EP0473488A2 - High transmission stigmatic mass spectrometer - Google Patents
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- EP0473488A2 EP0473488A2 EP91402222A EP91402222A EP0473488A2 EP 0473488 A2 EP0473488 A2 EP 0473488A2 EP 91402222 A EP91402222 A EP 91402222A EP 91402222 A EP91402222 A EP 91402222A EP 0473488 A2 EP0473488 A2 EP 0473488A2
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- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
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- H01J49/28—Static spectrometers
- H01J49/32—Static spectrometers using double focusing
Definitions
- the present invention relates to a high transmission stigmatic mass spectrometer of the type known by the English abbreviation SIMS and whose descriptions can be found in the book Chemical Analysis vol. 86 entitled "Secondary ion mass spectrometry" by A. Benninghoven et al and published by John Whiley and sons in section 4 pages 329 to 664.
- the part of the device which is located downstream of the sample and the secondary ion extraction devices forms a mass spectrometer whose spectrometry differs greatly from that of thermionization spectrometers in that the ions secondary emitters generally have a much more significant energy dispersion which can typically range up to 20 eV.
- it is advantageous in these devices not to filter the beam of particles into energy so as to conserve all of the available ionic signal, one of the performances expected from a spectrometer being to have good transmission for a determined mass resolution.
- the achromatic plane of exit from an electric or magnetic sector is the plane where the point from which the trajectories dispersed in energy seem to originate.
- the input achromatic plane is symmetrical to the output plane if the sector is symmetrical.
- any trajectory of particles having a difference in energy ⁇ E and converging towards the achromatic plane always leaves on the axis, and the achromatism on the axis implies that the achromatic plane of exit of the electrostatic sector SE and the plane input of the magnetic sector SM are combined.
- An arrangement for performing chromatography on the entire axis of a spectrometer is for example known from the IMS3F device marketed and manufactured by the Applicant Company CAMECA, a corresponding description of which can be found in an article by M. Lepareur entitled “the second generation micro-analyzer CAMECA module 3F "published in the journal THOMSON CSF Vol. 12 no.1, March 1980.
- the advantage of this arrangement is that it makes it possible, in addition to performing achromatism over the entire axis, to project onto an image intensifier, the ionic image of the sample filtered in mass.
- the electrostatic or magnetic sectors have, in addition to their deflection properties, focusing properties which depend on the shape which is given to the electrodes of the SE or to the pole pieces of the SM, these generally do not have symmetry of revolution, and the convergence in the two directions Oy and Oz, normal to the optical axis is not identical.
- the sphere-shaped electrodes of the sector electrostatic SE have a focal fe equal in the directions Oy and Oz and the planes located on either side of the electrostatic sector SE, at a distance from the input faces equal to the radius of the electrostatic sector SE are conjugate.
- the shape given to the input faces of the magnetic sector SM gives it an optical diagram equivalent to that formed by a pair of lenses.
- the lenses have equal focal lengths fm for the two directions Oy and Oz, and the space which separates them is not identical in the two directions.
- An entry slot is arranged at a distance fe upstream from the entry face of the electrostatic sector SE; an outlet slot is arranged at a distance f m downstream of the magnetic sector SM.
- These two slots are optically combined and have an approximately equivalent role. It is the setting of the input slit that determines the mass resolution.
- an "energy" slot is arranged at a distance fe from the exit face of the electrostatic sector SE.
- the pupil of illumination of the secondary emission also called "cross-over" is imaged on the entry slit and therefore on the exit slit.
- the plane of the sample is imaged on a diaphragm located just at the entrance to the electrostatic sector SE. Because of the disparity in the directions Oy and Oz of the spaces separating the lenses in doublet from the equivalent diagram of the magnetic sector SM, a stigmator is necessary in a plane close to the exit slit to allow to project a stigmatic image of the plane of the 'sample.
- a coupling optic is placed between the electrostatic sector SE and the magnetic sector SM to compensate, on the one hand, for the chromatic dispersion of the electrostatic sector by that of the magnetic sector and, on the other hand, to combine the planes of the inlet slot and the outlet slot.
- the coupling optics can be achieved by means of a single lens.
- the relation (3) expresses that the angular openings in the orthogonal directions 0Y and OZ in the plane of the slits produce second order aberrations in the direction 0Y which is the direction of the mass dispersion.
- the object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks.
- the subject of the invention is a double focusing high transmission stigmatic mass spectrometer of the type comprising, arranged between an entry slit and an exit slit crossed by particles emitted by a sample, an optical system for coupling placed between two electrostatic and magnetic sectors respectively, characterized in that the optical coupling system comprises at least two slit lenses oriented respectively in a first direction in which the ion trajectory is curved by the electrostatic and magnetic sectors and in a direction perpendicular to the plane of the trajectory, the positions of the two lenses on the optical axis of the spectrometer being determined to obtain compensation for the chromatic dispersions on the entire axis downstream of the spectrometer, a stigmatic image of the entry slit in the plane from the spectrometer and a stigmatic image downstream of the spectrometer, of a plane not conjugated with the entry slit, in a plane distinct from the exit plane.
- Figure 1 the construction of the images of the entry slit in an IMS3F type device.
- FIG. 2 the positions of the images of the plane of the sample in an apparatus of the IMS3F type.
- Figure 3 the positions of the achromatic planes of the electrostatic and magnetic sectors of an IMS3F device.
- FIGS. 4A and 4B an embodiment of an optical coupling according to the invention by means of two lenses L y and L z arranged between the two sectors SM and SE.
- FIGS. 5A and 5B an embodiment of an optical coupling according to the invention by means of a lens Ly and two lenses L 1z and L 2z .
- FIG. 6A an embodiment of an optical coupling by means of only a single lens Ly.
- FIG. 6B an embodiment of an optical coupling by means of two lenses L 1y and L 2y .
- the invention takes advantage of the fact that the opening aberrations in the direction of the axis OZ are much greater in a magnetic sector SM than in an electrostatic sector SE. It allows the realization of an optical coupling between the two sectors allowing to keep the advantages of the IMS3F device.
- the spectrometer shown in FIG. 1 comprises, arranged on either side of an optical system 1 for coupling L Y in a direction Y situated in the plane of FIG. 1 perpendicular to the direction X of the optical axis of the spectrometer , an electrostatic sector 2 and a magnetic sector 3.
- An entry slit W 1y arranged in an entry plane P1 has for image through the electrostatic sector 2 a slit W 2y arranged in the plane P2 image of the plane P1.
- S 2y is the virtual image of the sample provided by the electrostatic sector in the plane P′2.
- the optical system L y transforms the slit W 2y into an image W 3y arranged, FIG. 1, in a plane P3 and in FIG. 2 it transforms the virtual image of the sample S 2y into an image S 3y in a plane P′3.
- pairs of planes (P2, P3) and (P′2, P′3) appear to be conjugate with respect to the optical system 1.
- the arrangements of the achromatic planes of the electrostatic and magnetic sectors are shown in FIG. 3.
- the same optical coupling system materialized by a lens L Z is used to conjugate the same plane couples (P2, P3) and (P′2, P ′ 3).
- FIG. 4A as in FIG. 4B, the origin of the abscissae is on the achromatic plane of the electrostatic sector 2.
- the achromatic plane P′2 is one meter upstream from the exit of the electrostatic sector.
- P′2 is taken at the origin, as in the case of the IMS3F.
- P′2 is consequently the achromatic plane of exit of the electrostatic sector 2 and consequently, P′3, conjugate plane of P′2, is the achromatic plane of entry of the magnetic sector SM.
- the magnification in Z, W 3z / W 2x is then 1.716 or 2.86 times more than the magnification in Y.
- the ratio of 2.86 can only be obtained if the radius of the electrostatic sector SE is one meter, the radius of the magnetic sector SM being imposed at 0.585 m. Such a dimension can be entirely excessive, by the bulk to which it leads and by the technological difficulty of producing the electrostatic sector.
- the arrangement shown in FIGS. 5A and 5B overcomes this constraint: it comprises a lens Ly (FIG. 5A) located downstream of the plane P2 and two active lenses at Z, L 1z and L 2z ( Figure 5B).
- the lens L 1z images the slit W 2z with a magnification close to 1 and the lens L 2z acts as a magnifying glass to produce an image with a magnification of the order of 5 while respecting relation (6).
- K E 1.17 meters
- the plane P2 is at 0.585 meters from the exit of the electrostatic sector 2.
- the achromatic plane is at 0.585 meters upstream from the exit of the electrostatic sector.
- the magnetic sector 3 is identical to that of the previous example.
- the origin of the abscissae is located on the achromatic plane of the electrostatic sector 2.
- the abscissae of the image plane P3 and of the achromatic plane of the magnetic sector 3 are arranged respectively at 1.169 m and 2.769 m,
- the lens L Y may be advantageous to replace the lens L Y by two lenses L 1y and L 2y located on either side of the plane P2.
- the position and the convergence of the lens L Y are imposed very strictly by the optical characteristics of the electrostatic 2 and magnetic sectors 3.
- these are not necessarily known with precision at the time of mounting. of the camera and if it is obviously easy to adjust the focal length of the lens L y , it is not the same for its position.
- the replacement of the lens Ly by two lenses L 1y and L 2y achieves a zoom effect which gives the operator a latitude of adjustment which he does not have with a single lens.
- This arrangement makes it possible to put an energy discrimination slot in the intermediate plane P21 where there is a real image of the entry slot. This has an advantage, if the magnification W 3y / W 2y must be close to 1.
- the magnetic sector 3 being a device which generally does not have the same focusing properties in Y and in Z it is necessary to compensate for its astigmatism.
- the shape given to the input faces of the magnetic sector 3 gives the latter an equivalent optical diagram consisting of a pair of lenses.
- the lenses then have an equal focal length for the two directions Oy and Oz, that is to say f m , but the space which separates them is not identical in the two directions.
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Abstract
Description
La présente invention concerne un spectromètre de masse stigmatique à haute transmission du type connu sous l'abréviation anglo saxonne SIMS et dont des descriptions peuvent être trouvées dans le livre Chemical Analysis vol. 86 intitulé "Secondary ion mass spectrometry" de A. Benninghoven et al et publié par John Whiley and sons à la section 4 pages 329 à 664.The present invention relates to a high transmission stigmatic mass spectrometer of the type known by the English abbreviation SIMS and whose descriptions can be found in the book Chemical Analysis vol. 86 entitled "Secondary ion mass spectrometry" by A. Benninghoven et al and published by John Whiley and sons in section 4 pages 329 to 664.
Dans un appareil SIMS la partie de l'appareil qui est située en aval de l'échantillon et des dispositifs d'extraction des ions secondaires forme un spectromètre de masse dont la spectromètrie diffère beaucoup de celle des spectromètres à thermoionisation par le fait que les ions secondaires émis présentent généralement une dispersion en énergie beaucoup plus appréciable pouvant aller typiquement jusqu'à 20 eV. Dans ces conditions il est avantageux dans ces appareils de ne pas filtrer le faisceau des particules en énergie de façon à conserver tout le signal ionique disponible, une des performances attendue d'un spectromètre étant d'avoir une bonne transmission pour une résolution en masse déterminée, le terme transmission désignant la partie du faisceau secondaire qui est acceptée par le spectromètre et le terme résolution en masse désignant l'écart de masse le plus petit entre deux masses qui sont mesurées séparément. Cependant comme dans tout spectromètre il est nécessaire de diaphragmer le faisceau de particules pour obtenir une résolution en masse fixée, il est intuitif de penser que plus la résolution en masse exigée sera importante, plus la transmission du faisceau sera limitée et plus le signal disponible pour effectuer la mesure sera faible.In a SIMS device, the part of the device which is located downstream of the sample and the secondary ion extraction devices forms a mass spectrometer whose spectrometry differs greatly from that of thermionization spectrometers in that the ions secondary emitters generally have a much more significant energy dispersion which can typically range up to 20 eV. Under these conditions, it is advantageous in these devices not to filter the beam of particles into energy so as to conserve all of the available ionic signal, one of the performances expected from a spectrometer being to have good transmission for a determined mass resolution. , the term transmission designating the part of the secondary beam which is accepted by the spectrometer and the term mass resolution designating the smallest mass difference between two masses which are measured separately. However as in any spectrometer it is necessary to diaphragm the particle beam to obtain a fixed mass resolution, it is intuitive to think that the more the mass resolution required will be important, the more the transmission of the beam will be limited and the more the signal available for the measurement will be weak.
La dispersion en masse s'obtient en faisant traverser au faisceau de particules un champ magnétique créé par l'aimant d'un secteur magnétique "SM". Chaque particule non relativiste qui traverse l'aimant est alors déviée suivant une trajectoire circulaire de rayon de courbure Rm défini par une relation de la forme :
Comme cela est encore expliqué dans le livre de M. Benninghoven ce problème est habituellement résolu en compensant la dispersion chromatique du secteur magnétique par celle d'un champ électrique créé par une tension appliquée entre deux électrodes entre lesquelles passe la part¡cule. Dans ces conditions la part¡cule est encore déviée suivant une autre trajectoire circulaire dont le rayon de courbure Re vérifie une relation de la forme :
Un agencement pour réaliser l'achromatisme sur tout l'axe d'un spectromètre est par exemple connu de l'appareil IMS3F commercialisé et fabriqué par la Société Demanderesse CAMECA dont une description correspondante peut être trouvée dans un article de M. Lepareur intitulé "le micro-analyseur de seconde génération CAMECA module 3F" publié dans la revue THOMSON CSF Vol. 12 n°1, mars 1980.An arrangement for performing chromatography on the entire axis of a spectrometer is for example known from the IMS3F device marketed and manufactured by the Applicant Company CAMECA, a corresponding description of which can be found in an article by M. Lepareur entitled "the second generation micro-analyzer CAMECA module 3F "published in the journal THOMSON CSF Vol. 12 no.1, March 1980.
L'intérêt de cette disposition est qu'elle permet en plus de réaliser l'achromatisme sur tout l'axe, de projeter sur un intensificateur d'image, l'image ionique de l'échantillon filtrée en masse.The advantage of this arrangement is that it makes it possible, in addition to performing achromatism over the entire axis, to project onto an image intensifier, the ionic image of the sample filtered in mass.
Cependant comme les secteurs électrostatiques ou magnétiques, possèdent en plus de leurs propriétés de déviation des propriétés de focalisation qu¡ dépendent de la forme qui est donnée aux électrodes du SE ou aux pièces polaires du SM, ceux-ci ne possèdent généralement pas de symétrie de révolution, et la convergence selon les deux directions Oy et Oz, normales à l'axe optique n'est pas identique. Toutefois dans l'appareil IMS3F, les électrodes en forme de sphère du secteur électrostatique SE, ont une focale fe égale dans les directions Oy et Oz et les plans situés de part et d'autre du secteur électrostatique SE, à une distance des faces d'entrée égale au rayon du secteur électrostatique SE sont conjugués. En outre, la forme donnée aux faces d'entrée du secteur magnétique SM donne à celui-ci un schéma optique équivalent à celui formé par un doublet de lentilles. De la sorte les lentilles ont des focales égales fm pour les deux directions Oy et Oz, et l'espace qui les sépare n'est pas identique dans les deux directions. Une fente d'entrée est disposée à une distance fe en amont de la face d'entrée du secteur électrostatique SE ; une fente de sortie est disposée à une distance fm en aval du secteur magnétique SM. Ces deux fentes sont conjuguées optiquement et ont un rôle à peu près équivalent. C'est le réglage de la fente d'entrée qui détermine la résolution en masse. Pour sélectionner selon un critère chromatique les part¡cules à prendre en compte par l'analyse, une fente "d'énergie" est disposée à une distance fe de la face de sortie du secteur électrostatique SE. Dans un fonctionnement normal, la pupille d'illumination de l'émission secondaire appelé également "cross-over" est imagée sur la fente d'entrée et donc sur la fente de sortie. Le plan de l'échantillon est imagé sur un diaphragme situé juste à l'entrée du secteur électrostatique SE. A cause de la disparité dans les directions Oy et Oz des espaces séparant les lentilles en doublet du schéma équivalent du secteur magnétique SM, un stigmateur est nécessaire dans un plan proche de la fente de sortie pour permettre de projeter une image stigmatique du plan de l'échantillon.However, like the electrostatic or magnetic sectors, have, in addition to their deflection properties, focusing properties which depend on the shape which is given to the electrodes of the SE or to the pole pieces of the SM, these generally do not have symmetry of revolution, and the convergence in the two directions Oy and Oz, normal to the optical axis is not identical. However in the IMS3F device, the sphere-shaped electrodes of the sector electrostatic SE, have a focal fe equal in the directions Oy and Oz and the planes located on either side of the electrostatic sector SE, at a distance from the input faces equal to the radius of the electrostatic sector SE are conjugate. In addition, the shape given to the input faces of the magnetic sector SM gives it an optical diagram equivalent to that formed by a pair of lenses. In this way the lenses have equal focal lengths fm for the two directions Oy and Oz, and the space which separates them is not identical in the two directions. An entry slot is arranged at a distance fe upstream from the entry face of the electrostatic sector SE; an outlet slot is arranged at a distance f m downstream of the magnetic sector SM. These two slots are optically combined and have an approximately equivalent role. It is the setting of the input slit that determines the mass resolution. To select according to a chromatic criterion the particles to be taken into account by the analysis, an "energy" slot is arranged at a distance fe from the exit face of the electrostatic sector SE. In normal operation, the pupil of illumination of the secondary emission also called "cross-over" is imaged on the entry slit and therefore on the exit slit. The plane of the sample is imaged on a diaphragm located just at the entrance to the electrostatic sector SE. Because of the disparity in the directions Oy and Oz of the spaces separating the lenses in doublet from the equivalent diagram of the magnetic sector SM, a stigmator is necessary in a plane close to the exit slit to allow to project a stigmatic image of the plane of the 'sample.
Dans cet appareil, une optique de couplage est placée entre le secteur électrostatique SE et le secteur magnétique SM pour compenser, d'une part, la dispersion chromatique du secteur électrostatique par celle du secteur magnétique et d'autre part, pour conjuguer les plans de la fente d'entrée et de la fente de sortie. Comme cela est également décrit dans l'article de M. Lepareur cité précédemment, l'optique de couplage peut être réalisé au moyen d'une seule lentille. Une fois défini les caractéristiques optiques des deux secteurs électrostatique et magnétique SE et SM, il existe une seule configuration de paramètres suivants, (distance entre les deux secteurs, position de la lentille, et excitation de la lentille) qui permet à la fois de compenser les dispersions chromatiques et de conjuguer la fente de sortie avec la fente d'entrée.In this device, a coupling optic is placed between the electrostatic sector SE and the magnetic sector SM to compensate, on the one hand, for the chromatic dispersion of the electrostatic sector by that of the magnetic sector and, on the other hand, to combine the planes of the inlet slot and the outlet slot. As also described in the article by M. Lepareur cited above, the coupling optics can be achieved by means of a single lens. Once the optical characteristics of the two electrostatic and magnetic sectors SE and SM, there is only one configuration of the following parameters, (distance between the two sectors, position of the lens, and excitation of the lens) which makes it possible both to compensate for chromatic dispersions and to conjugate the exit slit with the entry slit.
Dans cette configuration, le plan achromatique de sortie du SE et le plan achromatique du SM sont conjugués.In this configuration, the exit achromatic plane of the SE and the achromatic plane of the SM are combined.
Cependant comme dans tout spectromètre, la résolution en masse ΔM/M vis-à-vis de la largeur de la fente d'entrée et des caractéristiques des secteurs est déterminée par une relation de la forme :
- Wys est la largeur de l'image gaussienne de la fente d'entrée au niveau du plan de sortie du spectromètre
- KM est le coefficient de dispersion en masse de l'aimant défini par dy = KM dM/M
- Ky et Kz sont les coefficients d'aberration du second ordre du spectromètre.
- ϑys et ϑzs sont les ouvertures angulaires du faisceau au plan de sortie.
- Wys is the width of the Gaussian image of the entry slit at the exit plane of the spectrometer
- K M is the mass dispersion coefficient of the magnet defined by dy = K M dM / M
- Ky and Kz are the second order aberration coefficients of the spectrometer.
- ϑys and ϑzs are the angular openings of the beam at the exit plane.
La relation (3) exprime que les ouvertures angulaires suivant les directions orthogonales 0Y et OZ dans le plan des fentes produisent des aberrations du second ordre dans la direction 0Y qui est la direction de la dispersion en masse.The relation (3) expresses that the angular openings in the orthogonal directions 0Y and OZ in the plane of the slits produce second order aberrations in the direction 0Y which is the direction of the mass dispersion.
Comme la quantité d'ions prise en compte par l'analyse est proportionnelle au produit Wys x ϑys, il doit exister certainement un optimum du couple (Wys, ϑys) qui minimise la résolution en masse. Cependant il y a tout intérêt à réduire par des moyens optiques l'ouverture ϑzs, étant entendu qu'en contrepartie l'image Wzs est agrandie, mais ce dernier effet n'a aucun effet sur la résolution en masse.As the quantity of ions taken into account by the analysis is proportional to the product Wys x ϑys, there must certainly exist an optimum of the couple (Wys, ϑys) which minimizes the resolution in mass. However, there is every benefit in reducing the aperture ϑzs by optical means, it being understood that the Wzs image is enlarged, but this latter effect has no effect on the mass resolution.
Une tentative pour réduire l'ouverture du faisceau en Z a été réalisée sur un appareil Australien appelé SHRIMP où une lentille quadrupolaire disposée avant le secteur électrostatique SE écrase le faisceau en Z. Une description de cet appareil est décrite dans un article de S. Clément, W. Compston, G. New-stead intitulé "Design of a large, high resolution ion micro-probe" in Proceeding of International Conference on SIMS and ion microprobes. A. Benninghoven editor, Springer Verlag 1977. Mais dans cet instrument, il n'y a pas de possibilité de projeter après le spectromètre l'image de l'échantillon analysé.An attempt to reduce the opening of the Z beam was made on an Australian device called SHRIMP where a quadrupole lens placed before the SE electrostatic sector crushes the Z beam. A description of this device is described in an article by S. Clément , W. Compston, G. New-stead entitled "Design of a large, high resolution ion micro-probe" in Proceeding of International Conference on SIMS and ion microprobes. A. Benninghoven editor, Springer Verlag 1977. But in this instrument, there is no possibility of projecting the image of the analyzed sample after the spectrometer.
Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités.The object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks.
A cet effet, l'invention a pour objet un spectromètre de masse stigmatique à haute transmission à double focalisation du type comportant, disposés entre une fente d'entrée et une fente de sortie traversées par des particules émises par un échantillon, un système optique de couplage placé entre deux secteurs respectivement électrostatique et magnétique, caractérisé en ce que le système optique de couplage comprend au moins deux lentilles à fente orientées respectivement selon une première direction suivant laquelle la trajectoire des ions est incurvée par les secteurs électrostatique et magnétique et selon une direction perpendiculaire au plan de la trajectoire, les positions des deux lentilles sur l'axe optique du spectromètre étant déterminées pour obtenir une compensation des dispersions chromatiques sur tout l'axe en aval du spectromètre, une image stigmatique de la fente d'entrée dans le plan de sortie du spectromètre et une image stigmatique en aval du spectromètre, d'un plan non conjugué avec la fente d'entrée, dans un plan distinct du plan de sortie.To this end, the subject of the invention is a double focusing high transmission stigmatic mass spectrometer of the type comprising, arranged between an entry slit and an exit slit crossed by particles emitted by a sample, an optical system for coupling placed between two electrostatic and magnetic sectors respectively, characterized in that the optical coupling system comprises at least two slit lenses oriented respectively in a first direction in which the ion trajectory is curved by the electrostatic and magnetic sectors and in a direction perpendicular to the plane of the trajectory, the positions of the two lenses on the optical axis of the spectrometer being determined to obtain compensation for the chromatic dispersions on the entire axis downstream of the spectrometer, a stigmatic image of the entry slit in the plane from the spectrometer and a stigmatic image downstream of the spectrometer, of a plane not conjugated with the entry slit, in a plane distinct from the exit plane.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent :Other characteristics and advantages of the invention will become apparent from the following description given with reference to the appended drawings which represent:
La figure 1 la construction des images de la fente d'entrée dans un appareil de type IMS3F.Figure 1 the construction of the images of the entry slit in an IMS3F type device.
La figure 2 les positions des images du plan de l'échantillon dans un appareil de type IMS3F.FIG. 2 the positions of the images of the plane of the sample in an apparatus of the IMS3F type.
La figure 3 les positions des plans achromatiques des secteurs électrostatique et magnétique d'un appareil IMS3F.Figure 3 the positions of the achromatic planes of the electrostatic and magnetic sectors of an IMS3F device.
Les figures 4A et 4B un mode de réalisation d'un couplage optique selon l'invention au moyen de deux lentilles Ly et Lz disposées entre les deux secteurs SM et SE.FIGS. 4A and 4B an embodiment of an optical coupling according to the invention by means of two lenses L y and L z arranged between the two sectors SM and SE.
Les figures 5A et 5B un mode de réalisation d'un couplage optique selon l'invention au moyen d'une lentille Ly et deux lentilles L1z et L2z.FIGS. 5A and 5B an embodiment of an optical coupling according to the invention by means of a lens Ly and two lenses L 1z and L 2z .
La figure 6A un mode de réalisation d'un couplage optique au moyen seulement d'une seule lentille Ly.FIG. 6A an embodiment of an optical coupling by means of only a single lens Ly.
La figure 6B un mode de réalisation d'un couplage optique au moyen de deux lentilles L1y et L2y.FIG. 6B an embodiment of an optical coupling by means of two lenses L 1y and L 2y .
L'invention tire partie du fait que les aberrations d'ouverture dans la direction de l'axe OZ sont beaucoup plus importantes dans un secteur magnétique SM que dans un secteur électrostatique SE. Elle permet la réalisation d'un couplage optique entre les deux secteurs permettant de conserver les avantages de l'appareil IMS3F. Le spectromètre représenté à la figure 1 comporte, disposés de part et d'autre d'un système optique 1 de couplage LY dans une direction Y située dans le plan de la figure 1 perpendiculairement à la direction X de l' axe optique du spectromètre, un secteur électrostatique 2 et un secteur magnétique 3. Une fente d'entrée W1y disposée dans un plan d'entrée P1 a pour image au travers du secteur électrostatique 2 une fente W2y disposée dans le plan P2 image du plan P1.The invention takes advantage of the fact that the opening aberrations in the direction of the axis OZ are much greater in a magnetic sector SM than in an electrostatic sector SE. It allows the realization of an optical coupling between the two sectors allowing to keep the advantages of the IMS3F device. The spectrometer shown in FIG. 1 comprises, arranged on either side of an
Sur la figure 2, S2y est l'image virtuelle de l'échantillon fournie par le secteur électrostatique dans le plan P′2.In FIG. 2, S 2y is the virtual image of the sample provided by the electrostatic sector in the plane P′2.
Sur la figure 1 le système optique Ly transforme la fente W2y en une image W3y disposée, figure 1, dans un plan P3 et sur la figure 2 il transforme l'image virtuelle de l'échantillon S2y en une image S3y dans un plan P′3.In FIG. 1 the optical system L y transforms the slit W 2y into an image W 3y arranged, FIG. 1, in a plane P3 and in FIG. 2 it transforms the virtual image of the sample S 2y into an image S 3y in a plane P′3.
De la sorte, les couples de plans (P2, P3) et (P′2, P′3) apparaissent conjugués par rapport au système optique 1. Les dispositions des plans achromatiques des secteurs électrostatique et magnétique sont montrés à la figure 3.In this way, the pairs of planes (P2, P3) and (P′2, P′3) appear to be conjugate with respect to the
En désignant par KM et KE les coefficients de dispersion en énergie des secteurs 2 et 3 l'achromatisme sur l'axe X impose que soit vérifiés, en plus de la conjugaison des plans achromatiques, une condition sur le grandissement telle que la relation :
Suivant la direction normale au plan des figures 1 et 2, un même système de couplage optique matérialisé par une lentille LZ, non représenté, est utilisé pour conjuguer les mêmes couples de plan (P2, P3 ) et (P′2, P′3 ). De façon similaire au fonctionnement de la lentille Ly la lentille LZ transforme la fente W2Z en une fente W3Z située dans le plan P3 et transforme l'image S2Z, non représentée, en une image S3Z, non représentée, au plan P′3 à la condition cette fois que la relation suivante
Dans ces conditions le coefficients de multiplication appliqué sur les grandissements permet d'obtenir une réduction de 1/λ sur les ouvertures.Under these conditions the multiplication coefficients applied on the magnifications makes it possible to obtain a reduction of 1 / λ on the openings.
Toutefois il n'est pas absolument indispensable de réaliser une image isotropique de la fente d'entrée dans le plan de la fente de sortie car, pour opérer une discrimination en masse, il suffit d'assurer seulement cette condition dans la direction Y. Mais l'expérience montre que les réglages sont simplifiés de façon tout à fait intéressante lorsqu'on dispose au niveau du plan de sortie d'une image isotropique de la fente d'entrée. Etant donnés les deux couples de plans (P2, P′2 ), (P3, P′3) positionnés sur l'axe optique X aux points de coordonnées (X₂, X′₂) et (X₃, X′₃), la lentille permet de conjuguer simultanément les 2 paires de plans si son abscisse X vérifie l'équation :
Les relations (4), (6) et (7) suggèrent que les deux racines de l'équation peuvent représenter les positions respectives d'une lentille Ly et d'une lentille Lz conjuguant chacune les deux couples de plans (P2, P′2) et (P3, P′3). Ly désigne une lentille à fente ou une lentille rectangulaire qu¡ est active dans la direction Y et pratiquement neutre dans la direction Z. Lz désigne une lentille à fente ou une lentille rectangulaire qui est active dans la direction Z et pratiquement neutre dans la direction Y.Relations (4), (6) and (7) suggest that the two roots of the equation can represent the respective positions of a lens L y and a lens Lz each conjugating the two pairs of planes (P2, P ′ 2) and (P3, P′3). L y denotes a slotted lens or a rectangular lens which is active in the Y direction and practically neutral in the Z direction. L z denotes a slit lens or a rectangular lens which is active in the Z direction and practically neutral in the Z direction direction Y.
Les figures 4A et 4B où les éléments homologues à ceux des figures 1, 2 et 3 sont représentés avec les mêmes références illustrent cet arrangement. Plus particulièrement cet arrangement correspond à un mode de réalisation où le secteur électrostatique 2 est un secteur sphérique de un mètre de rayon ; par conséquent KE = 2 mètres et P2 est à un mètre de la sortie du secteur électrostatique 2 SE. Sur la figure 4A, comme sur la figure 4B, l'origine des abscisses est au plan achromatique du secteur électrostatique 2. Le plan achromatique P′2 est à un mètre en amont de la sortie du secteur électrostatique. Le secteur magnétique 3 est flanqué de deux espaces tels que le plan d'entrée soit conjugué avec le plan de sortie, sa dispersion chromatique KM = 1, 2 m au plan de sortie P4 et son plan achromatique d'entrée est distant de 1,6 m du plan d'entrée P3.Figures 4A and 4B where elements homologous to those of Figures 1, 2 and 3 are shown with the same references illustrate this arrangement. More particularly, this arrangement corresponds to an embodiment in which the
La relation (5) impose que Ly réalise un grandissement W3y/W2y = 0, 6. Cette relation ¡ointe à la condition de conjugaison entre les plans achromatiques des secteurs détermine la position de la lentille Xy = 1,449 m, sa focale fy = 0,827 m et par suite les abscisses du plan images P3 (X₃ = 1,780m) et du plan achromatique d'entrée du secteur magnétique SM soit 3,380m.The relation (5) imposes that L y realizes a magnification W 3y / W 2y = 0, 6. This relation ¡anointed with the condition of conjugation between the achromatic planes of the sectors determines the position of the lens X y = 1.449 m, its focal length f y = 0.827 m and consequently the abscissa of the image plane P3 (X₃ = 1.780m) and of the achromatic plane entering the magnetic sector SM is 3.380m.
Sur la figure 4A, P′2 est pris à l'origine, comme dans le cas de l'IMS3F. P′2 est par suite le plan achromatique de sortie du secteur électrostatique 2 et par conséquent, P′3, plan conjugué de P′2, est le plan achromat¡que d'entrée du secteur magnétique SM.In FIG. 4A, P′2 is taken at the origin, as in the case of the IMS3F. P′2 is consequently the achromatic plane of exit of the
Pour trouver la position et la focale de la lentille Lz figure 4B, il faut résoudre l'équation (6) avec x₂ = 2m, x′₂ = Om, x₃ = 1,780 m, x′₃ = 3,380 m. Les deux racines de l'équation sont d'une part, l'abscisse Xy qui est déjà connue et d'autre part l'abscisse de la lentille Lz soit Xz = 2, 306 m. La focale fZ est dans ces conditions égale à 0,732m.To find the position and the focal length of the lens L z in Figure 4B, it is necessary to solve equation (6) with x₂ = 2m, x′₂ = Om, x₃ = 1,780 m, x′₃ = 3.380 m. The two roots of the equation are on the one hand, the abscissa X y which is already known and on the other hand the abscissa of the lens Lz, ie X z = 2.306 m. The focal length f Z is in these conditions equal to 0.732m.
Le grandissement en Z, W3z/W2x est alors de 1,716 soit 2,86 fois plus que le grandissement en Y.The magnification in Z, W 3z / W 2x is then 1.716 or 2.86 times more than the magnification in Y.
Cet arrangement permet de mettre une fente de discrimination en énergie au plan P3 où l'on trouve une image réelle de la fente d'entrée. Cependant, il se trouve limité dans ses applications pratiques au sens que pour obtenir un rapport de grandissement appréciable selon les directions Y et Z, il est nécessaire que le grandissement selon Y soit plus petit que 1 ce qu¡, d'après la relation (4) correspond forcément à un rapport KE/KM supérieur à 1 et donc comme les dispersions chromatiques dépendent très fortement des rayons, à un rayon de SE du secteur électrostatique 2 supérieur à celui du secteur magnétique 3 et cela d'autant plus que l'on cherche à créer un rapport de grandissement important entre les directions Z et Y. Ainsi dans le cas des figures 4A et 4B le rapport de 2,86 ne peut être obtenu que si le rayon du secteur électrostatique SE fait un mètre, le rayon du secteur magnétique SM étant imposé à 0,585 m. Une telle dimension peut être tout à fait excessive, par l'encombrement auquel elle conduit et par la difficulté technologique de réalisation du secteur électrostatique.This arrangement makes it possible to put an energy discrimination slot on the plane P3 where there is a real image of the input slot. However, it is limited in its practical applications in the sense that to obtain an appreciable magnification ratio in the directions Y and Z, it is necessary that the magnification according to Y is smaller than 1 what, according to the relation ( 4) necessarily corresponds to a K E / K M ratio greater than 1 and therefore, since the chromatic dispersions are very strongly dependent on the rays, to a radius of SE of the
Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention l'arrangement montré aux figures 5A et 5B permet de s'affranchir de cette contrainte : il comprend une lentille Ly (figure 5A) située en aval du plan P2 et deux lentilles actives en Z, L1z et L2z (figure 5B). La lentille L1z image la fente W2z avec un grandissement voisin de 1 et la lentille L2z agit en loupe pour réaliser une image avec un grandissement de l'ordre de 5 en respectant la relation (6). Avec un secteur électrostatique ayant la forme d'un secteur sphérique de 0,585 mètre de rayon, KE = 1,17 mètres et le plan P2 est à 0, 585 mètre de la sortie du secteur électrostatique 2. Le plan achromat¡que est à 0,585 mètre en amont de la sortie du secteur électrostatique. Le secteur magnétique 3 est identique à celui de l'exemple précédent.According to a second alternative embodiment of the invention, the arrangement shown in FIGS. 5A and 5B overcomes this constraint: it comprises a lens Ly (FIG. 5A) located downstream of the plane P2 and two active lenses at Z, L 1z and L 2z (Figure 5B). The lens L 1z images the slit W 2z with a magnification close to 1 and the lens L 2z acts as a magnifying glass to produce an image with a magnification of the order of 5 while respecting relation (6). With an electrostatic sector having the form of a spherical sector with a radius of 0.585 meters, K E = 1.17 meters and the plane P2 is at 0.585 meters from the exit of the
Comme précédemment l'origine des abscisses est située au plan achromat¡que du secteur électrostatique 2. La relation (4) impose que la lentille Ly réalise un grandissement W3y/W2y = 1, 03. Cette relation jointe à la condition de conjugaison entre les plans achromatiques des secteurs, détermine la position de la lentille Xy à 1,190m et sa focale fy est égale à 0,679 m. Par suite les abscisses du plan image P3 et du plan achromatique du secteur magnétique 3 sont disposées respectivement à 1,169m et 2,769m,As before, the origin of the abscissae is located on the achromatic plane of the
A partir du moment où L1z est fixée en position et en convergence, la position de la lentille L2z et sa focale sont déterminées en reportant dans les équations (6) et (7) les valeurs X₂ = 1, 17 m, X′₂ = Om, X₃ = 1, 169 m et X′₃ = 2, 769 m. A titre d'exemple un arrangement possible pour obtenir un grandissement W3z/W2x 5, 3 fois plus fort que le grandissement W3y/W2y = 1,03 peut être obtenu avec les caractéristiques suivantes =
- Positions de L1z =
- 1, 336 m
- Focale de L1z =
- 0,1 m
- Position de L2z =
- 1, 760 m
- Focale de L1z =
- 0,241 m
- Positions of L 1z =
- 1.336 m
- Focal length of L 1z =
- 0.1m
- Position of L 2z =
- 1,760 m
- Focal length of L 1z =
- 0.241 m
Enfin, selon un troisième mode de réalisation de l'invention, il peut être avantageux de remplacer la lentille LY par deux lentilles L1y et L2y situées de part et d'autre du plan P2. Comme déjà montré aux figures 5A et 5B, la position et la convergence de la lentille LY sont imposés très strictement par les caractéristiques optiques des secteurs électrostatiques 2 et magnétiques 3. Or ceux-ci ne sont pas forcément connus avec précision au moment du montage de l'appareil et s'il est évidemment aisé de régler la focale de la lentille Ly, il n'en est pas de même de sa position. Dans ces conditions le remplacement de la lentille Ly par deux lentilles L1y et L2y réalise un effet de zoom qui donne à l' opérateur une latitude de réglage qu'il n'a pas avec une seule lentille. Cet arrangement permet de mettre une fente de discrimination en énergie au plan intermédiaire P21 où l'on trouve une image réelle de la fente d'entrée. Ceci présente un avantage, dans le cas où le grandissement W3y/W2y doit être proche de 1.Finally, according to a third embodiment of the invention, it may be advantageous to replace the lens L Y by two lenses L 1y and L 2y located on either side of the plane P2. As already shown in FIGS. 5A and 5B, the position and the convergence of the lens L Y are imposed very strictly by the optical characteristics of the electrostatic 2 and
Les figures 6A et 6B illustrent comment la lentille Ly de l' exemple des figures 5A et 5B peut être remplacée par deux lentilles L1y et L2y positionnées comme suit
- Position de L1y =
- 0,900 m
- Focale de L1y =
- 2,250 m
- Position de L2y =
- 1,250 m
- avec une distance focale de L1y =
- 0, 820 m
- Position of L 1y =
- 0.900 m
- Focal length of L 1y =
- 2,250 m
- Position of L 2y =
- 1,250 m
- with a focal length of L 1y =
- 0.820 m
Le secteur magnétique 3 étant un dispositif qui n'a pas en général les mêmes propr¡étés de focalisation en Y et en Z il est nécessaire de compenser son astigmatisme. Comme indiqué précédemment la forme donnée aux faces d'entrée du secteur magnétique 3 donne à celui-ci un schéma optique équivalent constitué d'un doublet de lentilles. Les lentilles ont alors une focale égale pour les deux directions Oy et Oz, soit fm, mais l'espace qui les sépare n'est pas identique dans les deux directions.The
Pour permettre de supprimer un stigmateur placé juste en amont de la fente de sortie de façon à pouvoir projeter sur un intensificateur une image stigmatique de l'échantillon, il suffit dans l'équation (6) de modifier le paramètre X′₃ de façon à prendre en compte la disparité des espaces selon les directions Y et Z dans le schéma équivalent de l'aimant pour qu'en aval de l'aimant, à la fois l'image de la fente d'entrée et celle de l'échantillon soient stigmatiques.To make it possible to remove a stigmator placed just upstream of the exit slit so as to be able to project a stigmatic image of the sample onto an intensifier, it suffices in equation (6) to modify the parameter X′₃ so as to take into account the disparity of the spaces along the directions Y and Z in the equivalent diagram of the magnet so that downstream of the magnet, both the image of the entrance slit and that of the sample are stigma.
L'avantage qu'il y a à supprimer le stigmateur situé avant la fente d'entrée est de libérer complètement l'espace à ce niveau et donc de permettre, par exemple la collection en parallèle de plusieurs masses différentes.The advantage of eliminating the stigmator located before the entry slot is to completely free up the space at this level and therefore to allow, for example the collection in parallel of several different masses.
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