EP0545064B1 - Verfahren zur Filterung elektrisch geladener Teilchen, Energiefilter und Analysator mit einem solchen Energiefilter - Google Patents

Verfahren zur Filterung elektrisch geladener Teilchen, Energiefilter und Analysator mit einem solchen Energiefilter Download PDF

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EP0545064B1
EP0545064B1 EP92118282A EP92118282A EP0545064B1 EP 0545064 B1 EP0545064 B1 EP 0545064B1 EP 92118282 A EP92118282 A EP 92118282A EP 92118282 A EP92118282 A EP 92118282A EP 0545064 B1 EP0545064 B1 EP 0545064B1
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EP
European Patent Office
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condenser
energy filter
screen
cylinder
filter according
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EP92118282A
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EP0545064A3 (en
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Gerhard Dr. Phys. Rettinghaus
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OC Oerlikon Balzers AG
Original Assignee
Unaxis Balzers AG
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    • H01J49/484—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter with spherical mirrors
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    • H01J49/482—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter with cylindrical mirrors

Definitions

  • the present invention relates to a method for Filtering of electrically charged particles according to the The preamble of claim 1, an energy filter according to that of claim 6 and an analyzer with such an energy filter according to claim 24.
  • the mentioned energy filtering is particularly used in connection with plasma mass spectrometry.
  • a filter system is formed, creating a beam charged molecular or atomic particles a selection regarding transmission is made in Function of the masses of the mentioned particles.
  • the present invention on the technology of the mentioned energy filtering directed.
  • Such is e.g. from EP-A-0 223 520 previously known.
  • the one known from it works Energy filter technology based on the well-known principle of the cylinder mirror. Following this principle charged particles of a particle beam in the field space a cylindrical capacitor and are introduced through the cylinder jacket forming the outer electrode electrostatically deflected, i.e. mirrored to then exit the cylinder assembly.
  • the energy filter effect is based on being higher energetic particles at a given electrostatic Field, a less curved trajectory pass through as deeper energetic particles with what only particles of a given energy band an intended exit opening through the mirror space to reach.
  • the beam of charged particles axially supplied to the mirror cylinder assembly occurs into a coaxial opening arrangement which is formed is by a first pair, a deflection capacitor forming electrode surfaces. These electrode surfaces define a radially outward curved Field space, in which, according to the charge polarity and the capacitor polarity, charged particles be deflected radially outwards. After leaving of the curved, entrance-side field space the charged particles in the actual mirror room of the cylinder mirror, consisting of a internal coaxial electrode core and the coaxial Mirror capacitor outer jacket.
  • the charged particles are redirected and occur symmetrically with respect to a radial plane to the entrance-side, curved field space, in the formed between two further electrode surfaces Exit field space, from which they, accordingly steered back, in one axis, with the entry axis aligned, emerge from the filter arrangement.
  • the known filter arrangement mentioned takes effect that between the input pair of electrodes, which defines the curved input field space, generated electrostatic field even in the coaxial Cylinder condenser mirror space, with which on the one hand the electrostatic field conditions, due to the resulting overlays in the transition area the particles from the input field space into the cylinder mirror space, are difficult to estimate, and with what decoupled setting of the electrostatic fields, because of the field penetration, is not possible.
  • the outer, axially adjacent capacitor electrodes of the the two field spaces are separated by an air gap.
  • the inner capacitor electrode of the first extends Pair axially over a portion of the inner capacitor electrode of the second pair and, axially, also over a region of the outer capacitor electrode of the second Couple.
  • the beam then enters another field space or spatial area, formed by a second, continuously curved Pair of capacitor electrodes.
  • the inner capacitor electrode of this second pair is, terminal, with oneself perpendicular to the beam entering the second field space extending aperture portion provided, wherein an opening is provided, through which the beam, after passing through the first field space, enters the second.
  • the structure is special simply by using the screen as one of the Electrodes for the first electrostatic field is used.
  • the beam is substantially parallel exits to the direction of entry.
  • An advantage of the filter arrangement mentioned above as known according to EP-A-0 223 520 is its coaxial structure. Coaxial to Axis of the cylinder mirror arrangement with the cylinder capacitor are also inlet and outlet deflection electrodes.
  • the fed Ray is at a sharp, kind of singularity Tip of the cylindrical core forming an electrode surface divided and runs mirror-symmetrically to the axis through the arrangement. As is well known, such tips form high ones Field strengths.
  • the cylindrical capacitor formed by the two central pairs of electrodes, the entry and exit arrangements through the outer electrode pairs.
  • a cross-sectional quadrant of the cylindrical capacitor as a mirror capacitor used and there are entry and exit arrangements in the axially symmetrically opposite cross-sectional quadrant intended.
  • the asymmetrical structure enables also not to provide any radial brackets in the mirror room.
  • the inventive energy filter on the inventive one Analyzer becomes a selective adjustability optimally enables the energy spectrum to be supplied to the mass filter, where in the preferred variants of the Energy filter with aligned beam entry and exit axes the entire analyzer structure becomes compact.
  • An electron impact ionization source is preferably attached to it provided according to the wording of claim 25. It follows thanks to the axially extended accelerator tube, which means the neutral particles homogeneous, with the accelerating grid controllable, ionized by electron bombardment, a high Ionization yield. Especially in their training after Claim 26 or 27 results in an extremely homogeneous ionization distribution.
  • the energy filter according to the invention can be well-known considerations, and in particular can the mentioned energy filter thanks to the decoupled adjustability its "filter stages" as an extremely narrow-band energy filter be used. This is because the vote of the mentioned "Filter stages” due to their field decoupling by the provided shielding can be done optimally.
  • the energy filter ensures that the Beam propagation through the filter without becoming one Displacement of the entry and exit axis of the Lead beam.
  • FIG. 1 schematically shows a longitudinal section through a known deflection arrangement for a beam of charged particles, for example known from EP-A-0 223 520.
  • the beam of positively charged ions 1 enters a curved field space 3, formed between essentially equally curved ones Electrode surfaces 3a and 3b on electrode bodies 3a ', 3b'.
  • an electrostatic field E 3 is generated in the field space 3 , essentially perpendicular to the dashed line of the beam S of charged ions 1.
  • the field E 3 shows the Ions are deflected through the curved field space 3 from their original entry direction.
  • Ions with greater kinetic energy experience less deflection in field E 3 than ions with lower kinetic energy.
  • essentially ions of a defined energy band pass through the curved field space 3, while higher-energy and lower-energy ions collide with one of the two electrode surfaces and are neutralized.
  • the electrode surface 3b on the outside of the curvature is continued at an acute angle after the exit region 5 from the field space 3 to the exit direction of the particle beam and forms with this extension electrode surface 7b of a further pair of electrode surfaces with 7a.
  • a further electrostatic field E 7 is created between the pair of electrode surfaces 7a and 7b, essentially polarized inversely with respect to the field E 3 , with which the ions are redirected back in the path shown schematically in dashed lines, possibly already to an outlet arrangement 4 shown in dashed lines 7 applies that the ions are deflected more or less according to their kinetic energy, so that only ions of a certain energy band hit the opening at the outlet arrangement 4 and leave the energy filter.
  • a well-known stray field is created in the field area 7 at the exit area 5 of the field space 3, whereby a superimposition of this stray field E 37 and the primary field E 7 prevailing there arises in this area with a resulting field that is both of E 7 as well depends on E 3 .
  • a shield ring 9 is provided and, as proposed at the same time, is connected to the same potential as the electrode surfaces 3b and 7b, the result is the additional field E 79 shown in FIG. 1, which depends on the field E 7 and depending on the ion polarity exerts an accelerating or decelerating effect on the ions arriving in the field space 7 and thus falsifies their paths in the sense of poorer energy resolution or transmission.
  • the field spaces correspond to 3 and 7 of FIG. 1 regarding the prevailing electrostatic Fields decoupled, with the above-mentioned interference effects to be avoided on the beam and due to the mutual Field isolation the electrostatic conditions in both field rooms independently of each other can be optimally adjusted.
  • a shield 11 is provided according to the invention, which the beam S, as shown in dashed lines, on one Passes through slot 13.
  • the potential of the screen 11 can initially be set as desired (dashed line at 6) if, by a suitable choice of the geometric arrangement of screen 11, electrodes 3a and 3b, the influence of the field between these three electrodes on the kinetic energy and deflection of the particles 1 between the exit zone 5 and passage slot 13 is minimized.
  • the screen 11 is placed on the potential of the outer electrode 3b '.
  • the preferred entry angle ⁇ 45 ° the influence of the electrostatic field E 11a between the screen 11 and the electrode body 3a 'is negligible due to the oblique passage of the space D through the beam.
  • the screen 11, as further shown in FIG. 2, is preferably used as an electrode of the pair 7a, 7b according to FIG. 1. As can be seen, there is no field influence between the fields E 7 and E 3 due to the provision of a screen 11 penetrated by the beam, even if combined with the electrode 7b for the essential structural simplification.
  • FIG. 3 schematically shows a first preferred embodiment of the arrangement shown in principle with reference to FIG. 2. Again, the same item numbers are used for the same structural parts.
  • the curvature outer electrode surface 3b or the body 3b 'defining it is continued away from the electrode surface 3a, and it surrounds - in one or more parts - this continuation 3d, in the sense of 3b' potentially identical parts, a cavity 15 which is traversed at an oblique angle by the beam between the exit region 5 and the passage slot 13.
  • the interference field E 3a arises in accordance with the dimensions of the chamber 15 and the potential difference between the electrode surfaces 3b and 3a practically only in zones of the space 15 which are not traversed by the beam S, so that this interference field has hardly any influence on the beam deflection or the energy of its particles takes.
  • the cavity 15 is, in particular in its from Beam S traversed area, essentially field-free, because of walls at the same potential edged.
  • the one opposite the exit area 5 Wall section which borders the space 15, in turn forms the electrode surface 7b of the another pair of electrode surfaces 7a, 7b, where between the beam, following the principle of reflection, is redirected becomes.
  • the Beam path in field-free room 15 before entry optimized in the field space 7, for example focused become.
  • the aperture 15a are outer Hidden parts of the beam. All without that further fields would have to be taken into account.
  • FIG. 4 is a preferred embodiment of the inventive Energy filter shown in the constructed essentially symmetrically to a plane E. is and in mirror image two of the with reference to FIG. 2 or 3 arrangements shown. There are again the same for the same components or sizes Position symbol used.
  • deflection fields E 3 and field E 7 for deflecting positive ions are entered.
  • this arrangement allows the entry axis A E and the exit axis A A to be aligned on the filter according to the invention by corresponding arrangement of the two curved field spaces 3 on the input and output sides, which, for the time being also without rotationally symmetrical design, creates the possibility of an analyzer with a downstream mass spectrometer , in particular a quadrupole mass spectrometer and possibly an upstream ionization source, in the common entry / exit axis A EA .
  • the screen sections 11 can, if appropriate, be put together or separately, each at different potentials with respect to part 3b '. Of course, this requires electrical insulation of the parts mentioned.
  • the inlet arrangement with curved field spaces 3, inner electrode surfaces 3a and outer electrode surfaces 3b and the electrode pairs 7a and 7b is cylindrical with a cylinder axis A Z.
  • the incoming beam S is split at a sharp tip P of an inner cylinder body 3b ', which forms the electrode surfaces 3b and 7b and is mounted on a retaining web 17 in the field space 7.
  • the beam path S is mirror-symmetrical to the cylinder axis A Z , in that the incoming beam S, as mentioned, is divided at the tip P - a kind of singularity - and passes through electrode pairs formed in mirror image with respect to the axis A Z or field fields therebetween. Because of the tip P, ions entering the axis A Z cannot pass through the arrangement. This also applies to ions that enter close to the axis A Z. Ions that can just pass the tip P have unfavorable entry parameters with respect to the cylinder mirror in space 7.
  • FIG. 6 an energy filter arrangement according to the invention is again shown schematically, in which on the one hand with mirror-image formation on the input and output sides, for example to plane E, input axis A E and exit axis A A , as shown, in the cylinder axis A Z of the cylindrical filter may lie, but a beam splitting is avoided.
  • FIG. 6 readily shows the arrangement in which the outer edge of the filter, essentially given by the outer electrode surfaces 7a, is cylindrical to the axis A Z , but not within the cylinder the beam path of the beam S.
  • the cross-sectional dimension of the filter is poorly used in this configuration, in which the coaxiality of the filter structure, beam feed and path guidance can be realized. This is improved in the preferred embodiment, as shown in FIG. 7.
  • the design according to FIG. 7 is much simpler in terms of production technology. It was assumed that holding onto a beam in and out of alignment with the cylinder axis A Z brings only minor advantages for the compilation of an analyzer system and these advantages are practically retained if the input axis A E and the exit axis A A are in alignment, the cross-sectional expansion is better utilized and significant advantages are obtained in terms of production technology.
  • the jet inlet and jet outlet are axially aligned, but offset in such a way with respect to the cylinder axis A ' Z that if the inlet and outlet are provided in a cross-sectional quadrant Q 1 , the field space 7, in which the beam is deflected back in a mirror-reflecting manner, is arranged in the quadrant Q 2 opposite to the axis A ' Z.
  • the axis A ' Z is shifted with respect to the axes A E and A A , as shown at A' Z in FIG. 6.
  • FIG. 8 schematically shows a cross-sectional illustration along line IIX-IIX of FIG. 7, the two bodies defining the electrode surfaces 3a and 3b again being designated 3a ′ and 3b ′ and, in dash-dot lines, the quadrants Q 1 , Q 2 are entered.
  • the insulation 9 between the parts 3a ', 3b' is visible, as is of course provided in some way in all the design variants according to FIGS. 2 to 4, 6 to 7.
  • the cross-sectional dimension of the filter is better utilized.
  • Fig. 9 the essential elements are preferred Energy filter according to the present invention shown in longitudinal section, an inventive Filter, which one Providing one Between the following field spaces and Utilization of the cylinder mirroring without beam splitting, taking advantage of the cross-sectional extent of the mirror cylinder, are realized according to a Combination of the arrangements according to FIGS. 4 and 7. Again, to facilitate cross-comparisons chosen the same reference numerals.
  • the electrode bodies 3a ', 3b' are rotating bodies.
  • the two parts 3a 'and 3b' that define the field space 3 are, as shown at 20, electrically insulated, corresponding to 9 of FIG. 8.
  • the exit direction for the beam S from the curved field space 3 in the exit region 5 is A E and / or A Z approx. 45 °.
  • the hollow cylinder 3b ' forms the essentially field-free spaces 15 and has the passage slots 13 for the deflected beam S.
  • the mirror cylinder 7a' is provided, which forms the electrode surface 7a as a cylindrical capacitor surface with respect to the electrode surface 7b on the hollow cylinder 3b '.
  • the beam outlet again with a curved field space 3, is constructed symmetrically with respect to the beam inlet, the beam exit axis A A is aligned with the beam entry axis A E , and both axes are offset with respect to the axis of rotation A Z of the cylindrical arrangement.
  • the potential differences applied are entered, for example, as shown schematically in U 1 and U 2 with adjustable voltage sources.
  • both parts 3a ' are connected to the same potential, which is not mandatory.
  • the hollow cylinder 3b ' is placed at a positive potential, which according to the invention forms shield 11, field-free space 15 and electrode of field space 7.
  • the outer electrode 7a corresponding to the hollow cylinder 7a ', is set to a positive potential with respect to the hollow cylinder 3b'.
  • a mass spectrometer preferably a quadrupole mass spectrometer 24, is preferably connected downstream of the energy filter, as shown, to form an analyzer according to the invention. If neutral particles are to be analyzed on the analyzer, an ionization source, preferably an electron impact ionization source 26, is connected upstream of the energy filter.
  • a beam diaphragm 15 is preferably provided in a field-free space 15. In this space, the beam is preferably focused on the cylinder axis A 'Z, and the diaphragm 15a suppresses edge regions and scattered ions of the beam. At focus F there is a crossover of the ion beam, ie a crossover of the ion trajectories.
  • FIG. 10 An ionization source is shown in FIG. 10, which is preferably used with the energy filter shown.
  • an aperture 30 with an opening 32 neutral particles are withdrawn from the plasma by diffusion and enter an axially extended cylinder grid 34.
  • At least one electron emitter preferably in the form of at least one hot cathode 36, is provided, preferably a plurality of hot cathodes 36 are arranged azimuthally around the grid 34.
  • the electron emitter cathodes 36 are set to a negative potential with respect to the grating 34, which means that the grating 34 acts as an acceleration grating for the emitted electrons e - .
  • the heating current at the electron emitter cathodes 36 is set at current sources I.
  • the ions generated within the grid 34 by electron impact emerge through a further aperture 38 with a controllable potential corresponding to U 4 .
  • the potential of the aperture 38 is preferably chosen to be at least substantially equal to that of the grid 34. Because of the axially extended lattice arrangement and the provided, preferably several and identical electron emitters outside the lattice, neutral particles within the lattice are homogeneously ionized with a high ionization rate.
  • the ionization source 10 preferably with the inventive energy filter according to the preceding Figures, especially Fig. 9, combined to with a mass spectrometer connected downstream of the latter, preferably quadrupole mass spectrometer, to form a neutral particle analyzer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung elektrisch geladener Teilchen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen Energiefilter nach demjenigen von Anspruch 6 sowie einen Anaylisator mit einem solchen Energiefilter nach Anspruch 24.
Die angesprochene Energiefilterung wird insbesondere im Zusammenhang mit Plasmamassenspektrometrie eingesetzt. Mittels der bekannten Massenspektrometrie wird ein Filtersystem gebildet, wodurch an einem Strahl geladener molekularer oder atomarer Teilchen eine Selektion bezüglich Transmission vorgenommen wird, in Funktion der Massen der erwähnten Teilchen.
Bezüglich Technik der Massenspektrometrie zur Plasmaanalyse wird auf die Schrift "Methods of plasma characterization" der Firma Balzers, K. Höfler, BG 800 184 PA (8410), verwiesen sowie auf die Schrift derselben Firma "Partialdruckmessung in der Vakuumtechnik", BG 800 169 PD (8711).
Oefters ist es erwünscht, bevor ein Molekularstrahl obgenannter Art einem Massenspektrometer zugeführt wird, diesen Strahl einer Energiefilterung zu unterziehen, um dem Massenspektrometer Molekularstrahlteilchen selektiv bestimmter kinetischer Energien zuzuführen, sei dies in einem definierten Energieband oder mit Energien, welche ein vorgegebenes Mass nicht überschreiten.
Unter einem ersten Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf die Technik der erwähnten Energiefilterung gerichtet. Eine solche ist z.B. aus der EP-A-0 223 520 vorbekannt. Grundsätzlich arbeitet die daraus vorbekannte Energiefiltertechnik auf dem bekannten Prinzip des Zylinderspiegels. Diesem Prinzip folgend, werden geladene Teilchen eines Teilchenstrahls in den Feldraum eines Zylinderkondensators eingeleitet und werden durch den Aussenelektrode bildenden Zylindermantel elektrostatisch umgelenkt, d.h. gespiegelt, um darnach aus der Zylinderanordnung wieder auszutreten. Der Energiefiltereffekt beruht darauf, dass höher energetische Teilchen, bei einem vorgegebenen elektrostatischen Feld, eine weniger gekrümmte Flugbahn durchlaufen als tiefer energetische Teilchen, womit nur Teilchen eines vorgegebenen Energiebandes durch den Spiegelraum hindurch eine vorgesehene Austrittsöffnung erreichen.
Gemäss der genannten EP-A wird der Strahl geladener Teilchen axial zur Spiegelzylinderanordnung zugeführt, tritt in eine koaxiale Oeffnungsanordnung ein, welche gebildet ist durch ein erstes Paar, einen Umlenkkondensator bildender Elektrodenflächen. Diese Elektrodenflächen definieren einen radial nach aussen gekrümmten Feldraum, worin, entsprechend der Ladungspolarität und der Kondensatorpolarität, geladene Teilchen radial nach aussen umgelenkt werden. Nach Verlassen des gekrümmten, eingangsseitigen Feldraumes treten die geladenen Teilchen in den eigentlichen Spiegelraum des Zylinderspiegels ein, bestehend aus einem innen gelegenen koaxialen Elektrodenkern und dem koaxialen Spiegelkondensatoraussenmantel. Im Spiegelraum werden die geladenen Teilchen rückgelenkt und treten in einen bezüglich einer Radialebene symmetrisch zum eingangsseitigen, gekrümmten Feldraum ein, in den zwischen zwei weiteren Elektrodenflächen gebildeten Austrittfeldraum, aus welchem sie, entsprechend rückgelenkt, in einer Achse, die mit der Eintrittsachse fluchtet, aus der Filteranordnung austreten.
Die radial innen gelegene Elektrodenfläche der Eintrittsumlenkanordnung, die Innenelektrodenfläche der Spiegelkondensatoranordnung sowie die Innenelektrodenfläche der Austrittselektrodenanordnung werden durch ein und denselben Zylinderkern gebildet. Da sämtliche Strahlumlenkungen aufgrund elektrostatischer Felder realisiert werden, mithin sowohl am eingangsseitigen, gekrümmten Feldraum wie auch im Spiegelraum und am ebenso gekrümmten Ausgangsfeldraum, erfolgt, ähnlich wie bei einer Zentrifugalabscheidung, eine Filterung an den eintretenden, geladenen Teilchen in jedem der erwähnten Feldräume. Zu tief energetische Teilchen stossen krümmungsinnenseitig auf Elektrodenflächen, energetisch zu hohe Teilchen krümmungsaussenseitig.
An der erwähnten, bekannten Filteranordnung greift das zwischen dem eingangsseitigen Elektrodenpaar, welches den gekrümmten Eingangsfeldraum definiert, erzeugte elektrostatische Feld auch in den koaxialen Zylinderkondensatorspiegelraum ein, womit einerseits die elektrostatischen Feldverhältnisse, aufgrund der resultierenden Ueberlagerungen im Uebergangsbereich der Teilchen vom Eingangsfeldraum in den Zylinderspiegelraum, schwer abschätzbar sind, und womit eine entkoppelte Einstellung der elektrostatischen Felder, wegen des Felddurchgriffs, nicht möglich ist.
Dieselben Verhältnisse entstehen im Uebergangsbereich zwischen Zylinderspiegelraum und gekrümmter Austrittselektrodenanordnung. Die in den erwähnten Uebergangszonen durch Feldüberlagerung entstehenden Zonen nicht definierten Feldverlaufes vermögen auch durch Vorsehen eines Schirmringes nicht behoben zu werden, welcher auf dem gleichen Potential gehalten wird wie der Zylinderkern. Zwischen diesem Schirmring und der äusseren Zylinderelektrode des Spiegelzylinderkondensators bildet sich ein ausgeprägtes Feld in Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen aus, welches beschleunigend oder verzögernd wirkt und damit die Filtereigenschaften der Anordnung verfälscht.
Aus Soviet Inventions Illustrated, Woche 9004, 7. März 1990, Nr. N90-022454, Derwent Publications Ltd., GB-London, und aus SU-A-1492 397 ist ein Energiefilter bekannt, welches nach dem Prinzip des Zylinderspiegels arbeitet. In einem ersten axialen Abschnitt wird zwischen einem ersten Kondensator-Elektrodenpaar ein Raumbereich bzw. Feldraum gebildet, welcher den durch eine Öffnung in der inneren Elektrode radial nach aussen propagierenden Strahl durch eine weitere Öffnung in besagter Elektrode zurücklenkt. Der Strahl tritt dann in einen axial anschliessenden, weiteren Feldraum ein, gebildet durch ein zum ersten Kondensator-Elektrodenpaar koaxiales, zweites Kondensator-Elektrodenpaar. Zwischen den axial benachbarten inneren Elektroden der beiden Elektrodenpaare wird ein feldfreier Raum gebildet.
Die äusseren, axial benachbarten Kondensator-Elektroden der beiden Feldräume sind durch einen Luftspalt getrennt.
Aus der US-A-3 805 057 ist ein Energiefilter bekannt, welches ebenfalls nach dem Prinzip des Zylinderspiegels arbeitet. In einem ersten axialen Abschnitt wird zwischen einem ersten Kondensator-Elektrodenpaar ein Feldraum bzw. Raumbereich gebildet, welcher wiederum den durch eine Öffnung in der inneren Kondensator-Elektrode radial nach aussen propagierenden Strahl durch eine weitere Öffnung in besagter Elektrode zurücklenkt. Es tritt der Strahl in einen axial anschliessenden, weiteren Feldraum bzw. Raumbereich ein, gebildet durch ein weiteres Kondensator-Elektrodenpaar, welches sowohl axial wie auch radial bezüglich des ersten versetzt ist.
Dabei erstreckt sich die innere Kondensator-Elektrode des ersten Paares axial über einen Bereich der inneren Kondensator-Elektrode des zweiten Paares und, axial anschliessend, auch über einen Bereich der äusseren Kondensator-Elektrode des zweiten Paares.
Schliesslich ist aus "A Soft X-Ray Source for Photoelectron Spectroscopy", A.D. McLachlan et al., Review of Scientific Instruments, Vol. 44, No. 7, Juli 1973, S. 873 - 876, ein Verfahren bzw. ein Energiefilter eingangs genannter Art bekannt. Einem Elektronen-Multiplier zugewandt ist, wiederum dem Prinzip des Zylinderspiegels folgend, ein erstes Kondensator-Elektrodenpaar vorgesehen, wozwischen ein Feldraum bzw. Raumbereich gebildet wird. Durch Öffnungen in der inneren Kondensator-Elektrode besagten Paares tritt der Strahl in diesen Feldraum ein und, umgelenkt, wieder aus.
Axial anschliessend tritt der Strahl in einen weiteren Feldraum bzw. Raumbereich ein, gebildet durch ein zweites, stetig gekrümmtes Kondensator-Elektrodenpaar. Die innere Kondensator-Elektrode dieses zweiten Paares ist, endständig, mit einem sich senkrecht zu dem in den zweiten Feldraum eintretenden Strahl erstreckenden Blendenabschnitt versehen, worin eine Öffnung vorgesehen ist, durch welche der Strahl, nach Durchlaufen des ersten Feldraumes, in den zweiten eintritt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend vom Verfahren bzw. vom Energiefilter letztgenannter Art, ein Verfahren bzw. ein Energiefilter vorzuschlagen, welches wesentlich kompakter realisiert werden kann und trotzdem gegenseitige Feldbeeinflussungsprobleme behebt.
Dies wird durch Vorgehen nach dem Kennzeichen von Anspruch 1 erreicht bzw. durch das Energiefilter, aufgebaut nach dem Kennzeichen von Anspruch 6.
Durch Vorsehen eines so ausgebildeten Schirmes wird ermöglicht, dass sich die Felder in den erwähnten Raumbereichen bzw. Feldräumen nicht gegenseitig beeinflussen, womit auch eine Einstellung der Ablenkfelder, je in den kompakt gebauten Raumbereichen, entkoppelt voneinander möglich bleibt. Damit ist es weiter möglich, die je in den erwähnten Raumbereichen durch die elektrostatischen Ablenkfelder gebildeten eigentlichen Filterstufen unabhängig voneinander einzustellen.
Bei Vorgehen nach dem Wortlaut von Anspruch 2 wird eine zusätzliche Trennung zwischen den Raumbereichen möglich. Da die geladenen Teilchen, nach Durchlaufen einer der erwähnten Elektrodenpaare und im entsprechenden Raumbereich umgelenkt, geradlinig den vorgesehenen, im wesentlichen feldfreien Raum durchqueren, wird es nun möglich, darin eine erwünschte Strahldivergenz oder Strahlfokussierung mit Hilfe der Auslegung und Einstellung der Felder im vorgängig durchlaufenen Raumbereich zu realisieren, ohne dass in diesem Strahlstreckenabschnitt Umlenkfelder zu berücksichtigen wären. Damit wird die beherrschte Optimierung des Strahlenganges wesentlich vereinfacht.
Bei Vorgehen gemäss Wortlaut von Anspruch 3 wird der Aufbau besonders einfach, indem der Schirm gleichzeitig als eine der Elektroden für das erste elektrostatische Feld eingesetzt wird.
Im weiteren wird bevorzugterweise so vorgegangen, gemäss Wortlaut von Anspruch 4, dass der Strahl im wesentlichen parallel zur Eintrittsrichtung austritt.
Dies ermöglicht, eine für die Analyse neutraler Teilchen vorzuschaltende Ionisierungsquelle und/oder ein dem Energiefilter nachgeschaltetes Massenspektrometer, vorzugsweise QuadrupolMassenspektrometer, ohne Knick anzubauen.
Im weiteren werden, dem Wortlaut von Anspruch 5 folgend, bevorzugterweise und bezüglich des ersten erwähnten Raumbereiches zwei zweite Raumbereiche vorgesehen, einer eintrittsseitig gelegen, einer austrittsseitig, wobei der Strahl je in einen der zweiten Raumbereiche eintritt und aus dem anderen austritt. Weiter werden die Umlenkungen durch die nun drei elektrostatischen Felder so vorgenommen, dass Ein- und Austrittsachse des Strahls fluchten. Damit wird es möglich, die oben erwähnte Struktur aus Energiefilter, eventuell Ionisierungsquelle, Massenspektrometer, entlang einer gemeinsamen Achse aufzubauen.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Energiefilters sind in den Ansprüchen 7 bis 23 spezifiziert, ein Analysator mit einem solchen Filter in den Ansprüchen 24 bis 27.
Während bis anhin auf die erfindungsgemässe Ausbildung eines Energiefilters mit zwei elektrostatischen Umlenkstufen eingegangen wurde, werden bevorzugt gemäss Anspruch 12 zwei derartige, zweistufige Anordnungen zusammengefügt, womit sich eine erste eintrittsseitige Strahlumlenkung, dann eine Rücklenkung und wiederum eine Umlenkung ergibt, derart, dass der Strahl nicht wie bei der bis anhin beschriebenen Vorrichtung im wesentlichen eine S-Bahn durchläuft, sondern im wesentlichen eine Doppel-S-Bahn.
Ein Vorteil der oben als bekannt erwähnten Filteranordnung gemäss der EP-A-0 223 520 ist ihr koaxialer Aufbau. Koaxial zur Achse der Zylinderspiegelanordnung mit dem Zylinderkondensator sind auch Ein- und Austrittsumlenkelektroden. Der zugeführte Strahl wird an einer scharfen, eine Art Singularität bildenden Spitze des eine Elektrodenfläche bildenden Zylinderkernes geteilt und läuft spiegelsymmetrisch zur Achse durch die Anordnung. An einer solchen Spitze bilden sich bekanntlich hohe Feldstärken.
Teilchen, die genau auf der Achse der Anordnung eintreten, können letztere gar nicht passieren. Dies gilt auch für Teilchen, die unmittelbar neben der Achse eintreten. Teilchen, die die Spitze gerade noch passieren können, haben, bezüglich des Zylinderspiegels, ungünstige Eintrittsparameter.
Es wurde nun erkannt, dass eine derartige Strahlteilerspitze, auch wegen der sich dort ausbildenden hohen Feldstärken, sich auf die möglichst stetig und beherrscht zu realisierende Strahlführung, wie erwähnt wurde, nachteilig auswirkt.
Dieser Nachteil wird am Energiefilter dadurch behoben, dass, nach dem Wortlaut von Anspruch 19, der Strahlengang bezüglich der Zylinderachse des Zylinderkondensators asymmetrisch geführt ist.
Es wurde erkannt, dass erstaunlicherweise durch asymmetrische Strahlführung durch den Energiefilter, womit eine Strahlaufteilung in symmetrische Strahlengänge entfällt, die Energiefiltertransmission nicht verringert wird und zudem die problematische Eintrittsspitze entfällt. Teilchen, die im Strahlzentrum liegen, werden mit besonders hoher Transmissionsrate durchgelassen. Weiter kann eine bevorzugt beizubehaltende Fluchtung von Ein- und Austrittsachse des Strahls auch bei asymmetrischer Strahlführung beibehalten werden.
Da für die konstruktive Zusammenstellung eines Analysators mit gegebenenfalls vorgeschalteter Ionenquelle und/oder nachgeschaltetem Quadrupolmassenspektrometer vornehmlich von Bedeutung ist, dass Eintritts- und Austrittsachse des Strahls am Energiefilter fluchten und weit weniger, dass diese Achsen auch in die Achse des Zylinderkondensators gelegt sind, wird, dem Wortlaut von Anspruch 20 folgend, vorgeschlagen, Ein- und Austrittsachse des Strahls zur Achse des Zylinderkondensators zu versetzen.
Dadurch wird weiter ermöglicht, trotz asymmetrischer Strahlführung bezüglich der Zylinderkondensatorachse, die Querschnittsfläche der Zylinderanordnung für die Strahlführung besser zu nutzen.
Es wird weiter, gemäss Wortlaut von Anspruch 21, der Zylinderkondensator durch die beiden zentralen Elektrodenpaare gebildet, die Ein- und Austrittsanordnungen durch die äusseren Elektrodenpaare.
Bevorzugterweise wird, dem Wortlaut von Anspruch 22 folgend, ein Querschnittsquadrant des Zylinderkondensators als Spiegelkondensator eingesetzt, und es sind Ein- und Austrittsanordnungen in dem axial symmetrisch gegenüberliegenden Querschnittsquadranten vorgesehen. Der asymmetrische Aufbau ermöglicht auch, keinerlei radiale Halterungen im Spiegelraum vorzusehen.
Durch Vorsehen des erfindungsgemässen Energiefilters am erfindungsgemässen Analysator wird eine selektive Einstellbarkeit des dem Massenfilter zuzuführenden Energiespektrums optimal ermöglicht, wobei bei den bevorzugten Ausführungsvarianten des Energiefilters mit fluchtenden Strahlein- und -austrittsachsen der gesamte Analysatoraufbau kompakt wird.
Daran wird vorzugsweise eine Elektronenstoss-Ionisierungsquelle nach dem Wortlaut von Anspruch 25 vorgesehen. Es ergibt sich dank des axial ausgedehnten Beschleunigungsgitterrohrs, wodurch die Neutralteilchen homogen, mit dem Beschleunigungsgitter steuerbar, durch Elektronenbeschuss ionisiert werden, eine hohe Ionisierungsausbeute. Insbesondere bei deren Ausbildung nach Anspruch 26 bzw. 27 ergibt sich eine äusserst homogene Ionisierungsverteilung.
Für die Potentialeinstellung an den vorgesehenen Elektrodenpaaren am erfindungsgemässen Energiefilter gelten die dem Fachmann hinlänglichst bekannten Betrachtungen, und insbesondere kann der erwähnte Energiefilter dank der entkoppelten Einstellbarkeit seiner "Filterstufen" als äusserst schmalbandiger Energiefilter eingesetzt werden. Dies, weil die Abstimmung der erwähnten "Filterstufen" aufgrund ihrer Feldentkopplung durch die vorgesehene Abschirmung optimal erfolgen kann. Anderseits ermöglicht der Energiefilter eine störungsfreie Beherrschung der Strahlausbreitung durch das Filter, ohne dabei zu einer Versetzung von Ein- und Austrittsachse des Strahls zu führen.
Die Erfindung wird anschliessend unter ihren verschiedenen Aspekten beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
schematisch eine bekannte Strahlumlenkanordnung im Längsschnitt,
Fig. 2
in Darstellung analog zu Fig. 1 das Vorgehen zur Strahlumlenkung gemäss vorliegender Erfindung,
Fig. 3
in Darstellung analog zu den Fig. 1 und 2 eine Weiterausbildung des erfindungsgemässen Vorgehens nach Fig. 2,
Fig. 4
eine weitere bevorzugte Ausbildungsvariante des erfindungsgemässen Vorgehens,
Fig. 5
schematisch im Längsschnitt die bekannte Strahlumlenkanordnung, betrachtet unter einem weiteren Aspekt,
Fig. 6
in Darstellung analog zu Fig. 5 unter einem weiteren Aspekt das erfindungsgemässe Vorgehen beim Strahlumlenken,
Fig. 7
in Darstellung analog zu den Fig. 5 und 6 eine weitere bevorzugte Ausbildungsvariante des erfindungsgemässen Vorgehens,
Fig. 8
schematisch eine Querschnittsdarstellung gemäss Linie IIX-IIX von Fig. 7,
Fig. 9
schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Energiefilters im Längsschnitt mit Kombination der erfindungsgemässen Massnahmen sowie, schematisch, dem Filter vorgeschaltet, eine Crossbeam-Ionisierungsquelle,
Fig. 10
schematisch im Längsschnitt eine Ionisierungsquelle, vorzugsweise mit dem erfindungsgemässen Filter kombiniert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitteil durch eine bekannte Umlenkanordnung für einen Strahl geladener Teilchen, beispielsweise bekannt aus der EP-A-0 223 520. Der Strahl beispielsweise positiv geladener Ionen 1 tritt in einen gekrümmten Feldraum 3 ein, gebildet zwischen im wesentlichen gleich gekrümmten Elektrodenflächen 3a und 3b an Elektrodenkörpern 3a', 3b'. Durch die wie mit + und - schematisch dargestellte Potentiallegung der beiden Elektrodenflächen 3a und 3b wird im Feldraum 3 ein elektrostatisches Feld E3 erzeugt, im wesentlichen senkrecht zu der gestrichelt qualitativ eingetragenen Bahn des Strahls S geladener Ionen 1. Durch das Feld E3 werden die Ionen durch den gekrümmten Feldraum 3 hindurch von ihrer ursprünglichen Eintrittsrichtung umgelenkt.
Ionen grösserer kinetischer Energie erfahren im Feld E3 eine geringere Ablenkung als Ionen mit geringerer kinetischer Energie. Damit durchlaufen im wesentlichen Ionen eines definierten Energiebandes den gekrümmten Feldraum 3, während höher energetische und tiefer energetische Ionen an einer der beiden Elektrodenflächen aufprallen und neutralisiert werden.
Die krümmungsaussenseitige Elektrodenfläche 3b ist nach dem Austrittsbereich 5 aus dem Feldraum 3 zur Austrittsrichtung des Teilchenstrahls spitzwinklig fortgesetzt und bildet mit dieser Fortsetzung Elektrodenfläche 7b eines weiteren Elektrodenflächenpaares mit 7a. Zwischen dem Elektrodenflächenpaar 7a und 7b ist ein weiteres elektrostatisches Feld E7 erstellt, im wesentlichen bezüglich des Feldes E3 invers polarisiert, womit die Ionen in der schematisch gestrichelt eingetragenen Bahn wieder rückgelenkt werden, gegebenenfalls bereits zu einer gestrichelt dargestellten Austrittsanordnung 4. Auch im Raum 7 gilt, dass die Ionen, entsprechend ihrer kinetischen Energie, mehr oder weniger umgelenkt werden, so dass nur Ionen eines bestimmten Energiebandes die Oeffnung an der Austrittsanordnung 4 treffen und das Energiefilter verlassen.
Wie gestrichelt bei E37 dargestellt, entsteht am Austrittsbereich 5 des Feldraumes 3 ein namhaftes Streufeld in den Feldraum 7, wodurch in diesem Bereich eine Ueberlagerung dieses Streufeldes E37 und des dort vorherrschenden Primärfeldes E7 entsteht mit einem resultierenden Feld, das sowohl von E7 wie auch von E3 abhängt. Wird, wie bei der bekannten Anordnung vorgeschlagen, ein Schirmring 9 vorgesehen, und, wie gleichzeitig vorgeschlagen, auf gleiches Potential gelegt wie die Elektrodenflächen 3b bzw. 7b, so resultiert das in Fig. 1 eingezeichnete Zusatzfeld E79, welches vom Feld E7 abhängt und je nach Ionenpolarität eine beschleunigende bzw. abbremsende Wirkung auf die in den Feldraum 7 eintreffenden Ionen ausübt und mithin deren Bahnen im Sinne einer schlechteren Energieauflösung bzw. Transmission verfälscht.
Bei der anschliessend beschriebenen, erfindungsgemässen Anordnung gemäss erfindungsgemässen Verfahren werden die Feldräume entsprechend 3 und 7 von Fig. 1 bezüglich der dort vorherrschenden elektrostatischen Felder entkoppelt, womit die obgenannten Störeffekte auf den Strahl vermieden werden und aufgrund der gegenseitigen Feldisolation die elektrostatischen Verhältnisse in beiden Feldräumen unabhängig voneinander optimal eingestellt werden können.
Anstelle dass nun der Teilchenstrahl beim Verlassen des gekrümmten Feldraumes 3, im Austrittsbereich 5, direkt in das weitere, zwischen dem weiteren Elektrodenpaar angelegte elektrische Feld E7 eintritt, ist erfindungsgemäss eine Abschirmung 11 vorgesehen, welche der Strahl S, wie gestrichelt dargestellt, an einem Durchtrittsschlitz 13 durchstösst. Das Potential des Schirmes 11 kann vorerst (gestrichelt bei 6) beliebig gelegt werden, wenn durch geeignete Wahl der geometrischen Anordnung von Schirm 11, Elektroden 3a und 3b der Einfluss des Feldes zwischen diesen drei Elektroden auf die kinetische Energie und Umlenkung der Teilchen 1 zwischen Austrittszone 5 und Durchtrittsschlitz 13 minimalisiert wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das Potential des Schirmes 11 auf Zwischenpotential zwischen dem Potential der Elektrode 3a' und demjenigen der Elektrode 3b' gelegt wird, womit sich im Strahlbahnbereich die resultierenden Felder zwischen Elektrode 11 und 3a bzw. 11 und 3b im wesentlichen kompensieren, wie bei E11a, E11b dargestellt.
Bevorzugterweise, und wie in Fig. 2 bei 6a eingetragen, wird wird der Schirm 11 auf das Potential der krümmungsäusseren Elektrode 3b' gelegt. Durch Wahl des bevorzugten Einschusswinkels α≈45° wird, wegen des schiefwinkligen Durchlaufens des Zwischenraumes D durch den Strahl, der Einfluss des elektrostatischen Feldes E11a zwischen Schirm 11 und die Elektrodenkörper 3a' vernachlässigbar.
Bevorzugterweise wird der Schirm 11, wie weiter in Fig. 2 dargestellt, als eine Elektrode des Paares 7a, 7b gemäss Fig. 1 eingesetzt. Wie ersichtlich, ergibt sich aufgrund des Vorsehens eines vom Strahl durchdrungenen Schirmes 11, auch wenn zur wesentlichen konstruktiven Vereinfachung mit Elektrode 7b vereint, keine Feldbeeinflussung zwischen den Feldern E7 und E3.
In Fig. 3 ist schematisch eine erste bevorzugte Ausbildung der anhand von Fig. 2 grundsätzlich dargestellten erfinderischen Anordnung dargestellt. Wiederum sind für gleiche Strukturteile die gleichen Positionsziffern verwendet. Wie daraus ersichtlich, wird in dieser bevorzugten Ausbildungsform die krümmungsäussere Elektrodenfläche 3b bzw. der sie definierende Körper 3b' weg von der Elektrodenfläche 3a fortgesetzt, und es umrandet - ein- oder mehrteilig - diese Fortsetzung 3d, im Sinne mit 3b' potential gleicher Teile, einen Hohlraum 15, welcher vom Strahl zwischen Austrittsbereich 5 und Durchtrittsschlitz 13 schiefwinklig durchlaufen wird. Das Störfeld E3a entsteht entsprechend der Dimensionierung der Kammer 15 und der Potentialdifferenz zwischen den Elektrodenflächen 3b und 3a praktisch nur in Zonen des Raumes 15, welche vom Strahl S nicht durchlaufen werden, womit dieses Störfeld auf die Strahlumlenkung bzw. die Energie seiner Teilchen kaum Einfluss nimmt.
Der Hohlraum 15 ist, insbesondere in seinem vom Strahl S durchlaufenen Bereich, im wesentlichen feldfrei, da von auf gleichem Potential liegenden Wandungen umrandet. Der dem Austrittsbereich 5 gegenüberliegende Wandungsabschnitt, welcher den Raum 15 berandet, bildet wiederum die Elektrodenfläche 7b des weiteren Elektrodenflächenpaares 7a, 7b, wozwischen der Strahl, dem Prinzip der Spiegelung folgend, rückgelenkt wird. Aufgrund des feldfreien Raumes, welcher der Strahl nach Verlassen des gekrümmten Feldraumes 3 durchläuft, wird einerseits der Einfluss von zwischen Schirm 11 und dem die Elektrodenfläche 3a bildenden Körper 3a' aufgebauten Störfeld minimalisiert, und insbesondere kann, durch entsprechende Ausbildung des Elektrodenpaares 3a', 3b' und dessen Feldbeaufschlagung sowie gegebenenfalls durch Vorsehen ionenoptischer Mittel, oder vorzugsweise einer Blende 15a, der Strahlengang im feldfreien Raum 15 vor dem Eintritt in den Feldraum 7 optimiert, beispielsweise fokussiert, werden. Durch die Blende 15a werden äussere Partien des Strahls ausgeblendet. Dies alles, ohne dass dabei weitere Felder zu berücksichtigen wären. Im weiteren wird, aus ionenoptischen Gründen, die kleinste Durchmesserdimension des Schlitzes 13 höchstens gleich der Wandungsstärke d des Schirmes 11 gewählt.
In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Energiefilters dargestellt, der im wesentlichen zu einer Ebene E symmetrisch aufgebaut ist und dazu spiegelbildlich zwei der anhand der Fig. 2 bzw. 3 dargestellten Anordnungen aufweist. Es sind wiederum für gleiche Bauteile bzw. Grössen dieselben Positionszeichen verwendet.
Aufgrund der Erläuterungen, insbesondere zu Fig. 3, ergeben sich Aufbau und Funktionsweise der bevorzugten Anordnung nach Fig. 4 ohne weiteres. Wiederum sind Umlenkfelder E3 und das Feld E7 zur Umlenkung positiver Ionen eingetragen. Wie ersichtlich, erlaubt diese Anordnung, Eintrittsachse AE und Austrittsachse AA fluchtend am erfindungsgemässen Filter durch entsprechende Anordnung der beiden gekrümmten Feldräume 3 eingangs- und ausgangsseitig auszubilden, womit, vorerst auch ohne rotationssymmetrische Ausbildung, die Möglichkeit geschaffen ist, einen Analysator mit nachgeschaltetem Massenspektrometer, insbesondere einem Quadrupolmassenspektrometer und gegebenenfalls vorgeschalteter Ionisierungsquelle, in der gemeinsamen Eintritts-/Austrittsachse AEA aufzubauen. Wie gestrichelt bei 8 in Fig. 4 dargestellt, können gegebenenfalls die Schirmpartien 11 gemeinsam oder getrennt je auf bezüglich Teil 3b' unterschiedliche Potentiale gelegt werden. Dies erfordert selbstverständlich elektrische Isolation der erwähnten Teile.
In Fig. 5 ist, wieder schematisch, eine bekannte Strahlumlenkanordnung entsprechend der EP-A-0 223 520 dargestellt unter dem Aspekt der weiteren zu lösenden Aufgabe. Wiederum sind für die gleichen Grössen bzw. Bauelemente die gleichen Bezugszeichen eingesetzt. Wie ersichtlich, ist die Einlassanordnung mit gekrümmten Feldräumen 3, krümmungsinnenliegenden Elektrodenflächen 3a und krümmungsäusseren Elektrodenflächen 3b sowie die Elektrodenpaare 7a und 7b zylindrisch mit einer Zylinderachse AZ aufgebaut. Der eintreffende Strahl S wird an einer scharfen Spitze P eines Zylinderinnenkörpers 3b' geteilt, welcher die Elektrodenflächen 3b und 7b bildet und an einem Haltesteg 17 im Feldraum 7 montiert ist. Der Strahlengang S ist zur Zylinderachse AZ spiegelsymmetrisch, indem der eintreffende Strahl S, wie erwähnt, an der Spitze P - eine Art Singularität - geteilt wird und bezüglich der Achse AZ spiegelbildlich ausgebildete Elektrodenpaare bzw. dazwischenliegende Feldräume durchläuft. Aufgrund der Spitze P können Ionen, die auf der Achse AZ eintreten, die Anordnung nicht passieren. Dies gilt auch für Ionen, die nahe an der Achse AZ eintreten. Ionen, die eben noch die Spitze P passieren können, haben, bezüglich des Zylinderspiegels im Raum 7, ungünstige Eintrittsparameter.
Es wurde nun weiter erkannt, dass die eingangsseitige Singularität bzw. Spitze bei P, d.h. jegliche Strahlaufteilung, sich äusserst nachteilig auf die Strahldivergenz und -beherrschbarkeit auswirkt. Vorteilhaft an dieser bekannten Anordnung ist aber, dass sich im wesentlichen fluchtende Eintritts- und Austrittsachsen ergeben, wobei, wegen der symmetrischen Strahlführung, Eintritts- und Austrittsachsen im wesentlichen auch in der Zylinderachse AZ liegen.
In Fig. 6 ist nun eine erfindungsgemässe Energiefilteranordnung wiederum schematisch dargestellt, bei der einerseits bei eingangs- und ausgangsseitig spiegelbildlicher Ausbildung, z.B. zur Ebene E, Eintrittsachse AE und Austrittsachse AA, wie dargestellt, durchaus in der Zylinderachse AZ des zylindrisch aufgebauten Filters liegen können, aber eine Strahlaufteilung vermieden wird. Es sind wiederum dieselben Bezugszeichen verwendet. Nach den bisherigen Erläuterungen ergibt sich aus Fig. 6 ohne weiteres die Anordnung, bei der wohl die äussere Berandung des Filters, im wesentlichen durch die äusseren Elektrodenflächen 7a gegeben, zylindrisch zur Achse AZ ist, nicht jedoch innerhalb des Zylinders der Strahlengang des Strahls S. Dieser kann nun axial eingeführt und entsprechend bei symmetrischer Ausbildung wieder axial ausgelassen werden, aber es wird nur ein Strahlengang vorgesehen, der Strahl wird nicht geteilt. Dabei hat sich gezeigt, dass das Verhalten des Filters mit nur einem asymmetrisch zur Zylinderachse AZ vorgesehenen Strahlengang gegenüber einem symmetrischen Strahlengang keine Nachteile aufweist, aber den Vorteil keiner die Strahlteilung vornehmender Singularität. Anstatt, wie in Fig. 5 bei 17 dargestellt, Teile des Einlasses bzw. Auslasses mittels die Strahltransmission störender Stege 17 abzustützen, kann nun, gemäss Fig. 6, die Abstützung zylinderzentraler Teile in einem nicht für den Strahlengang verwendeten Zylinderteil, wie bei 17a dargestellt, realisiert werden.
Wie sich nun aber aus Fig. 6 ergibt, ist bei dieser Ausbildung, bei welcher die Koaxialität von Filteraufbau, Strahlzu- und -wegführung realisiert werden kann, die Querschnittsdimension des Filters, gegeben durch den Aussenzylinder 7a', schlecht ausgenützt. Dies ist bei der bevorzugten Ausbildung, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist, verbessert. Zudem ist die Ausbildung nach Fig. 7 fertigungstechnisch wesentlich einfacher. Dabei wurde davon ausgegangen, dass das Festhalten an einer zur Zylinderachse AZ fluchtenden Zu- und Wegführung des Strahls für die Zusammenstellung eines Analysatorsystems nur geringfügige Vorteile mit sich bringt und diese Vorteile praktisch beibehalten werden, wenn Eintrittsachse AE und Austrittsachse AA wohl fluchten, die Querschnittsausdehnung besser ausgenützt wird und fertigungstechnisch wesentliche Vorteile erhalten werden.
Wie nun aus Fig. 7 ersichtlich, in welcher wiederum gleiche Teile und Grössen gleich bezeichnet sind und welche eine zur Ebene E symmetrische Aufbauvariante in bevorzugter Art und Weise zeigt, sind Strahleinlass und Strahlauslass axial fluchtend, aber bezüglich der Zylinderachse A'Z derart versetzt angeordnet, dass, wenn Einlass und Auslass im einen Querschnittsquadranten Q1 vorgesehen sind, der Feldraum 7, worin der Strahl spiegelnd rückgelenkt wird, in dem zur Achse A'Z spiegelbildlich gegenüberliegenden Quadranten Q2 angeordnet ist. Die Achse A'Z ist bezüglich der Achsen AE und AA, wie in Fig. 6 bei A'Z dargestellt, verschoben.
In Fig. 8 ist schematisch eine Querschnittsdarstellung gemäss Linie IIX-IIX von Fig. 7 wiedergegeben, wobei die beiden die Elektrodenflächen 3a bzw. 3b festlegenden Körper wieder mit 3a' bzw. 3b' bezeichnet sind und, strichpunktiert, die Quadranten Q1, Q2 eingetragen sind. Hier ist die Isolation 9 zwischen den Teilen 3a', 3b' sichtbar, wie sie selbstverständlich in irgendeiner Art in allen Ausführungsvarianten gemäss den Fig. 2 bis 4, 6 bis 7 vorgesehen ist. Wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich, wird die Querschnittsdimension des Filters besser ausgenützt.
In Fig. 9 sind die wesentlichen Elemente eines bevorzugten Energiefilters gemäss vorliegender Erfindung im Längsschnitt dargestellt, einem erfindungsgemässen Filter, bei welchem Vorsehen eines Schirmes zwischen sich folgenden Feldräumen und Ausnützung der Zylinderspiegelung ohne Strahlaufteilung, dabei mit Ausnützung der Querschnittsausdehnung des Spiegelzylinders, realisiert sind, nach einer Kombination der Anordnungen gemäss Fig. 4 und Fig. 7. Es sind, um die Quervergleiche zu erleichtern, wiederum dieselben Bezugszeichen gewählt.
Entlang einer Eintrittsachse AE tritt der Strahl S in den gekrümmten Feldraum 3 ein, gebildet zwischen einer Elektrodenfläche 3a und einer Elektrodenfläche 3b, erstere an einem zu einer Zylinderachse AZ rotationssymmetrischen Endabschlussteil 3a', letztere an einem zur Achse AZ rotationssymmetrischen Hohlzylinderteil 3b'. Der vorerwähnte Fertigungsvorteil gegenüber der Ausbildung nach Fig. 6 ist ersichtlich: Die Elektrodenkörper 3a', 3b' sind Rotationskörper. Die beiden den Feldraum 3 definierenden Teile 3a' und 3b' sind, wie bei 20 dargestellt, elektrisch isoliert, entsprechend 9 von Fig. 8. Die Austrittsrichtung für den Strahl S aus dem gekrümmten Feldraum 3 im Austrittsbereich 5 beträgt bezüglich der Achsrichtung AE bzw. AZ ca. 45°. Der Hohlzylinder 3b' bildet die im wesentlichen feldfreien Räume 15 und weist die Durchtrittsschlitze 13 für den umgelenkten Strahl S auf. Bezüglich des Hohlzylinders 3b', wie bei 22 dargestellt, elektrisch isoliert, ist der Spiegelungszylinder 7a' vorgesehen, welcher die Elektrodenfläche 7a bildet als Zylinderkondensatorfläche bezüglich der Elektrodenfläche 7b am Hohlzylinder 3b'.
Der Strahlauslass, wiederum mit gekrümmtem Feldraum 3, ist bezüglich des Strahleinlasses symmetrisch aufgebaut, die Strahlaustrittsachse AA fluchtet mit der Strahleintrittsachse AE, und beide Achsen sind bezüglich der Rotationsachse AZ der zylindrischen Anordnung versetzt. Für die Umlenkung und mithin Energiefilterung positiver Ionen sind, wie schematisch bei U 1 und U2 mit einstellbaren Spannungsquellen dargestellt, die angelegten Potentialdifferenzen beispielsweise eingetragen. Dabei sind beispielsweise beide Teile 3a' auf gleiches Potential gelegt, was nicht zwingend ist. Diesbezüglich auf positivem Potential ist der Hohlzylinder 3b' gelegt, welcher erfindungsgemäss Abschirmung 11, feldfreier Raum 15 und Elektrode des Feldraumes 7 bildet. Die Aussenelektrode 7a, entsprechend der Hohlzylinder 7a', ist bezüglich des Hohlzylinders 3b' auf positives Potential gelegt. Bevorzugterweise wird zur Bildung eines erfindungsgemässen Analysators dem Energiefilter, wie dargestellt, ein Massenspektrometer, bevorzugterweise ein Quadrupolmassenspektrometer 24, nachgeschaltet. Sollen am Analysator neutrale Teilchen analysiert werden, so ist dem Energiefilter eine Ionisierungsquelle, vorzugsweise eine Elektronenstoss-Ionisierungsquelle 26, vorgeschaltet. Im einen feldfreien Raum 15 ist vorzugsweise eine Strahlblende 15 vorgesehen. In diesem Raum wird der Strahl bevorzugterweise auf der Zylinderachse A' Z fokussiert, und die Blende 15a blendet Randbereiche und Streuionen des Strahls aus. Am Fokus F ergibt sich ein Cross-over des Ionenstrahls, d.h. eine Ueberkreuzung der Ionenbahnen.
Selbstverständlich sind, wie dem Fachmann ohne weiteres geläufig, die dargestellten Aggregate auf Vakuum betrieben, und die zu analysierenden Teile werden beispielsweise einem Plasma entzogen, geladene Teilchen elektrostatisch, neutrale durch Diffusion in die Ionisierungsquelle 26, zur Ionisierung.
In Fig. 10 ist eine Ionisierungsquelle dargestellt, welche bevorzugterweise mit dem dargestellten Energiefilter eingesetzt wird. Durch eine Blende 30 mit Oeffnung 32 werden dem Plasma, durch Diffusion, neutrale Teilchen entzogen und gelangen in ein axial ausgedehntes Zylindergitter 34. Radial bezüglich des Gitters 34 aussenliegend, ist mindestens ein Elektronenemitter, bevorzugterweise in Form mindestens einer Heisskathode 36, vorgesehen, bevorzugterweise sind mehrere Heisskathoden 36 azimutal um das Gitter 34 herum angeordnet. Die Elektronenemitterkathoden 36 sind, wie bei U3 dargestellt, bezüglich Gitter 34 auf negatives Potential gelegt, womit das Gitter 34 als Beschleunigungsgitter für die emittierten Elektronen e- wirkt. An Stromquellen I wird der Heizstrom an den Elektronenemitterkathoden 36 eingestellt. Die innerhalb des Gitters 34 durch Elektronenstoss entstehenden Ionen treten durch eine weitere Blende 38 aus mit steuerbarem Potential entsprechend U4. Das Potential der Blende 38 wird bevorzugterweise mindestens im wesentlichen gleich dem des Gitters 34 gewählt. Aufgrund der axial ausgedehnten Gitteranordnung und der vorgesehenen, vorzugsweise mehreren und gleich wirkenden Elektronenemitter ausserhalb des Gitters werden Neutralteilchen innerhalb des Gitters homogen ionisiert mit einer hohen Ionisierungsrate. Die Axialausdehnung L des Elektronenstromes wird vorzugsweise gewählt zu L > = 1,5 Ø, dabei vorzugsweise L > = 3 Ø, wobei Ø den Gitterdurchmesser bezeichnet.
Wie erwähnt wurde, wird die Ionisierungsquelle nach Fig. 10 bevorzugterweise mit dem erfindungsgemässen Energiefilter gemäss vorangehenden Figuren, insbesondere Fig. 9, kombiniert, um mit einem letzterem nachgeschalteten Massenspektrometer, bevorzugterweise Quadrupolmassenspektrometer, einen Analysator für Neutralteilchen zu bilden.

Claims (27)

  1. Verfahren zur Filterung elektrisch geladener Teilchen eines Teilchenstrahls nach ihrer kinetischen Energie, bei dem der Strahl durch ein erstes elektrostatisches Feld (E7) zwischen einem Paar erster Kondensator-Elektrodenflächen (7a, 7b) eines ersten Kondensator-Elektrodenpaares in einem ersten Raumbereich (7) umgelenkt wird und in einem, dem ersten Raumbereich (7) in Strahlausbreitungsrichtung vor- und/oder zweiten nachgeschalteten Raumbereich (3) durch ein zweites elektrisches Feld (E3) zwischen einem Paar zweiter Kondensator-Elektrodenflächen (3a, 3b) eines zweiten Kondensator-Elektrodenpaares (3a', 3b') entgegengesetzt umgelenkt wird und der erste Raumbereich (7) gegen den zweiten (3) bezüglich elektrischen Feldern (E) mittels eines Schirmes (11) abgeschirmt wird, der auf das elektrische Potential einer der ersten Kondensator-Elektrodenflächen (7b) gelegt ist, und der (11) eine dem ersten Raumbereich (7) zugewandte erste Fläche sowie eine dem zweiten Raumbereich (3) zugewandte zweite Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die eine der ersten Kondensator-Elektrodenflächen (7b) durch die erste Fläche des Schirmes (11) gebildet wird, der durch den Strahl durchdrungen (13) wird;
    mittels der zweiten Fläche des Schirmes (11) und einer Fläche einer der Kondensator-Elektroden (3b') des zweiten Kondensator-Elektrodenpaares (3a', 3b') ein weiteres Kondensator-Elektrodenflächenpaar mit einem vom Strahl (S) durchlaufenen dritten Raumbereich (D) gebildet wird, der den ersten (7) und zweiten (3) Raumbereich verbindet;
    der Schirm (11) auf ein gegebenes elektrostatisches Potential (6, 6a) gelegt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (11) auf das elektrische Potential der einen (3b') des zweiten Kondensator-Elektrodenpaares (3a', 3b') gelegt wird und damit der dritte Raumbereich (D) feldfrei ausgebildet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Raumbereich (3) zwischen zwei im wesentlichen gleich gekrümmten zweiten Kondensator-Elektrodenflächen (3a, 3b) erzeugt wird und der Schirm (11) durch Fortführung der die Krümmungsäussere der Kondensator-Elektrodenflächen (3b) bildenden Kondensator-Elektrode (3b') gebildet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (S) in den ersten oder zweiten Raumbereich (3, 7) eintritt und entsprechend aus dem zweiten oder dem ersten austritt, wobei die Umlenkungen so erfolgen, dass Ein- und Austritt zueinander im wesentlichen parallel sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zweite Raumbereiche (3) je mit einem zweiten Kondensator-Elektrodenpaar, das je zweite Kondensator-Elektrodenflächen bildet, vorgesehen werden, der Strahl (S) je in einem der zwei zweiten Raumbereiche (3) ein- und austritt, wobei die Umlenkungen so erfolgen, dass Ein- und Austrittsrichtungen im wesentlichen fluchten.
  6. Energiefilter zur Filterung elektrisch geladener Teilchen eines Teilchenstrahles nach ihrer kinetischen Energie mit einer Strahleintritts- und einer -austrittsanordnung sowie mindestens zwei sich im wesentlichen in Strahldurchlaufrichtung zwischen Ein- und Austritt erstreckenden, hintereinander angeordneten Kondensator-Elektrodenpaaren (3a, 3b; 7a, 7b), die je ein im wesentliches senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung gerichtetes, relativ zueinander invers gepoltes elektrisches Feld (E3, E7) erzeugen, wobei
    ein erstes (7a, 7b) der Kondensator-Elektrodenpaare ein Paar erster Kondensator-Elektrodenflächen bildet, dazwischen einen ersten (7) Raumbereich festlegt,
    ein zweites (3a', 3b') der Kondensator-Elektrodenpaare ein Paar zweiter Kondensator-Elektrodenflächen (3a, 3b) bildet, dazwischen einen zweiten Raumbereich (3) festlegt,
    weiter mit einem elektrischen Schirm (11) zwischen den Raumbereichen (3, 7), der eine dem ersten Raumbereich (7) zugewandte erste Fläche und eine dem zweiten Raumbereich (3) zugewandte zweite Fläche aufweist, wobei weiter der Schirm (11) auf das Potential einer der ersten Kondensator-Elektroden (7b) gelegt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die eine der ersten Kondensator-Elektrodenflächen (7b) durch die erste Fläche des Schirmes (11) gebildet ist, der eine Durchtrittsöffnung (13) für den Strahl (S) aufweist;
    die zweite Fläche des Schirmes (11) im Bereich der Durchtrittsöffnung (13) mit einer Fläche einer der zweiten Kondensator-Elektroden (3b') ein drittes Kondensator-Elektrodenflächenpaar und dazwischen einen dritten Raumbereich (D) bildet, der den ersten und zweiten Raumbereich verbindet;
    der Schirm (11) auf ein gegebenes Potential (6, 6a) gelegt ist.
  7. Energiefilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (11) auf das Potential der einen (3b') der zweiten Kondensator-Elektroden (3a', 3b') gelegt ist.
  8. Energiefilter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensator-Elektrodenflächenpaar (3a, 3b) zwischen sich einen gekrümmten zweiten Raumbereich (3) definiert und die die krümmungsaussenseitige Fläche (3b) bildende Kondensator-Elektrode (3b') mit einer Fortführung den Schirm (11) bildet.
  9. Energiefilter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Raumbereich (D, 15) im wesentlichen feldfrei ist, mit auf Äquipotential gelegener Umrandung, wobei die Umrandung des dritten Raumbereiches (D, 15) vorzugsweise durch eine Fortführung der einen (3b') der zweiten Kondensator-Elektroden (3a', 3b') gebildet wird.
  10. Energiefilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Raumbereich (D, 15) mindestens eine Blende (15a) vorgesehen ist.
  11. Energiefilter nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Strahleintritt und -austritt zueinander im wesentlichen parallel sind.
  12. Energiefilter nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der ersten und zwei der zweiten Kondensator-Elektrodenpaare vorgesehen sind.
  13. Energiefilter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren zwei Kondensator-Elektrodenpaare erste Kondensator-Elektrodenpaare sind und vorzugsweise baulich vereint sind (7a, 7b).
  14. Energiefilter nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äusseren Kondensator-Elektrodenpaare zweite Kondensator-Elektrodenpaare (3a', 3b') sind und je einen gekrümmten zweiten Raumbereich (3) definieren, gleichsinnig gekrümmt und je die krümmungsaussenseitig gelegenen Kondensator-Elektroden (3b') des Paares eine Fortführung aufweisen, welche den Schirm (11) bilden.
  15. Energiefilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden krümmungsäusseren Kondensator-Elektroden (3b') baulich vereint sind.
  16. Energiefilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fortführungen (11) baulich vereint sind.
  17. Energiefilter nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungsstärke (d) des Schirmes (11) mindestens gleich der kleinsten Durchmesserausdehnung der Durchtrittsöffnung (13) ist.
  18. Energiefilter nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äussersten Kondensator-Elektrodenpaare (3a, 3b) im wesentlichen zueinander parallele Eintrittstangenten bzw. Austrittstangenten für den Strahl definieren und vorzugsweise diese Tangenten fluchten.
  19. Energiefilter nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass er nach dem Prinzip des Zylinderspiegels in einem Zylinderkondensator, mit Ein- und Austrittsvorrichtungen für den Strahl zum Zylinderkondensator, aufgebaut ist, wobei Ein- und Austrittsachsen (AE, AA) im wesentlichen fluchtend angeordnet sind und der Strahlengang (S) bezüglich der Zylinderachse (AZ) des Zylinderkondensators asymmetrisch ist.
  20. Energiefilter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Austrittsachse (AE, AA) zur Achse (AZ) des Zylinderkondensators parallel versetzt sind.
  21. Energiefilter nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkondensator (7a, 7b) durch die beiden zentralen Elektrodenpaare, die Ein- und Austrittsanordnungen (3a, 3b) durch die äusseren nach einem der Ansprüche 11 bis 18 gebildet sind.
  22. Energiefilter nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkondensator (7a, 7b) einen äusseren Zylinder (7a) aufweist und in einem Querschnittsquadranten als Spiegelkondensator wirkt und Ein- und Austrittsanordnung (3a, 3b) in dem axialsymmetrisch zum genannten Quadranten gegenübergelegenen Quadranten der Zylinderkondensator-Querschnittsfläche vorgesehen sind.
  23. Energiefilter nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl auf der Achse des Zylinderkondensators fokussiert ist.
  24. Analysator, vorzugsweise Plasmaanalysator, mit einem Energiefilter nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 23 sowie einem dem Energiefilter nachgeschalteten Massefilter, vorzugsweise einem Quadrupolmassenanalysator.
  25. Analysator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass er eine dem Energiefilter vorgeschaltete Elektronenstoss-Ionisierungsquelle mit Eintrittsöffnungsanordnung für neutrale Teilchen sowie einer Austrittsanordnung für Ionen aufweist und dass, koaxial zur zwischen Ein- und Austrittsanordnung definierten Transmissionsachse, ein axial ausgedehntes Beschleunigungsgitterrohr vorgesehen ist und, radial ausserhalb, mindestens eine Heisskathode.
  26. Analysator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass radial ausserhalb des axial ausgedehnten Beschleunigungsgitters, vorzugsweise regelmässig verteilt, mehrere Heisskathoden vorgesehen sind.
  27. Analysator nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge des Elektroneneinfallbereiches am Gitterrohr zu dessen Durchmesser mindestens 1,5 ist, vorzugsweise 3, vorzugsweise grösser als 3 ist.
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