EP1657737B1 - Verfahren zur Herstellung einer mehrpoligen Elektrodenanordnung sowie mehrpolige Elektrodenanordnung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer mehrpoligen Elektrodenanordnung sowie mehrpolige Elektrodenanordnung Download PDF

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EP1657737B1
EP1657737B1 EP05023606A EP05023606A EP1657737B1 EP 1657737 B1 EP1657737 B1 EP 1657737B1 EP 05023606 A EP05023606 A EP 05023606A EP 05023606 A EP05023606 A EP 05023606A EP 1657737 B1 EP1657737 B1 EP 1657737B1
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EP
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electrode
electrodes
support element
support
section
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EP1657737A2 (de
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Bernd Laser
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Vacutec Hochvakuum- & Prazisionstechnik GmbH
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Vacutec Hochvakuum- & Prazisionstechnik GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/068—Mounting, supporting, spacing, or insulating electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/4255—Device types with particular constructional features

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a multi-pole electrode arrangement for focusing or mass filtering a charged particle beam, the arrangement comprising a plurality of elongate electrodes arranged parallel to an axis.
  • the invention further relates to such a multi-pole electrode arrangement, wherein a plurality of electrodes are attached to one or more support elements separately formed from the electrodes and wherein each electrode has a cross-section with a circular portion and a non-circular, in particular substantially hyperbolic, portion.
  • Multi-pole electrode arrangements for the separation or for the separate detection of ions of different specific charge have long been, for example, from the German patent 944,900 which explains the basic principles of mass spectrometers.
  • German Offenlegungsschrift DT 26 25 660 A1 known to provide hyperbolic shaped electrode surfaces in pairs on a ceramic body are arranged, wherein two such ceramic bodies are held together by rings.
  • the manufacturing method described in the latter document has the disadvantage that it is based on electro-erosion, either on wire electrode electrical erosion or electrical erosion by means of a molding.
  • a disadvantage of this manufacturing method is the roughness of the surface resulting from the electrical discharge.
  • the wire electrode electrical erosion also has the disadvantage of increased inaccuracy in the areas where the wire bulges during machining.
  • the electric erosion with a correspondingly shaped fitting has the disadvantage that a lot of material removed by electroerosion and also the fitting must be renewed again and again, which is particularly problematic because the fitting itself can only be made consuming. In addition, the fitting itself can only be made relatively inaccurate. The process is thus extremely complex and costly.
  • the invention is therefore based on the technical problem of improving the production of electrodes in electrode arrangements, in particular to propose a process by means of which a precisely aligned electrode arrangement can be provided with little effort.
  • the invention solves this problem by means of a method for producing a multipolar electrode arrangement according to claim 1 and by means of an electrode arrangement according to claim 10.
  • the starting point is a rod-shaped electrode blank, which is then processed together with one or more further electrode blanks in order to give it a hyperbolic shape in a section.
  • a rod-shaped electrode blank is to be understood in addition to a solid solid rod blank and a hollow rod-shaped or hollow rod-like electrode blank, i. an electrode blank which is tube-shaped.
  • the blank has a circular cross-section.
  • a hollow rod-like or tubular-like blank has the advantage of lower material requirements.
  • the wall thickness of a hollow rod-like or tube-like electrode blank is to be dimensioned such that a sufficient thickness remains even after the machining.
  • the electrode blank is fastened to one or more carrier elements, so that a later alignment within the electrode arrangement is dispensed with.
  • two electrodes are formed on a single support element extending fore and aft, or substantially, or wholly, along the electrodes or part of the electrodes fixed and then processed together, and preferably by grinding the electrode blanks by means of a grindstone, which already has the negative shape of the later hyperbolic shape of the electrodes and of the end portions of the or the support elements.
  • two half shells produced in this way are formed consisting of two electrodes and two carrier elements and then connected to one another, in particular screwed.
  • each support member has two end portions, one of which is concave and the other convex.
  • the convex and concave shapes are adapted to one another in such a way that the convex shape of the one carrier element can be joined with the concave shape of the other carrier element in order to ensure a precisely defined position of the two carrier elements relative to each other.
  • the electrode blanks are fastened with the interposition of at least one insulating member on the carrier or elements for the electrical insulation of the electrode blank and the carrier element.
  • this insulating member consists of a non-conductor, such as quartz or quartz glass or ceramic.
  • each electrode blank and / or each carrier element made of graphite or a metal or an alloy with a low heat or linear expansion coefficient, for example, less than 8 ⁇ 10 -6 K -1 .
  • This coefficient of expansion is substantially equal to the coefficient of thermal expansion or expansion coefficient of the insulating member.
  • the amount of the difference of the expansion coefficient of the graphite, metal or alloy and the coefficient of expansion of the insulating member is smaller than 2 ⁇ 10 -6 K -1 . In this way, a permanent connection between the metal and the Isolierorgan be prepared, for example. By soldering or gluing.
  • the insulating member is made of quartz or quartz glass, preferably, the material is an iron-nickel alloy, for example an alloy with about 36 weight percent nickel and the remaining portion of iron, for example, as a material 1.3912 (German Stahl Whyl) or under the Denomination Invar 36 is sold.
  • the insulating member is made of ceramic, the material is preferably an alloy with the main components nickel, iron and cobalt, for example with a share of 29 weight percent nickel, 53 weight percent iron and 17 weight percent cobalt, for example, as the material 1.3981 ( German steel key) or under the name Vacon / Nilo Alloy K is sold.
  • An electrode for such a multi-pole electrode arrangement preferably has a cross-section with a circular section and a non-circular, in particular substantially hyperbolic section, wherein for the angle centered on the circular center of the circular section ⁇ between the intersections of the circular section and the non-circular section circular section applies: ⁇ ⁇ 45 ° and for the included angle ⁇ of the tangents in each of these intersections: ⁇ ⁇ 45 ° ,
  • This particular angle specification enables a favorable transition of the hyperbolic electrode section into the circular electrode section.
  • this transition region is particularly sensitive because field distortions can occur in this area, which can lead to inaccurate analytical measurement results.
  • the transition region is advantageously formed without sharp edges.
  • Fig. 1 shows a multipolar electrode assembly 1 for focusing or mass filtering a charged particle beam.
  • the electrode arrangement has four elongate electrodes 2 arranged parallel to an axis, which are fastened to carrier elements 4 with the interposition of insulating pieces 3.
  • each electrode is fastened to two carrier elements 4, namely a front and a rear carrier element with the interposition of an insulating piece 3 in each case. This attachment is done, for example. By gluing or soldering.
  • Fig. 2 shows the electrode assembly Fig. 1 in a frontal view.
  • Each support member 4 is formed substantially semicircular arc.
  • each support element 4 is different, but designed to correspond. That an end portion 6 of a first support member 4 is formed such that an end portion of a second support member is so assembled with the end portion of the first support member, that a self-centering of the two support elements occurs.
  • a first end portion 6 of a support member 4 is convex, while the other end portion of the same support member has a corresponding concave shape.
  • the convex shaped end portion is roof-shaped, i. formed with two substantially mutually angled, substantially flat surfaces, while the concave-shaped end portion with a corresponding negative mold, i. is formed as a channel with two angularly arranged mutually, substantially flat surfaces.
  • an end portion of a support member 4 has a bore 7, in particular a non-threaded bore, while the other end portion of the support member or the opposite end portion of the opposing, engaged support member has a threaded bore (not shown) into which a screw can be screwed.
  • All four support elements 4 are identical. It can thus be worked with a single form of support elements.
  • the electrodes 2 are advantageously made of graphite or a metal or an alloy with a low coefficient of expansion, such as iron-nickel alloys or iron-nickel-cobalt alloys, such as Invar, Vacon or a similar material.
  • the insulating pieces 3 are formed of a non-conductor, such as quartz or quartz glass, ceramic or plastic.
  • the semicircular support members 4 are made of graphite or a metal or alloy, advantageously with a low coefficient of expansion, such as iron-nickel alloys or iron-nickel-cobalt alloys, e.g. Invar or a similar material made. In particular, they are made of the same material as the electrodes 2.
  • the electrodes 2 of a half-shell 5 have first been glued or soldered onto the front and rear support element 4 with the interposition of the insulating pieces 3, the electrodes and preferably also the end sections 6 of the support elements 4 are machined.
  • the machining is carried out by shaping grinding, erosion and / or other shaping processes in such a way that in a single operation on the first round electrode blanks a substantially hyperbolic or similar curved surface and at the end portions 6 of the support elements 4 each have a convex and a concave contour arises.
  • Fig. 3 shows one of the two half-shells in an enlarged view.
  • Fig. 3A This grindstone S is placed on the electrodes 2 and the end portions 6 and for grinding the grindstone S relative to the electrodes 2 and the end portions 6 in Slid longitudinally of the electrodes back and forth until the electrodes 2 and the end portions 6 of the support elements have received the desired shape.
  • Fig. 3B shows a further embodiment of an electrode assembly according to the invention 1 ', which - as the embodiment shown in the figures - four elongated, parallel electrodes 2, which are fixed with the interposition of insulating pieces 3' to support elements 4 '.
  • a support member 4 ' it is sufficient for each half-shell only a support member 4 'to be provided on which then, for example, two electrodes 2 are attached.
  • the electrodes 2 can be readily attached to a plurality of further locations, in particular with the interposition of further insulating pieces 3' on the respective carrier element 4 '.
  • the upper support element 4 ' has an opening A, which, however, serves only to illustrate the interior of this electrode arrangement 1'. Thanks to this outbreak A, it can be seen that the electrodes 2 are fastened to the respective carrier element 4 'by means of further insulating pieces 3', for example in the middle of the electrode arrangement 1 '.
  • the outbreak A has purely actorial reasons. That is, the support elements 4 'are preferably without such breakthroughs (apart from holes or tapped holes for attachment of the support elements 4' together or breakthroughs to improve Abpumpeigenschaften and thus a vacuum within the electrode assembly) is formed.
  • a quadrupole with two half-shells was described above.
  • other multi-pole electrode arrangements can also be formed by means of the described method with a corresponding structure.
  • a hexapol can also be produced by means of the described method, which consists either of two half shells with three electrodes each or three third shells with two electrodes each.
  • an octopole can also be produced by means of the described method be that then either consists of four quarter-shells with two electrodes or two half-shells with four electrodes.
  • Electrodes 2 are arranged at equal angles with respect to the central axis of the electrode arrangement. In this way one achieves a high symmetry of the field forming between the electrodes.
  • the described method results in an electrode arrangement with extremely straight electrode rods, which have a very high parallelism to each other, wherein the overall arrangement can be mounted substantially completely symmetrically due to the formation of the end portions.
  • the accuracies of the electrode surfaces which can be achieved with one another thanks to this production method are in the range of less than 1 ⁇ m. Despite these high accuracies, the production of the individual partial shells (half shells, third shells, quarter shells, etc.) can be carried out with little effort.
  • Fig. 4 a round bar electrode blank 9 is shown, which has a circular contour.
  • This blank 9 is - in the orientation according to Fig. 4 - be ground before processing on its right side so that it receives a hyperbolic shape 10.
  • the corresponding hyperbolic section HA is defined by the angle ⁇ , which refers to the circle center of the electrode blank 9 and between the intersections P, P 'of the through refers to the grinding forming circular portion KA and the hyperbolic portion HA.
  • This angle ⁇ is advantageously greater than or equal to 45 °.
  • the angle ⁇ is between 45 ° and 90 °.
  • a tangent can be placed both on the circle K circumscribing the blank and a further tangent on the hyperbola of the hyperbolic section HA.
  • Both tangents include an angle ⁇ , which is preferably less than or equal to 45 °, in particular less than or equal to 30 °. In the in Fig. 3 and 4 shown, the angle ⁇ is about 90 ° and the angle ⁇ about 14 °.
  • Fig. 4 Furthermore, the hyperbola symptoms are shown in dashed lines. Their intersection is denoted by M. Preferably, this point of intersection coincides with the center M of the electrode arrangement.
  • the smallest distance of the finished ground electrode, ie the distance between the hyperbolic section HA of the electrode to the center M of the electrode arrangement is in Fig. 4 represented by r 0 .
  • Fig. 4 schematically illustrates only one quadrant of a quadrupole with the center M.
  • Fig. 5 to 7 show further examples of processed or ground round rods.
  • Electrodes as in the Fig. 5 and 6 are ground, have the advantage of smooth transition of the hyperbolic section HA to the circular section KA of the electrode. Furthermore, only a small part of the electrode blank has to be removed. In addition, cost-effective Round rods are used as starting material. In this way, inexpensive electrodes for multi-pole electrode assemblies can be produced with high dimensional accuracy.
  • the invention is not limited to the above-described ratios of the hyperbolic portion HA to the circular portion KA.
  • the invention also allows a shift of the illustrated ratios in favor of the hyperbolic section HA.
  • An example of this is in Fig. 7 shown.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrpoligen Elektrodenanordnung zur Fokussierung oder Massenfilterung eines Strahls geladener Teilchen, wobei die Anordnung eine Mehrzahl langgestreckter, parallel zu einer Achse angeordneter Elektroden aufweist.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine derartige mehrpolige Elektrodenanordnung, wobei mehrere Elektroden an einem oder mehreren von den Elektroden separat gebildeten Trägerelementen befestigt sind und wobei jede Elektrode einen Querschnitt mit einem kreisförmigen Abschnitt und einem nicht-kreisförmigen, insbesondere im wesentlichen hyperbelförmigen, Abschnitt aufweist.
  • Mehrpolige Elektrodenanordnungen zur Trennung bzw. zum getrennten Nachweis von Ionen verschiedener spezifischer Ladung sind seit langem bspw. aus der deutschen Patentschrift 944 900 bekannt, welche die Grundprinzipien von Massenspektrometern erläutert.
  • Aus EP 0 572 687 A1 ist ferner ein spezieller Aufbau eines Massenfilters bekannt, das hyperbolisch geformte, aus vorgeformten Gusskörpern geschliffene Elektroden aufweist, die unter Zwischenschaltung von Isolierstücken miteinander verschraubt sind.
  • Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DT 26 25 660 A1 bekannt, hyperbolisch geformte Elektrodenflächen vorzusehen, die paarweise an einem Keramikkörper angeordnet sind, wobei zwei derartige Keramikkörper durch Ringe zusammengehalten werden.
  • Ferner ist aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 58204464A bekannt, Elektroden mit einem besonderen Querschnitt in einen Halter einzusetzen. Hierzu werden zunächst Ausnehmungen innerhalb des Halters gebildet. Anschließend werden die Elektroden an den Ausnehmungen befestigt. Der Halter ist ringförmig ausgebildet und umschließt sämtliche vier Elektroden der Elektrodenanordnung.
  • Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 11 248 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Glas-Quadropols bekannt.
  • Aus US 2003/0178564 A1 ist ferner eine Elektrodenanordnung bekannt, bei der zwei Elektroden und ein ringartiger Halter einstückig ausgebildet sind.
  • Die genannten Elektrodenanordnungen haben jedoch den Nachteil, dass die Elektroden in einem sehr aufwändigen Ausrichtprozess exakt ausgerichtet werden müssen, wobei bereits geringste Abweichungen bzgl. der Parallelität der Elektroden zu unerwünschten Ungenauigkeiten und analytischen Messfehlern führen.
  • Zur Lösung dieses Problems schlägt DE 692 07 183 T2 vor, mehrere, nämlich vier hyperbolisch geformte Elektroden aus einem zylinderförmigen Rohling durch Elektroerosion herauszuarbeiten. Es soll dabei der zeitaufwändige Ausrichtprozess beseitigt werden, der mit anderen vorgeformten Elektroden einhergeht.
  • Das in der letztgenannten Schrift beschriebene Herstellungsverfahren hat jedoch den Nachteil, dass es auf Elektroerosion beruht und zwar entweder auf Drahtelektrodenelektroerosion oder Elektroerosion mittels eines Formstücks. Ein Nachteil dieses Herstellungsverfahrens besteht in der Rauhigkeit der sich durch die Elektroerosion ergebenden Oberfläche. Die Drahtelektrodenelektroerosion hat ferner den Nachteil einer erhöhten Ungenauigkeit in den Bereichen, in denen sich der Draht während der Bearbeitung ausbaucht. Die Elektroerosion mit einem entsprechend geformten Formstück hat demgegenüber den Nachteil, dass sehr viel Material durch die Elektroerosion entfernt und ferner das Formstück immer wieder erneuert werden muss, was insbesondere deshalb problematisch ist, da das Formstück selbst nur aufwendig hergestellt werden kann. Darüber hinaus kann auch das Formstück selbst nur relativ ungenau hergestellt werden. Der Prozess wird somit äußerst aufwändig und kostspielig.
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die Herstellung von Elektroden in Elektrodenanordnungen zu verbessern, insbesondere einen Prozess vorzuschlagen, mittels dessen mit geringem Aufwand eine präzise ausgerichtete Elektrodenanordnung bereitgestellt werden kann.
  • Die Erfindung löst dieses Problem mittels eines Verfahrens zur Herstellung einer mehrpoligen Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 sowie mittels einer Elektrodenanordnung nach Anspruch 10.
  • Erfindungsgemäß wird von einem rundstabförmigen Elektrodenrohling ausgegangen, der dann zusammen mit einem oder mehreren weiteren Elektrodenrohlingen bearbeitet wird, um ihm in einem Teilabschnitt eine hyperbolische Form zu geben. Unter einem stabförmigen Elektrodenrohling ist neben einem massiven Vollstabelektrodenrohling auch ein hohlstabförmiger bzw. hohlstabartiger Elektrodenrohling zu verstehen, d.h. ein Elektrodenrohling, der rohrartig gestaltet ist. Der Rohling weist einen kreisrunden Querschnitt auf. Ein hohlstabartig bzw. rohrartig ausgebildeter Rohling hat den Vorteil geringeren Materialbedarfs. Die Wandstärke eines hohlstabartigen bzw. rohrartigen Elektrodenrohlings ist jedoch so zu bemessen, dass auch nach der Bearbeitung eine ausreichende Dicke verbleibt. Vor der Bearbeitung wird der Elektrodenrohling an einem oder mehreren Trägerelementen befestigt, so dass eine spätere Ausrichtung innerhalb der Elektrodenanordnung entfällt.
  • Vorteilhafterweise werden zwei Elektroden an einem vorderen und an einem hinteren oder einem sich im wesentlichen teilweise oder vollständig längs der Elektroden oder eines Teils der Elektroden erstreckenden, einzelnen Trägerelement befestigt und dann gemeinsam bearbeitet und zwar bevorzugterweise durch Beschleifen der Elektrodenrohlinge mittels eines Schleifsteins, der bereits die Negativform der späteren hyperbolischen Form der Elektroden und von den Endabschnitten des bzw. der Trägerelemente aufweist.
  • Bevorzugterweise werden zwei auf diese Weise hergestellte Halbschalen bestehend aus zwei Elektroden und zwei Trägerelementen gebildet und dann miteinander verbunden, insbesondere verschraubt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass jedes Trägerelement zwei Endabschnitte aufweist, von denen einer konkav und der andere konvex geformt ist. Die konvexe und die konkave Form ist dabei derart aneinander angepasst, dass die konvexe Form des einen Trägerelements mit der konkaven Form des anderen Trägerelements zusammengefügt werden kann, um auf diese Weise eine exakt definierte Position beider Trägerelemente zueinander zu gewährleisten. Besonders bevorzugt wird beim Bearbeiten der Elektrodenrohlinge zugleich eine Bearbeitung der Endabschnitte der Trägerelemente durchgeführt, so dass diese Formen gebildet werden.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Elektrodenrohlinge unter Zwischenschaltung wenigstens eines Isolierorgans an dem bzw. den Trägerelementen zur elektrischen Isolation von Elektrodenrohling und Trägerelement befestigt. Vorteilhafterweise besteht dieses Isolierorgan aus einem Nicht-Leiter, wie Quarz bzw. Quarzglas oder Keramik.
  • Besonders bevorzugt besteht jeder Elektrodenrohling und/oder jedes Trägerelement aus Graphit oder einem Metall bzw. einer Legierung mit geringem Wärme- bzw. Längenausdehnungskoeffizienten, z.B. kleiner als 8 · 10-6 K-1. Dieser Ausdehnungskoeffizient ist im wesentlichen gleich dem Wärme- bzw. Längenausdehnungskoeffizienten des Isolierorgans. Insbesondere ist der Betrag der Differenz des Ausdehnungskoeffizienten des Graphits, Metalls bzw. der Legierung und des Ausdehnungskoeffizienten des Isolierorgans kleiner als 2 · 10-6 K-1. Auf diese Weise kann eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Metall und dem Isolierorgan hergestellt werden, bspw. durch Löten oder Kleben. Sofern das Isolierorgan aus Quarz bzw. Quarzglas hergestellt ist, ist bevorzugterweise das Material eine Eisen-Nickel Legierung, z.B. eine Legierung mit ca. 36 Gewichtsprozent Nickel und dem restlichen Anteil Eisen, die bspw. als Werkstoff 1.3912 (Deutscher Stahlschlüssel) bzw. unter der Bezeichnung Invar 36 vertrieben wird. Sofern bei einer Ausführungsform das Isolierorgan aus Keramik hergestellt ist, ist das Material bevorzugterweise eine Legierung mit den Hauptbestandteilen Nickel, Eisen und Kobalt, z.B. mit einem Anteil von 29 Gewichtsprozent Nickel, 53 Gewichtsprozent Eisen und 17 Gewichtsprozent Kobalt, die bspw. als Werkstoff 1.3981 (Deutscher Stahlschlüssel) bzw. unter der Bezeichnung Vacon/Nilo Alloy K vertrieben wird.
  • Eine Elektrode für eine derartige mehrpolige Elektrodenanordnung weist vorzugsweise einen Querschnitt mit einem kreisförmigen Abschnitt und einem nicht-kreisförmigen, insbesondere im wesentlichen hyperbelförmigen Abschnitt auf, wobei für den auf den Kreismittelpunkt des kreisförmigen Abschnitts bezogenen Winkel α zwischen den Schnittpunkten des kreisförmigen Abschnitts und des nicht-kreisförmigen Abschnitts gilt: α ≥ 45 °
    Figure imgb0001
    und für den eingeschlossenen Winkel β der Tangenten im jeweiligen dieser Schnittpunkte gilt: β ≤ 45 ° .
    Figure imgb0002
  • Diese besondere Winkelvorgabe ermöglicht einen günstigen Übergang des hyperbolischen Elektrodenabschnitts in den kreisförmigen Elektrodenabschnitt. Dieser Übergangsbereich ist grundsätzlich besonders sensibel, da es in diesem Bereich zu Feldverzerrungen kommen kann, die zu ungenauen analytischen Messergebnissen führen können. Der Übergangsbereich ist dabei vorteilhafterweise ohne spitze Kanten ausgebildet.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläuterten Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht einer mehrpoligen Elektrodenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 2
    eine stirnseitige Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Elektrodenanordnung;
    Fig. 3
    eine stirnseitige Ansicht einer von zwei in Fig. 2 gezeigten Halbschalen;
    Fig. 3A
    die stirnseitige Ansicht gemäß Fig. 3 zusammen mit einem Schleifstein zur Bearbeitung der Elektrodenanordnung;
    Fig. 3B
    eine perspektivische Ansicht einer mehrpoligen Elektrodenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Fig. 4
    eine schematische Querschnittsansicht eines Elektrodenrohlings mit Veranschaulichung der nach der Bearbeitung entstehenden hyperbolischen Fläche an der Elektrode und
    Fig. 5 bis 7
    schematische Querschnittsansichten weiterer Elektrodenrohlinge.
  • Fig. 1 zeigt eine mehrpolige Elektrodenanordnung 1 zur Fokussierung oder Massenfilterung eines Strahls geladener Teilchen. Die Elektrodenanordnung weist vier langgestreckte, parallel zu einer Achse angeordnete Elektroden 2 auf, die unter Zwischenschaltung von Isolierstücken 3 an Trägerelementen 4 befestigt sind. Dabei ist jede Elektrode an zwei Trägerelementen 4, nämlich einem vorderen und einem hinteren Trägerelement unter Zwischenschaltung jeweils eines Isolierstücks 3 befestigt. Diese Befestigung erfolgt bspw. mittels Kleben oder Löten.
  • Fig. 2 zeigt die Elektrodenanordnung aus Fig. 1 in einer stirnseitigen Ansicht. Jedes Trägerelement 4 ist im wesentlichen halbkreisbogenförmig ausgebildet.
  • Auf diese Weise bilden jeweils zwei Elektroden 2, die jeweils über Isolierstücke 3 mit einem Trägerelement 4 verbunden sind, eine Halbschale der Elektrodenanordnung 1. Mehrere derartige Trägerelemente 4 - im dargestellten Beispiel sind es zwei derartige Trägerelemente 4 - werden anschließend derart zusammengefügt, dass sie einen geschlossenen mehrteiligen Tragkörper 5 bilden, der die Elektroden 2 umschließt.
  • Die Endabschnitte 6 jedes Trägerelementes 4 sind unterschiedlich, dabei aber korrespondierend ausgebildet. D.h. ein Endabschnitt 6 eines ersten Trägerelements 4 ist derart ausgebildet, dass ein Endabschnitt eines zweiten Trägerelements derart mit dem Endabschnitt des ersten Trägerelements zusammenfügbar ist, dass eine Selbstzentrierung der beiden Trägerelemente eintritt. Zu diesem Zweck ist ein erster Endabschnitt 6 eines Trägerelements 4 konvex geformt, während der andere Endabschnitt desselben Trägerelements eine korrespondierende konkave Form aufweist. Beispielsweise ist der konvex geformte Endabschnitt dachförmig, d.h. mit zwei winklig zueinander angeordneten, im Wesentlichen ebenen Flächen ausgebildet, während der konkav geformte Endabschnitt mit entsprechender Negativform, d.h. als Kanal mit zwei winklig zueinander angeordneten, im Wesentlichen ebenen Flächen ausgebildet ist.
  • Wie in Fig.1 angedeutet, weist ein Endabschnitt eines Trägerelements 4 eine Bohrung 7, insbesondere eine gewindelose Bohrung, auf, während der andere Endabschnitt des Trägerelements bzw. der gegenüberliegende Endabschnitt des gegenüberliegenden, im Eingriff stehenden Trägerelements eine Gewindebohrung aufweist (nicht dargestellt), in die eine Schraube 8 eingeschraubt werden kann. Alle vier Trägerelemente 4 sind identisch ausgebildet. Es kann somit mit einer einzigen Form von Trägerelementen gearbeitet werden.
  • Die Elektroden 2 sind vorteilhafterweise aus Graphit oder einem Metall bzw. einer Legierung mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten, wie Eisen-Nickel Legierungen oder Eisen-Nickel-Kobalt Legierungen, z.B. Invar, Vacon oder einem ähnlichen Material gebildet. Die Isolierstücke 3 sind aus einem Nicht-Leiter, wie z.B. Quarz bzw. Quarzglas, Keramik oder Kunststoff gebildet.
  • Auch die halbkreisförmigen Trägerelemente 4 sind aus Graphit oder einem Metall bzw. einer Legierung, vorteilhafterweise mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten, wie Eisen-Nickel Legierungen oder Eisen-Nickel-Kobalt Legierungen, z.B. Invar oder einem ähnlichen Material gefertigt. Insbesondere sind sie aus dem gleichen Material gefertigt wie die Elektroden 2.
  • Nachdem zunächst die Elektroden 2 einer Halbschale 5 unter Zwischenschaltung der Isolierstücke 3 auf das vordere und das hintere Trägerelement 4 aufgeklebt oder aufgelötet worden sind, werden die Elektroden und vorzugsweise auch die Endabschnitte 6 der Trägerelemente 4 bearbeitet. Die Bearbeitung erfolgt durch Formschleifen, Erodieren und/oder andere formgebende Verfahren und zwar in der Weise, dass in einem einzigen Arbeitsgang auf den zunächst runden Elektrodenrohlingen eine im wesentlichen hyperbolische oder ähnlich gekrümmte Fläche und an den Endabschnitten 6 der Trägerelemente 4 jeweils eine konvexe und eine konkave Kontur entsteht.
  • Auf die beschriebene Weise werden zwei Halbschalen gebildet und dann mittels der Schrauben 8 und der Bohrung 7 und den nicht dargestellten Gewindebohrungen zu einem Quadropolmassenfilter verschraubt. Fig. 3 zeigt eine der beiden Halbschalen in einer vergrößerten Ansicht. Fig. 3A zeigt diese Halbschale sowie einen Schleifstein S zur Bearbeitung der Elektroden 2 und der Endabschnitte 6 der Trägerelemente 4. Dieser Schleifstein S wird auf die Elektroden 2 und die Endabschnitte 6 aufgesetzt und zum Schleifen wird der Schleifstein S relativ zu den Elektroden 2 und den Endabschnitten 6 in Längsrichtung der Elektroden hin- und hergeschoben, bis die Elektroden 2 und die Endabschnitte 6 der Trägerelemente die gewünschte Form erhalten haben.
  • Fig. 3B zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 1', die - wie die in den vorstehend beschriebenen Figuren gezeigte Ausführungsform - vier langgestreckte, parallel angeordnete Elektroden 2 aufweist, die unter Zwischenschaltung von Isolierstücken 3' an Trägerelementen 4' befestigt sind. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Trägerelemente 4' jedoch wesentlich länger und erstrecken sich über einen weiten Teil der Elektroden 2. Deshalb reicht es bei dieser Ausführungsform aus, bei jeder Halbschale nur ein Trägerelement 4' vorzusehen, an dem dann bspw. zwei Elektroden 2 befestigt werden. Durch diese langgestreckten Trägerelemente 4' können die Elektroden 2 ohne weiteres auch an mehreren weiteren Stellen, insbesondere unter Zwischenschaltung weiterer Isolierstücke 3' an dem jeweiligen Trägerelement 4' befestigt werden. Hierdurch erreicht man eine weitere Lagefixierung der Elektroden 2 und kann insbesondere einen Verzug der Elektroden 2 verhindern bzw. substantiell reduzieren. Im in Fig. 3B gezeigten Ausführungsbeispiel weist das obere Trägerelement 4' einen Ausbruch A auf, der jedoch nur zur Veranschaulichung des Inneren dieser Elektrodenanordnung 1' dient. Dank dieses Ausbruchs A ist erkennbar, dass die Elektroden 2 mittels weiterer Isolierstücke 3', bspw. in der Mitte der Elektrodenanordnung 1' an dem jeweiligen Trägerelement 4' befestigt sind. Der Ausbruch A hat jedoch rein darstellerische Gründe. D.h., die Trägerelemente 4' sind vorzugsweise ohne derartige Durchbrüche (abgesehen von Bohrungen bzw. Gewindebohrungen zur Befestigung der Trägerelemente 4' miteinander oder Durchbrüchen zur Verbesserung von Abpumpeigenschaften und damit eines Vakuums innerhalb der Elektrodenanordnung) ausgebildet.
  • Abgesehen von der Länge unterscheiden sich jedoch die in Fig. 3B dargestellten Trägerelemente 4' nicht substantiell von den in Fig. 1 bis 3A dargestellten Trägerelementen 4, so dass insoweit auf die Ausführungen in Bezug auf die übrigen Figuren Bezug genommen wird.
  • Zwar wurde vorstehend die Bildung eines Quadropols mit zwei Halbschalen beschrieben. Es können jedoch auch andere mehrpolige Elektrodenanordnungen mittels des beschriebenen Verfahrens mit entsprechendem Aufbau gebildet werden. Bspw. kann alternativ auch ein Hexapol mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt werden, das entweder aus zwei Halbschalen mit jeweils drei Elektroden oder drei Drittelschalen mit jeweils zwei Elektroden besteht.
  • Alternativ kann mittels des beschriebenen Verfahrens auch ein Oktopol hergestellt werden, dass dann entweder aus vier Viertelschalen mit jeweils zwei Elektroden oder aus zwei Halbschalen mit jeweils vier Elektroden besteht.
  • Allen derartigen Elektrodenanordnungen ist gemein, dass die Elektroden 2 in gleichen Winkeln bzgl. der Mittelachse der Elektrodenanordnung angeordnet sind. Auf diese Weise erreicht man eine hohe Symmetrie des sich zwischen den Elektroden bildenden Feldes.
  • Durch das beschriebene Verfahren ergibt sich eine Elektrodenanordnung mit extrem geraden Elektrodenstäben, die eine sehr hohe Parallelität zueinander aufweisen, wobei die Gesamtanordnung aufgrund der Ausbildung der Endabschnitte im wesentlichen vollständig symmetrisch montiert werden kann. Die dank dieses Herstellungsverfahrens erzielbaren Genauigkeiten der Elektrodenoberflächen zueinander liegen im Bereich von kleiner als 1 µm. Trotz dieser hohen Genauigkeiten ist die Fertigung der einzelnen Teilschalen (Halbschalen, Drittelschalen, Viertelschalen etc.) mit geringem Aufwand durchführbar.
  • Es wurde ferner herausgefunden, dass eine hyperbolische Form der Elektroden nur dann sehr gute Resultate liefert, wenn die Elektrodenkörper relativ breit sind, damit die Feldverzerrungen, die durch scharfes Abschneiden des Feldes hervorgerufen werden können, nicht störend wirken. Demgegenüber haben Rundelektroden im Zentrum der Anordnung einen großen Feldfehler, der jedoch zum Rand der jeweiligen Elektroden abnimmt, wo der Feldfehler geringer wird, weil dort das Feld nicht abrupt aufhört, sondern durch die Rundung harmonisch ausläuft.
  • Angesichts dieser Erkenntnis wurde eine Elektrodenform gefunden, die in Fig. 4 näher dargestellt ist. In Fig. 4 ist ein Rundstabelektrodenrohling 9 dargestellt, der eine kreisförmige Kontur aufweist. Dieser Rohling 9 wird - in der Ausrichtung gemäß Fig. 4 - vor der Bearbeitung an seiner rechten Seite beschliffen, so dass er eine hyperbolische Form 10 erhält. Der entsprechende hyperbolische Abschnitt HA wird durch den Winkel α definiert, der sich auf den Kreismittelpunkt des Elektrodenrohlings 9 bezieht und zwischen den Schnittpunkten P, P' des sich durch das Beschleifen bildenden kreisförmigen Abschnitts KA und des hyperbolischen Abschnitts HA bezieht. Dieser Winkel α ist vorteilhafterweise größer gleich 45°. Bevorzugterweise liegt der Winkel α zwischen 45° und 90°.
  • An jedem dieser Schnittpunkte P bzw. P' kann eine Tangente sowohl an dem den Rohling umschreibenden Kreis K sowie eine weitere Tangente an die Hyperbel des hyperbolischen Abschnitts HA gelegt werden. Beide Tangenten schließen einen Winkel β ein, der vorzugsweise kleiner gleich 45° ist, insbesondere kleiner gleich 30° ist. In den in Fig. 3 und 4 gezeigten Beispielen beträgt der Winkel α ca. 90° und der Winkel β ca. 14°.
  • In Fig. 4 sind ferner die Hyperbelasymptoten gestrichelt dargestellt. Ihr Schnittpunkt ist mit M bezeichnet. Vorzugsweise fällt dieser Schnittpunkt mit dem Zentrum M der Elektrodenanordnung zusammen. Der geringste Abstand der fertig geschliffenen Elektrode, d.h. der Abstand zwischen dem hyperbolischen Abschnitt HA der Elektrode zum Zentrum M der Elektrodenanordnung ist in Fig. 4 mit r0 dargestellt. Fig. 4 veranschaulicht schematisch lediglich einen Quadranten eines Quadropols mit dem Zentrum M.
  • Die Fig. 5 bis 7 zeigen weitere Beispiele bearbeiteter bzw. beschliffener Rundstäbe. In dem Beispiel gemäß Fig. 5 ist der Rundstabrohling 9 derart beschliffen, dass der hyperbolische Abschnitt HA einen Winkel α =54,4° aufweist. Bei einem derartigen Winkel ergibt sich der Winkel β zu 3,3°.
  • In dem Beispiel gemäß Fig. 6 ist der Rundstabrohling 9 derart beschliffen, dass der hyperbolische Abschnitt HA einen Winkel α =87,4° aufweist. Bei einem derartigen Winkel ergibt sich der Winkel β zu 14°.
  • Elektroden, die wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt beschliffen sind, haben den Vorteil eines weichen Übergangs des hyperbolischen Abschnitts HA zu dem kreisförmigen Abschnitt KA der Elektrode. Ferner muss lediglich ein geringer Teil des Elektrodenrohlings entfernt werden. Darüber hinaus können kostengünstige Rundstäbe als Ausgangsmaterial benutzt werden. Auf diese Weise können kostengünstige Elektroden für mehrpolige Elektrodenanordnungen bei hoher Maßhaltigkeit hergestellt werden.
  • Die Erfindung ist aber nicht auf die vorstehend beschriebenen Verhältnisse des hyperbolischen Abschnitts HA zum kreisförmigen Abschnitt KA beschränkt. Die Erfindung erlaubt auch eine Verschiebung der dargestellten Verhältnisse zu Gunsten des hyperbolischen Abschnitts HA. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 7 dargestellt. Bei diesem Beispiel beträgt der Winkel des hyperbolischen Abschnitts HA α=171,1°. Hieraus ergibt sich ein Winkel β=57,1°.
  • Alle vorstehend genannten Zahlenwerte bedeuten keinerlei Beschränkung der Erfindung auf derartige Zahlenwerte. Insbesondere sind Abweichungen von +/-10 bis 30% dieser Zahlenwerte als ebenfalls offenbart anzusehen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung einer mehrpoligen Elektrodenanordnung (1) zur Fokussierung oder Massenfilterung eines Strahls geladener Teilchen, wobei die Anordnung eine Mehrzahl langgestreckter, parallel zu einer Achse angeordneter Elektroden (2) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    a) Befestigen mehrerer rundstabförmiger Elektrodenrohlinge (9) - jedoch nur eines Teils der für die Elektrodenanordnung (1) vorgesehenen Gesamtanzahl von Elektroden (2) - an einem Trägerelement (4) oder jeweils gemeinsam an mehreren Trägerelementen (4),
    b) gleichzeitiges Bearbeiten von Endabschnitten (6) des bzw. der Trägerelemente (4) zusammen mit den an diesem bzw. diesen Trägerelementen (4) befestigten Elektrodenrohlingen (9) in einem Arbeitsgang derart, dass jeder Elektrodenrohling (9) durch die Bearbeitung zu einer Elektrode (2) wird, die einen Querschnitt mit einem kreisförmigen Abschnitt (KA) und einem nicht-kreisförmigen, insbesondere im wesentlichen hyperbelförmigen, Abschnitt (HA) aufweist, und am Ende dieser gleichzeitigen Bearbeitung das bzw. jedes der Trägerelemente (4) zwei unterschiedlich geformte, jedoch in ihrer Form aneinander angepasste Endabschnitte (6) aufweist,
    c) die Schritte a) und b) mehrfach und zwar so oft durchgeführt werden, bis die für die Elektrodenanordnung (1) vorgesehene Gesamtanzahl von Elektroden (2) bereitgestellt ist, wobei im Schritt a) jeweils ein bzw. mehrere eigene Trägerelemente (4) zur Befestigung verwendet werden und
    d) die Trägerelemente (4) nebst daran befestigten Elektroden (2) derart zusammengefügt werden, dass mehrere Trägerelemente (4) einen bzw. mehrere geschlossene und die Elektroden (2) umschließende mehrteilige Tragkörper (5) bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) die Elektrodenrohlinge (9) unter Zwischenschaltung wenigstens eines Isolierorgans (3) an dem bzw. den Trägerelementen (4) zur elektrischen Isolation von Elektrodenrohling (9) und Trägerelement (4) befestigt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierorgan (3) aus einem Nicht-Leiter, insbesondere Quarz bzw. Quarzglas, Keramik und/oder Kunststoff besteht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Elektrodenrohling (9) und/oder jedes Trägerelement (4) aus Graphit oder einem Metall bzw. einer Legierung besteht, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Graphits oder Metalls bzw. der Legierung im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolierorgans (3) ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Trägerelement (4) zwei Endabschnitte (6) aufweist, von denen einer konkav und der andere konvex geformt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Trägerelement (4) an jedem Endabschnitt (6) eine Bohrung (7) oder Gewindebohrung aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Trägerelement (4) an einem seiner beiden Endabschnitte (6) eine gewindelose Bohrung (7) und an seinem anderen Endabschnitt eine Gewindebohrung aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten durch Schleifen, Erodieren und/oder andere formgebende Verfahren erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) zwei Elektrodenrohlinge (9) unter Zwischenschaltung jeweils eines Isolierorgans (3) an zwei Trägerelementen (4) befestigt werden, die Schritte a) und b) zweifach durchgeführt werden, so dass vier Elektroden (2) für die Elektrodenanordnung (1) bereitgestellt werden und im Schritt d) jeweils zwei Trägerelemente (4) zu einem mehrteiligen Tragkörper (5) zusammengefügt werden.
  10. Mehrpolige Elektrodenanordnung zur Fokussierung oder Massenfilterung eines Strahls geladener Teilchen, wobei die Anordnung eine Mehrzahl langgestreckter, parallel zu einer Achse angeordneter Elektroden (2) aufweist, wobei jede Elektrode (2) einen Querschnitt mit einem nicht-kreisförmigen, insbesondere im wesentlichen hyperbelförmigen, Abschnitt (HA) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    a) jede Elektrode (2) rundstabförmig ist und der Querschnitt jeder Elektrode (2) zusätzlich zum nicht-kreisförmigen Abschnitt (HA) einen kreisförmigen Abschnitt (KA) aufweist,
    b) zwei oder mehr Elektroden (2) - jedoch nur ein Teil der für die Elektrodenanordnung (1) vorgesehenen Gesamtanzahl von Elektroden (2) - an einem von den Elektroden (2) separat gebildeten Trägerelement (4) oder jeweils gemeinsam an mehreren von den Elektroden (2) separat gebildeten Trägerelementen (4) befestigt sind,
    c) jedes Trägerelement (4) zwei unterschiedlich geformte, jedoch in ihrer Form aneinander angepasste Endabschnitte (6) aufweist und
    d) die Trägerelemente (4) nebst daran befestigten Elektroden (2) derart zusammengefügt sind, dass mehrere Trägerelemente (4) einen bzw. mehrere geschlossene und die Elektroden (2) umschließende mehrteilige Tragkörper (5) bilden.
  11. Mehrpolige Elektrodenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode (2) jeweils unter Zwischenschaltung wenigstens eines Isolierorgans (3) an dem bzw. den Trägerelementen (4) zur elektrischen Isolation von Elektrode (2) und Trägerelement (4) befestigt ist.
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