angeordnet ist, dass er im Wesentlichen alle die modulierten, geladenen Teilchen detektiert und dass die Transformationsmittel so angeordnet sind, dass sie das Detektorsignal transformieren und dekonvolutieren, um im Wesentlichen gleichzeitig Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten zu liefern.
Die im Wesentlichen zufällige binäre Folge kann eine pseudozufällige binäre Folge oder eine zufällige binäre Folge sein.
Die Transformationsmittel können Dekonvolutionsmittel zum Dekonvolutieren des Detektorsignals oder Cross-Korrelationsmittel sein.
Die Cross-Korrelationsmittel können so angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen gleichzeitig Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten liefern.
Die geladenen Teilchen können Ionen sein. Die geladenen Teilchen können Elektronen sein.
Der Geschwindigkeitsanalysator kann ein Massenspektrometer sein. Das Massenspektrometer kann ein sekundäres lonen-Massenspektrometer sein.
Der Geschwindigkeitsanalysator kann ein Elektronenenergie-Analysator sein.
Für den Fall, dass die geladenen Teilchen Ionen sind, kann das Massenspektrometer eine Laufzeitröhre mit einem Driftpotential in der Größenordnung von 5 eV bis 800 eV sein. Vorzugsweise liegt das Driftpotential in der Laufzeitröhre in der Größenordnung von 20 eV bis 200 eV.
Das Massenspektrometer kann eine Laufzeitröhre aufweisen, bei der die Flugzeitwerte in der Größenordnung von 0,1 us bis 1000 us liegen. Vorzugsweise liegen die Flugzeitwerte in der Größenordnung von 1 us bis 500 us.
Der Geschwindigkeitsanalysator kann eine Laufzeitröhre aufweisen, für die die Geschwindigkeit der Teilchen in der Größenordnung von 100 m/s bis 1.000.000 m/s liegt. Vorzugsweise liegt die Geschwindigkeit der Ionen in der Größenordnung von 1.000 m/s bis 500.000 m/s.
Die Probe der aufgeladenen Teilchen kann einen Strahl geladener Teilchen aufweisen, der durch Kollimation und Fokussierung der geladenen Teilchen erzeugt werden kann. Die geladenen Teilchen können auf dem Detektor fokussiert sein. Die geladenen Teilchen können durch eine Linse oder mehrere Linsen fokussiert sein. Die Linsen können zumindest eine reflektierende Linse aufweisen. Die Linsen können zumindest eine elektrostatische Linse aufweisen.
Die Modulationsmittel können Mittel zum Ablenken der genannten Probe von geladenen Teilchen von dem Detektor aufweisen. Die Richtung des Probestrahls kann durch elektrostatische Mittel verändert werden, wobei die elektrostatischen Mittel vorzugsweise einen Ablenker mit parallelen Platten aufweisen. Sie können jedoch auch einen Ablenker mit einer einzigen Platte oder eine elektrostatische Linse oder ein Gitter von feinen Drähten aufweisen. Die Probe kann alternativ durch magnetische Mittel abgelenkt werden.
Die Modulationsmittel können eine Anordnung von Ladung tragenden Elementen aufweisen, bei denen es sich um Drähte handeln kann. Die Ladung tragenden Elemente können im Wesentlichen parallel zueinander vorgesehen sein. Die Modulationsmittel können in Bewegungsrichtung der Probe kurz sein, so dass sie die in den Strahl eingeleitete Pulslänge nicht aufweiten. Die Ladung tragenden Elemente können bei Gebrauch in Bezug auf die geladenen Teilchen eine derart ausgebildete Ladungspolarität aufweisen, dass sich im Wesentlichen durch die Ladung tragenden Elemente außerhalb der Modulationsmittel kein elektrisches Feld ergibt. Die Anordnung kann eine Vielzahl von Lagen aus Ladung tragenden Elementen aufweisen, welche relativ zueinander querversetzt sein können, um hierdurch eine Linse zu bilden.
Die Probe kann einen gepulsten Strahl von geladenen Teilchen aufweisen. Die Länge jedes Pulses kann durch die im Wesentlichen zufällige binäre Folge festgelegt sein. Die Länge jedes Pulses kann ein Vielfaches einer Zeiteinheit der binären Folge sein. Die Länge jedes Pulses kann durch einen Trigger aufgrund eines Zeitgliedes bestimmt sein.
Das Zeitglied kann einen Folgegenerator triggern, wobei der Folgegenerator eine im Wesentlichen zufällige binäre Folge liefert. Das Zeitglied kann so angeordnet sein, dass es mit einer Periode zwischen 0,01 us und 30 us pulsiert. Vorzugsweise ist das Zeitglied dazu ausgebildet, mit einer Periode zwischen 0,1 us und 3 us zu pulsieren.
Der Folgegenerator kann so ausgebildet sein, dass er während des Arbeitens eine Folge mit M Digits erzeugt, wobei M eine ganze Zahl größer als 3 ist. Vorzugsweise wird die Folge eine binäre Folge mit 2 N Digits sein, wobei N eine ganze Zahl sein kann. Vorzugsweise ist der Folgegenerator so ausgebildet, dass er während des Arbeitens eine binäre Folge von mehr als 128 Digits, 256 Digits, 512 Digits, 1.024 Digits, 2.048 Digits und/oder 4.096 Digits erzeugt. Am besten ist der Folgegenerator ausgebildet, wenn er im Gebrauch eine Folge von 1.024 Digits erzeugt.
Der Geschwindigkeitsanalysator kann einen transienten Schreiber zum Aufzeichnen des von dem Detektor erzeugten Signals aufweisen.
Der Detektor kann so angeordnet sein, dass er ein Signal durch direktes Detektieren der Probe zu dem transienten Schreiber weiterleitet. Vorzugsweise kann der Detektor einen faradayschen Becher aufweisen.
Alternativ kann der Detektor so angeordnet sein, dass er ein Signal durch Detektieren einer sekundären Kaskade von durch die Probe verursachten, geladenen Teilchen zu dem transienten Schreiber weiterleitet. Wenn passend kann der Detektor einen Elektronenkanalverstärker oder eine Elektronen-Verstärkeranordnung/-Multikanalplatte auf weisen.
Der transiente Schreiber kann ein Signal des Detektors in eine Vielzahl von Zeitkanälen aufzeichnen. Die Größe der Zeitkanäle kann durch das Zeitglied bestimmt sein. Jeder Zeitkanal kann durch die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Digits der im Wesentlichen zufälligen binären Folge festgelegt sein. Alternativ können die Zeitkanäle durch andere Mittel festgelegt sein. Der transiente Schreiber kann so angeordnet sein, dass er Signale des Detektors, welche aus einer Wiederkehr der im Wesentlichen zufälligen binären Folge resultieren, den Werten hinzufügt, welche in vorangegangenen Zyklen der im Wesentlichen zufälligen binären Folge aufgezeichnet wurden. Der transiente Schreiber kann so angeordnet werden, dass er die Signale integriert, welche in jedem Kanal für eine Vielzahl von Wiederholungen der im Wesentlichen zufälligen binären Folgen aufgezeichnet werden. Der transiente Schreiber kann einen digitalen Signalverarbeitungs-Chip (DSP) aufweisen. Der genannte DSP-Chip kann mit einem Computer arbeitsmäßig verknüpft sein. Der transiente Schreiber kann eine periphere, zwischengeschaltete Bauteilkarte (PCI) aufweisen, die arbeitsmäßig mit einem Computer verknüpft sein kann.
Die Cross-Korrelationsmittel können dazu ausgebildet sein, eine mathematische Funktion zu benutzen, um die im Wesentlichen zufälligen binären Folgen von einem Flugzeitspektrum der Probe geladener Teilchen zu trennen. Die genannte mathematische Funktion kann durch Computermittel ausgeführt werden, bei denen es sich um einen Personalcomputer handeln kann. Die mathematische Funktion kann es einschließen, dass ein Signal der Frequenzdomäne in eine Zeitdomäne transformiert wird. Bei der genannten Transformation kann es sich um eine Fourier-Transformation handeln. Die genannte Transformation kann eine schnelle Fourier-Transformation sein. Die genannte Transformation kann eine Hadamard-Transformation sein.
Ein Verfahren zum Analysieren der Geschwindigkeit einer Probe geladener Teilchen, bei dem die Probe mit einer binären Folge moduliert wird, bei dem das Eintreffen der modulierten Probe geladener Teilchen bei einem Detektor ermittelt wird und ein Signal, welches von dem Detektor erzeugt wurde, mit der binären Folge cross-korreliert wird, um Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten zu liefern, ist dadurch gekennzeichnet, dass die binäre Folge eine im Wesentlichen zufällige binäre Folge ist und dass der Detektor so angeordnet ist, dass er im Wesentlichen alle die modulierten, geladenen Teilchen detektiert und dass die Transformationsmittel so angeordnet sind, dass sie das Detektorsignal transformieren und dekonvolutieren, um im Wesentlichen gleichzeitig Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten zu liefern.
Das Verfahren kann ein Cross-Korrelieren des von dem Detektor erzeugten Signals mit der im Wesentlichen zufälligen binären Folge einschließen, um im Wesentlichen gleichzeitig für ein Spektrum von Geschwindigkeiten Flugzeitwerte zu liefern.
Das Verfahren kann ein Beschleunigen des Strahles der geladenen Teilchen in einer Laufzeitröhre einschließen, wobei die Beschleunigung durch ein Driftpotential in der Größenordnung von 5 eV bis 800 eV hervorgerufen sein kann. Vorzugsweise wird die Probe geladener Teilchen mit einem Potential von 20 eV bis 200 eV beschleunigt.
Die Probe geladener Teilchen kann durch sekundäre Ionisationen erzeugt sein.
Alle die vorgenannten Aspekte können mit jedem beliebigen hier erläuterten Merkmal in beliebiger Kombination kombiniert sein.
Nachfolgend werden spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 ein Flussdiagramm eines Geschwindigkeitsanalysators für geladene Teilchen ist,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Laufzeitröhre des Geschwindigkeitsanalysators für geladene Teilchen ist,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Laufzeitröhre des Geschwindigkeitsanalysators für geladene Teilchen ist,
Fig. 4a eine teilweise, schematische Seitenansicht einer Ausführungs form von Modulationsmitteln ist,
Fig. 4b eine teilweise, schematische Vorderansicht der Ausführungsform von Modulationsmitteln ist und
Fig. 4c eine teilweise, schematische Draufsicht der Ausführungsform von Modulationsmitteln ist.
Ein Ionen-Geschwindigkeitsanalysator 10 hat eine Ionenquelle 12, wobei die Quelle unter Vakuum steht. Die Ionen werden mittels einer Folge von elektrostatischen Linsen in einem Fokussierbereich 14 des Ionen-Geschwindigkeitsanalysators 10 zu einem Strahl fokussiert. Der Strahl wird von einem Detektor 16 moduliert, um ein pseudozufälliges binäres Signal mit Pulsen veränderlicher Länge zu bilden. Der modulierte Strahl bewegt sich durch eine evakuierte Laufzeitröhre 18 zu einem Detektor 20 mit einem ausgewählten elektrostatischen Potential. Das Signal des Detektors 20 wird verstärkt und die Signalstärke jeder einer Anordnung von Zeitkanälen wird von einem Multikanal-Analysator 22 gemessen und aufgezeichnet. Das sich ergebende Signal ist eine Konvolution des pseudozufälligen binären Signals und des Flugzeitspektrums der Ionenprobe. Das Signal des Detektors 20 wird mit dem modulierten Signal cross-korreliert und dekonvolutiert, um ein Flugzeitspektrum für die Ionenprobe zu bilden. Das Flugzeitspektrum wird dann invertiert, um ein Massenspektrum zu bilden.
Die Arbeitsweise und der Aufbau des Ionen-Geschwindigkeitsanalysators 10 wird nunmehr detaillierter beschrieben.
Die Ionen der Quelle 12 werden durch einen hochenergetischen Ionenstrahl erzeugt, der auf die Oberfläche einer zur Analyse bestimmten Probe gerichtet wird. Der hochenergetische Ionenstrahl ionisiert die Oberfläche der Probe. Die sich bildenden Ionen werden bei der Analyse benutzt. Zum Erzeugen einer Ionenquelle können alternative Verfahren benutzt werden, einschließlich Elektronenstoßionisation von Gasen (wobei der Geschwindigkeitsanalysator ein Restgasanalysator sein würde, der die Massenspektren der Teilchen in der Dampfphase liefern würde); Plasmaionisation von Gasen, Flüssigkeiten und Lösungen; Hochenergie-Ionisation mit neutralem Strahl für Feststoffe; Glühentladungsionisation für Feststoffe; Laserstrahlung für Feststoffe; radioaktive Ionisation; sekundäre Ionisation aufgrund von Ionenstrahlen; und andere verwandte Verfahren. Die Ionen der Probe werden dann mittels einer Serie von elektrostatischen Linsen im Fokussierbereich 14 zur Bildung eines Strahls kollimiert und fokussiert. Bei diesem Beispiel wird die Energieausbreitung der Ionen in dem Strahl durch Einsatz eines Energiefilters so kontrolliert, dass sie einen geringen Anteil des Potentials der Laufzeitröhre bildet.
Anschließend gelangt der Ionenstrahl zu dem Deflektor 16, der vielfältig ausgebildet sein kann, beispielsweise als Deflektor mit parallelen Platten, als Deflektor mit nur einer Platte, als elektrostatische Linse, als eine Serie von elektrostatischen Feldern, welche durch ein Gitter von feinen Drähten erzeugt werden oder als Deflektor, welcher magnetische Felder verwendet. Die Ionen werden davon abgelenkt, in Richtung des Detektors 20 fokussiert zu werden. Der Deflektor 16 ist so gesteuert, dass er einen Strahl mit einer pseudozufälligen binären Modulation erzeugt. Eine Uhr 24 wird benutzt, um die Breite der Zeitkanäle zwischen 0,1 us und 3 us einzustellen, wobei die Uhr mit dieser Periode pulsiert. Eine pseudozufällige digitale Folge wird von einem Folgegenerator 26 zur Verfügung gestellt, indem er von der Uhr 24 getriggert wird. Die digitale Folge wird mit dem von der Uhr 24 gelieferten, gepulsten Signal kombiniert, um ein Signal zu erzeugen, welches eine bekannte Folge von Ein/Aus-Pulsen bekannter Dauer hat. Das Signal wird von einem Verstärker 28 verstärkt und dazu benutzt, den Deflektor 16 zu steuern, indem dessen Spannung entsprechend des Signals variiert wird. Der Strahl wird so abgelenkt, dass er den Detektor 20 verfehlt oder er bleibt unabgelenkt, so dass der Strahl auf den Detektor 20 trifft. Der Ionenstrahl enthält deshalb Pulse von Ionen mit veränderlichen Längen. Die Längen der Pulse werden Vielfache der Kanalbreite sein.
Die Anzahl der Ein/Aus-Digits wird so gewählt, dass sie 2N beträgt, wobei N eine ganze Zahl ist und dass die Dekonvolution wirkungsvoll durchgeführt werden kann. Die Cross-Korrelations-Funktion, welche bei diesem Beispiel benutzt wird, ist eine schnelle Fourier-Transformation, welche beträchtlich schneller ausgeführt werden kann, wenn die Anzahl der Datenpunkte 2N beträgt, wobei N eine ganze Zahl ist. Bei diesem Beispiel beträgt die Anzahl der Zyklen 1.024, jedoch könnten auch andere benutzt werden, beispielsweise 128, 256, 512, 2.048 oder 4.096.
Ein weiteres Fokussieren des Strahls wird durchgeführt, sobald er den Deflektor 16 passiert hat, jedoch kann das bei verschiedenen Ionenquellen unnötig sein. Das weitere Fokussieren kann auf vielfältige Weise ausgeführt werden, jedoch werden in den Fig. 2 und 3 zwei Beispiele dafür gegeben.
Gemäß Fig. 2 sind drei beabstandete Linsen 36 in einer Laufzeitröhre 18 angeordnet. Die Linsen können elektrostatisch sein und können zum Fokussieren des Ionenstrahls einzeln gesteuert werden.
Die Fig. 3 zeigt ein zweites Beispiel für das weitere Fokussieren. Bei diesem Beispiel weist die Laufzeitröhre 18 erste und zweite Bereiche 38, 40 auf, die einen Winkel bilden. Eine Linse 42 ist am Eingang der Flugröhre 18 angeordnet. Im Scheitelpunkt des Winkels zwischen dem ersten und zweiten Bereich 38, 40 der Flugröhre 18 befindet sich eine reflektierende Linse 44. Ionen, welche sich durch den ersten Bereich 38 abwärts bewegen, treten in die reflektierende Linse 44 ein und werden dort fokussiert und abwärts im zweiten Bereich 40 zu einer weiteren Linse 46 und weiter zu dem Detektor 20 reflektiert. Dieses Beispiel bietet den Vorteil, die Aufweitung der Flugzeit aufgrund von Energieausbreitung zu reduzieren.
Der gepulste Strahl gelangt dann in die Laufzeitröhre 18, die ein Driftpotential in der Größenordnung von 20 bis 200 eV hat. Das Driftpotential bestimmt die Flugzeit des Ions, wenn man das Potential mit der Länge der Röhre und der Ionenmasse kombiniert. Die Masse ist mit dem Quadrat der Flugzeit proportional. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Laufzeitröhre 18 etwa 50 cm lang.
Nicht abgelenkte Ionen werden auf den Detektor 20 auftreffen und dadurch in dem Detektor 20 einen elektrischen Stromfluss erzeugen. Das Ausgangssignal des Detektors wird einem Verstärker 30 zugeführt, der typischerweise eine Ausgangsspannung von 1 V für einen detektierten Laufzeitröhrenstrom von 1 nA liefert. Die Verstärkung kann jedoch um einen Faktor von 1.000 schwanken. Für den Ionen-Geschwindigkeitsanalysator können verschiedene Detektoren benutzt werden. Bei diesem Beispiel wird ein faradayscher Becher benutzt. Alternativ könnte ein Elektronenverstärker oder eine Elektronenverstarkeranordnung benutzt werden, um den Ionenstrom vor dem Verstärker 30 durch eine sekundäre Kaskade in dem Vakuum von jeweils 1 pA auf 1 uA oder jeweils 1 nA vor zuverstärken. Der Strom wird dann dem Verstärker 30 zugeführt, der für einen detektierten Kaskadenstrom von 1 nA eine Ausgangsspannung von 10 mV liefert. Das Signal wird dann einem Analog/Digital-Konverter 32 zugeführt, so dass es in dem Multikanal-Analysator 22, der einen digitalen Eingang erfordert, analysiert werden kann. Bei dem Multikanal-Analysator 22 gemäß diesem Beispiel handelt es sich um einen digitalen, Signale verarbeitenden Chip, jedoch könnte dieser durch verschiedene Äquivalente ersetzt werden, beispielsweise eine PCI-Karte.
Der Multikanal-Analysator 22 erhält die Pulse von der Uhr 24, wobei die Pulse - wie zuvor erwähnt - ebenfalls von dem Folgegenerator 26 empfangen werden. Für jeden Puls, der einen Kanal der 1.024 Kanäle beinhaltet, wird die Stärke des Signals des Verstärkers 30 von dem Multikanal- Analysator 22 aufgezeichnet. Folglich werden nach einem Zyklus des pseudozufälligen Signals 1.024 Werte des Detektorstromes abgespeichert.
Der Zyklus von 1.024 Pulsen wird wiederholt und die Stärke des Signals wird einem zuvor abgespeicherten Signal eines bestimmten Kanals hinzuaddiert. Der Zyklus von 1.024 Pulsen wird typischerweise 256 Mal wiederholt.
Hierdurch wird ein sich kumulierendes Signal erzeugt, indem der 1.024 Pulszyklus sich wiederholt. Der Zyklus wird wiederholt, bis das Verhältnis von Signal zu Geräusch für das System ausreichend hoch ist.
Die kumulierten Daten für die 1.024 Kanäle werden dann mit dem Ausgangssignal des Folgegenerators 26 mittels eines Computers 34 cross-korreliert. Die Korrelationsfunktion, welche bei diesem Beispiel benutzt wird, ist eine schnelle Fourier-Transformation. Eine Hadamard-Transformation kann eine alternative Korrelationsfunktion zur Verfügung stellen. Das Ergebnis ist die Stärke des Signals, welches mit jeder Flugzeit übereinstimmt, die in die Uhrzeiteinheiten aufgeteilt wird. Dieses Signal wird dann in dem Computer 34 verarbeitet, um Uhrimpulseinheiten in Zeit umzuwandeln und um die Flugzeit in ihre entsprechende Masse umzuwandeln. Wie zuvor erwähnt, stimmt eine Flugzeit für ein gegebenes Driftpotential und eine gegebene Länge der Laufzeitröhre 18 mit einer bestimmten Masse überein.
Falls ein besonderer Massenbereich von Interesse ist, kann die Korrelation für nur eine Untergruppe der 1.024 Kanäle ausgeführt werden. Hierdurch wird sich die Zeitdauer für die Durchführung der Cross-Korrelation verkürzen.
Mehrere transformierte Ergebnisse, bis zu 100 und mehr, können miteinander addiert werden, um ein Spektrum zu erzeugen, welches Spitzen mit geringer Intensität leichter zeigt als ein einziges transformiertes Ergebnis.
Die Modulation des Strahls kann eine Frequenzmodulation oder eine Amplitudenmodulation sein.
Ein alternatives Modulationsmittel 50 wird in den Fig. 4a, b und c gezeigt. Das alternative Modulationsmittel 50 weist eine Anordnung von drei Lagen von Drähten 52 auf. Die Drähte sind quer zur Bewegungsrichtung der Teilchen angeordnet, bei diesem Beispiel in vertikaler Ausrichtung. Alle Drähte verlaufen im Wesentlichen parallel, was zu einem Transmissionsanstieg gegenüber einem Drahtgitter führt. Jede Lage 54 der Anordnung 52 hat Drähte mit einem Abstand (x) von 0,2-1,5 mm. Die zweite Lage 54b ist relativ zu der ersten Lage 54a um eine Entfernung von etwa dem halben Drahtabstand (x) querversetzt. Der Abstand zwischen benachbarten Lagen beträgt 0,15-1 mm. Die Drähte der dritten Lage 54c sind im Wesentlichen mit den Drähten der ersten Lage 54a in Richtung der Teilchenbewegung ausgerichtet. Die Drähte der Anordnung weisen das Potential der Laufzeitröhre auf. Um eine Ablenkung zu erzeugen, hat die zweite Lage 54b der Anordnung eine Potentialdifferenz zum Driftpotential.
Ein weiteres, alternatives Modulationsmittel besteht darin, eine einzige Lage von parallelen Drähten vorzusehen, bei der die benachbarten Drähte unterschiedliche Polarität, jedoch gleiche Potentialdifferenz zum Laufzeitröhrenpotential haben, um die Ablenkung zu verursachen.
Das alternative Modulationsmittel 50 arbeitet auf gleiche Weise wie zuvor beschrieben. Zusätzliche Vorteile ergeben sich jedoch beispielsweise durch das vorhandene Merkmal, dass die Anordnung von Drähten 52 als eine Mikrolinse arbeitet und eine gleichförmige Wirkung über mehrere mm² Fläche des Strahls hat. Weiterhin führt der Gebrauch einer Anordnung dazu, dass die Gesamtlänge des Modulationsmittels verkürzt werden kann, wodurch sich verkürzte Transitzeiten und Pulsperioden ergeben. Die erforderliche Spannung einer solchen Anordnung ist des Weiteren gegenüber der eines entsprechenden Rechteckgitters geringer, so dass sie leichter zu fertigen und zu betreiben ist.
Eine Alternative zu dem zuvor beschriebenen Detektor liegt in dem Gebrauch von Mehrfach-Synchrondetektoren. Das wird durch den Gebrauch eines Folgegenerators zum Modulieren des Signals verwirklicht, wodurch das Signal dann zu unterschiedlichen Zeiten bei dem Detektor eintrifft, was von der Geschwindigkeit der Ionen abhängt. Eine Verzögerungseinrichtung wird benutzt, um die Modulation einer ausgewählten, zu messenden Flugzeit zu verzögern. Das Signal am Detektor wird mit dem modulierten und verzögerten Ausgang der Verzögerungseinrichtung multipliziert. Die Multiplikation führt dazu, dass das Signal mit 1 multipliziert wird, wenn die Modulation 1 beträgt und dann mit -1, wenn die Modulation 0 ist. Der Durchschnittswert des Ausgangs aus der Multiplikation ist die Intensität des Signals zur Verzögerungszeit (ausgewählte Flugzeit), welche von der Verzögerungseinrichtung bestimmt wurde.
Die Verzögerungseinrichtung ist so ausgebildet, dass sie mehrere Abgänge hat, welche jeweils eine andere Flugzeit darstellen. Jeder Abgang hat seinen eigenen Verstärker und Durchschnittsbilder. Jede Anzahl von Abgängen kann benutzt werden, so dass im Wesentlichen die Anzahl von "Abgang, Verstärker und Durchschnittsbilder"-Sätzen der Anzahl der Detektorkanäle entspricht. Die Verzögerungseinrichtung kann ein Schieberegister und die Verstärker können einfache +/- -Vorrichtungen sein. Der Durchschnittsbilder kann eine einfache Paarung von Resistor/Kondensator (Tiefpass-Filter) sein. Der Mehrfach-Synchrondetektor, welcher auf allen Ankunftszeitkanälen arbeitet, führt lediglich eher eine Transformation durch Hardware als in einem Computer aus.
Der hier beschriebene Ionen-Geschwindigkeitsanalysator bietet gegenüber Vorrichtungen nach dem Stand der Technik auffallende Vorteile. Die Funktion, gleichzeitig ein vollständiges Flugzeitsignal anstelle einer einzelnen Flugzeit zu einer bestimmten Zeit zu analysieren, führt zu auffallenden Vorteilen im Hinblick auf die Geschwindigkeit der Analyse einer bestimmten Probe. Indem im Vergleich zu dem häufiger benutzten Driftpotential von 3.000 bis 10.000 eV ein verhältnismäßig geringes Driftpotential von 20 bis 200 eV benutzt wird, kann eine Vielzahl von Bauteilen verwendet werden, die zwar die Genauigkeit des Ionen-Geschwindigkeitsanalysators herabsetzen, jedoch im Vergleich zu Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zu einer erheblichen Kosteneinsparung bei der Herstellung und Wartung der Vorrichtung und zu einer robusteren Vorrichtung führen. Beispielsweise ist ein Detektor mit einem faradayschen Becher billiger und hat eine beträchtlich höhere Lebensdauer als der übliche Verstärker oder die übliche Mehrfachkanal-Platte. Der Gebrauch von längeren Kanalzeiten und die sich ergebende Verminderung des Umfangs der Information ermöglicht zum Verarbeiten des Signals den Gebrauch eines PCs und stellt in Sekunden ein Massenspektrum zur Verfügung.
Der hier beschriebene Ionen-Geschwindigkeitsanalysator bietet einen größeren Einsatzzyklus als die bisherigen Flugzeitanalysatoren. Weiterhin können billige Bauteile benutzt werden.
Die bisherigen Instrumente dekonvolutierten das Signal durch Gating vor dem Detektor. Der Vorteil des Dekonvolutierens des Signals nach dem Detektor durch Gebrauch eines Computers (wie das hier der Fall ist) liegt darin, dass zusammen mit einer parallelen Aufnahme von Flugzeiten ein wesentlich höherer Einsatzzyklus benutzt werden kann.
Die vorgenannten Vorteile können entweder durch kürzere Aufnahmezeiten für ein bestimmtes Spektrum, für die Aufnahme eines sehr schwachen Spektrums oder für die Aufnahme eines sich wiederholenden Spektrums mit einer hohen Wiederkehrrate genutzt werden.

Claims

1. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator, welcher Modulationsmittel (16) zum Auf zwingen einer binären Folge auf einer Probe geladener Teilchen, einen Detektor (20) zur Ermittlung des Eintreffens der genannten, geladenen Teilchen bei ihm und zum Erzeugen eines Ausgangssignals und welcher Transformationsmittel (34) zum Transformieren des Signals des Detektors (20) mittels der binären Folge hat, um Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass die binäre Folge eine im Wesentlichen zufällige binäre Folge ist und dass der Detektor (20) so angeordnet ist, dass er im Wesentlichen alle die modulierten, geladenen Teilchen detektiert und dass die Transformationsmittel (34) so angeordnet sind, dass sie das Detektorsignal transformieren und dekonvolutieren, um im Wesentlichen gleichzeitig Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten zu liefern.

2. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach Anspruch 1, bei dem die im Wesentlichen zufällige binäre Folge eine pseudozufällige binäre Folge ist.

3. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach den Ansprüchen 1 oder 2, in welchem die Transformationsmittel (34) Cross-Korrelationsmittel sind.

4. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator gemäß Anspruch 3, bei dem die Cross-Korrelationsmittel so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen gleichzeitig Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten liefern.

5. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator ein Massenspektrometer ist.

6. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher ein Elektronenenergie-Analysator ist.

7. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, welcher eine Laufzeitröhre (18) mit einem Potential in der Größenordnung von 5 eV bis 800 eV hat.

8. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die geladenen Teilchen durch eine oder mehrere Linsen (36) fokussiert sind.

9. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Modulationsmittel (16) eine Anordnung von Ladung tragenden Teilen (54) aufweisen, um die Probe geladener Teilchen vom Detektor abzulenken.

10. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher einen transienten Schreiber (22) zum Aufzeichnen des von dem Detektor (20) erzeugten Signals hat.

11. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach Anspruch 10, bei dem der Detektor (20) so angeordnet ist, dass er ein Signal zu dem transienten Schreiber (22) weiterleitet, wenn er eine sekundäre, von der Probe erzeugte Kaskade von geladenen Teilchen detektiert.

12. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach Anspruch 11, bei dem der Detektor (20) einen Kanal-Elektronenverstärker oder eine Elektronenverstärkeranordnung (30) hat.

13. Flugzeit-Geschwindigkeitsanalysator nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der transiente Schreiber (22) so angeordnet ist, dass er Signale des Detektors, welche von einer Wiederholung der im Wesentlichen zufälligen binären Folge resultieren, zu den Werten addiert, welche in vorangegangenen Zyklen der im Wesentlichen zufälligen binären Folge aufgezeichnet wurden.

14. Verfahren zum Analysieren der Geschwindigkeit einer Probe geladener Teilchen, bei dem die Probe mit einer binären Folge moduliert wird, bei dem das Eintreffen der modulierten Probe geladener Teilchen bei einem Detektor (20) ermittelt wird und ein Signal, welches von dem Detektor (20) erzeugt wurde, mit der binären Folge crosskorreliert wird, um Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass die binäre Folge eine im Wesentlichen zufällige binäre Folge ist und dass der Detektor (20) so angeordnet ist, dass er im Wesentlichen alle die modulierten, geladenen Teilchen detektiert und dass Transformationsmittel (34) so angeordnet sind, dass sie das Detektorsignal transformieren und dekonvolutieren, um im Wesentlichen gleichzeitig Flugzeitwerte für ein Spektrum von Geschwindigkeiten zu liefern.