EP4143856A1 - Electrode structure for guiding a charged particle beam - Google Patents

Electrode structure for guiding a charged particle beam

Info

Publication number
EP4143856A1
EP4143856A1 EP21722192.8A EP21722192A EP4143856A1 EP 4143856 A1 EP4143856 A1 EP 4143856A1 EP 21722192 A EP21722192 A EP 21722192A EP 4143856 A1 EP4143856 A1 EP 4143856A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
path
electrode
along
electrode structure
charged particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21722192.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Zimmermann
Michael SEIDLING
Peter Hommelhoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Original Assignee
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU filed Critical Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Publication of EP4143856A1 publication Critical patent/EP4143856A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21KTECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/087Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by electrical means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/147Arrangements for directing or deflecting the discharge along a desired path
    • H01J37/1472Deflecting along given lines
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/05Electron or ion-optical arrangements for separating electrons or ions according to their energy or mass
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/147Arrangements for directing or deflecting the discharge along a desired path
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/05Arrangements for energy or mass analysis
    • H01J2237/057Energy or mass filtering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/15Means for deflecting or directing discharge
    • H01J2237/151Electrostatic means
    • H01J2237/1516Multipoles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26Electron or ion microscopes

Definitions

  • the present invention relates to an electrode structure for guiding a charged particle beam, for example an electron beam, a system having such an electrode structure and a method for guiding a charged particle beam.
  • the invention relates to an electrode structure, a system and a method with which a beam of charged particles can be guided along a longitudinal path in a transversely enclosed manner.
  • Electrode structures which lead a beam of charged particles transversely enclosed along a path, are used, among other things, in mass spectroscopy, laser spectroscopy or to realize quantum computers.
  • electrode structures are designed as linear Paul traps, which enclose charged particles transversely in a time-oscillating inhomogeneous electrical field.
  • the electric field used for the transverse inclusion is generated by longitudinally extended electrodes, for example longitudinally extended rods, to which a high-frequency alternating voltage is applied.
  • the charged particles in the inhomogeneous alternating field of a Paul trap lead to a fast oscillation (micromotion, micromotion) with the frequency of the applied AC voltage and a significantly slower drift movement (secular motion) in the inhomogeneous electrical field, with the slow secular movement dominating on average over time.
  • the secular movement always takes place in the direction in which the magnitude of the electric field decreases the most, so that the charged particles can be included in all transversal directions at those locations where the magnitude of the inhomogeneous alternating field is at a minimum.
  • the strength of the transverse inclusion of the charged particles in a linear Paul trap is proportional to the frequency and amplitude of the alternating electric field.
  • a strong transverse confinement therefore requires high frequencies and amplitudes. This applies in particular to light particles, such as electrons, which react quickly to changes in the electrical field over time and therefore require even higher frequencies for stable confinement than heavier particles, for example ions.
  • a stable inclusion of light particles is therefore only possible with great technical difficulties and requires alternating fields with frequencies in the high gigahertz range and powers of several 100 W. Such alternating fields can only be technically high due to the power losses occurring in the trap structures and the associated thermal load Effort can be used for entrapping charged particles.
  • An electrode structure for guiding a beam of charged particles, for example an electron beam, along a longitudinal path has multipolar electrode configurations with DC voltage electrodes that are spaced apart from one another along the longitudinal path.
  • the electrode arrangements are designed to generate static multipole fields centered around the path in transverse planes oriented perpendicular to the longitudinal path, the field strengths of the static multipole fields in the transverse planes each having a local minimum at the location of the path and with increasing distance from the location of the Increase path.
  • Field directions of the static multipole fields vary periodically along the path with a period length, so that the particles propagating along the path are exposed to an inhomogeneous alternating electric field due to their own motion and experience a transverse restoring force in the direction of the longitudinal path on average over time.
  • the present invention is based on the knowledge that a transversal inclusion of charged particles can be generated not only with an alternating electric field, but also with static electric fields if the static electric fields vary periodically along the path and the particles move along the path move.
  • the static electrical fields that change spatially along the path generate a temporally oscillating field which, on average over time, can create a transverse confinement in the same way as a dynamic alternating field of conventional multipole traps.
  • An effective frequency with which the alternating field resulting from spatially successive static fields is given by the ratio of a longitudinal speed of the particles along the path and the period length with which the multipole fields vary along the longitudinal path.
  • the electrical multipole fields used for the transverse confinement are generated solely by static electrode voltages in the electrode structure according to the invention, the technical requirements for generating the trap fields are considerably reduced compared to alternating fields. In particular, no expensive and complex high-frequency sources and amplifiers are necessary for operating the electrode structure. Instead, the electrode voltages can be generated with simple DC voltage sources. Since the operation of direct voltage electrodes does not require an impedance-matched load, the electrical power losses on direct voltage electrodes are significantly lower than when using alternating voltage electrodes, and high electrode voltages can be generated with the direct voltage electrodes according to the invention in a much simpler way than with alternating voltage electrodes. For example, for an electrode voltage of 1 kV, which can be generated with open direct voltage electrodes with a conventional high voltage source with little effort, an alternating current output of 20 kW would be required with an impedance-matched termination with 50 ohms.
  • the electrode structure can have direct voltage electrodes of the individual electrode arrangements arranged one behind the other along the longitudinal path.
  • the electrode structure can include at least one row of DC voltage electrodes running along the longitudinal path.
  • the electrode structure can comprise four or six rows of direct voltage electrodes running parallel to the path.
  • the DC voltages of the individual rows applied to the individual DC voltage electrodes can vary periodically, for example change periodically.
  • two DC voltage electrodes can be arranged per row, which are alternately applied with a first and a second electrode voltage and have opposite polarities with respect to a reference potential, for example with respect to ground.
  • DC voltage electrodes which are arranged transversely next to one another in parallel rows, can also alternately have the first and second electrode voltage.
  • a mean value of the first and second electrode voltages can be 0 V, so that the first and second electrode voltages have different polarities and the charged particles are exposed to an alternating field oscillating around the ground potential of 0 V due to their own motion.
  • the mean value of the first and second electrode voltage can also be different from zero.
  • the DC voltage electrodes of the individual electrode arrangements can be arranged opposite one another in a first direction around the path. In this case, it is particularly possible for no DC voltage electrodes to be arranged laterally next to the path in a second direction oriented perpendicular to the first direction. This makes it possible to offset the DC voltage electrodes of successive electrode arrangements laterally in the second direction and thereby bend the path in the second direction. As an alternative, the DC voltage electrodes can also be arranged on only one side of the path or surround the path on all sides.
  • the DC voltage electrodes can each have the same longitudinal electrode length parallel to the longitudinal path.
  • a base area of the direct voltage electrodes, which is formed in the conductor layer, can along the longitudinal path in each case through sides running parallel to the path be limited. Furthermore, the base areas can be delimited in the longitudinal direction by two opposite sides oriented perpendicular to the path.
  • the base areas of the direct voltage electrodes of individual electrode arrangements can, for example, be rectangular, for example in sections in which the longitudinal path runs straight.
  • the electrode arrangements can generate multipole fields in the transverse planes, the dominant portion of which corresponds to a quadrupole field or a hexapole field or multipole fields of a higher order.
  • the dominant portion of the generated multipole fields can also vary along the path, which enables a particularly pronounced structuring of the potential transversely enclosing the particles.
  • the generated multipole fields can also be designed as mixed fields in which multipole components of at least two or more multipole orders are essentially equally strong and differ from one another, for example, by less than 20%, less than 10%, less than 5% or less than 1%.
  • the individual multi-pole electrode arrangements each form multi-pole lenses with a longitudinally periodic, for example longitudinally alternating, polarity.
  • the multipole lenses can be, for example, quadrupole lenses or hexapole lenses.
  • the electrode arrangements accelerate the charged particles in the transverse planes each along at least one spatial axis in the direction of the path and along at least one further spatial axis away from the location of the path. Due to the periodic variation of the electrode voltages of the direct voltage electrodes along the path, the polarity of the multipole lenses produced changes in each case, so that the charged particles experience periodically changing accelerations in each spatial direction.
  • the electrode voltages can be adjusted to the dimensions Solutions of the DC voltage electrodes and the speed of the charged particles must be adapted so that a stability parameter derived from a harmonic component of the electrical alternating field defines an operating point within the stability range of a linear multipole trap, for example a linear quadrupole trap.
  • the stability parameter q AC is derived from an ideal transverse quadrupole field with field amplitudes where x, z are the coordinates in the transverse plane and y are the coordinates along the longitudinal path.
  • Such an ideal quadrupole field is generated by the linear quadrupole trap sketched in FIG. 1 with hyperbolic electrodes.
  • this stability parameter can be transferred to the present electrode structure if U AC is replaced by half the voltage difference U DC of the static electrode voltages and the frequency W is set as W-2p-.
  • I denote? J the longitudinal le velocity of the particles and L P is the period length with which the electrode voltages of the direct voltage electrodes vary along the longitudinal path.
  • scaling has to be carried out with a geometry factor h ⁇ 1, which describes the deviations of the multipole field generated by the DC voltage electrodes from a longitudinally homogeneous ideal quadrupole field.
  • the stability parameter of the alternating field generated by the intrinsic movement of the electrons then results where R is the minimum path distance of the longitudinal path from the DC electrodes.
  • the square of the amount of the electric field that the DC voltage electrodes generate in the transverse planes oriented perpendicular to the path is averaged over a period length L P and with the square of the time-averaged field amount of the electric field E x , E y , E z compared to the ideal linear quadrupole trap.
  • the square of the magnitude of the electric field of the direct voltage electrodes averaged over the period length L P in transverse planes oriented perpendicular to the path around the location of the longitudinal path with a quadratic function of the shape 2 4 U 2
  • the period length L p the minimal distance R of the path from direct voltage electrodes and the direct voltage U DC applied to the direct voltage electrodes are adapted to the longitudinal velocity v / of the guided particles that the stability parameter q DC assumes a value that defines an operating point within the stability range of a linear quadrupole trap.
  • the stability range and its dependence on q DC are, inter alia, in Section II. A and FIG. 1b) of the above-mentioned publication by Leibfried et al. described.
  • the stability range includes all values 0 ⁇ q D c - 0.92.
  • the transverse movement of the charged particles in the vicinity of the path can also be described by a ponderomotive restoring force in the direction of the path.
  • a ponderomotive force describes the time-averaged drift movement of charged particles in an oscillating inhomogeneous electromagnetic alternating field. It is given by the low-frequency component of the force that a spatially inhomogeneous high-frequency electromagnetic field exerts on a charged particle.
  • the ponderomotoric force is proportional to the transverse gradient of the time-averaged field amount and can be determined by a scalar ponderomotor potential be described, where (E 2 ) denotes the field strength of the electric field averaged over an oscillation period.
  • (E 2 ) is for each point that is oriented perpendicular to the path transverse planes given by an average value of the square of the absolute value of the electrical field, the average values being formed in the longitudinal direction over a period length L P.
  • a stable inclusion of the charged particles along the longitudinal path is then achieved in the electrode structure according to the invention in that the field amount or the field strengths of the static multipole fields generated by the electrode arrangements have a local minimum at the location of the path.
  • the ponderomotive potential also has a local minimum at the location of the path, in which the charged particles are enclosed by the transverse restoring force oriented in the direction of the path.
  • the ponderomotive potential is independent of the sign of the charge of the charged particles.
  • the charged particles guided in the electrode structure can be both negatively charged particles, for example electrons, and positively charged particles, for example ions.
  • the electrode structure can in particular be used in an electron microscope for guiding an electron microscope beam.
  • the multipole fields generated by the electrode arrangements can also have a higher order multipole component instead of a quadrupole component in the lowest order.
  • the stability parameter of the alternating field can be used, as in D. Gerlich: "Inhomogeneous RF fields: a versatile tool for the study of processes with slow ions” in Advances in Chemical Physics: State- Selected and State-to-State lon- Molecule Reaction Dynamics. Part 1. Experiment, vol. 82, John Wiley & Sons, 1992, pp. 42, generalized to where n is the order of the multipole field.
  • n is the order of the multipole field.
  • the period length L P , the minimum distance R of the path from direct voltage electrodes and the direct voltage U DC applied to the direct voltage electrodes can generally be adapted to the longitudinal velocity v / of the guided particles in such a way that the stability parameter q assumes a value , which defines an operating point within the stability range of a linear multipole of the nth order.
  • n can be the lowest or dominant multipole order of the static multipole fields generated by the electrode arrangements.
  • U A can also be at least 1 V, at least 10 V, at least 100 V or at least 1 kV.
  • the electrode arrangement can enclose the charged particle beam transversely over a length of at least 0.1 mm, 1 mm, 10 mm, 50 mm or 100 mm and / or at most 300 mm, 500 mm or 1000 mm.
  • the electrode arrangements can be designed to include the charged particle beam transversely over the entire length of the electrode structure.
  • the electrode arrangements can guide the beam as a single beam. In this case, all charged particles, which travel along the lon-
  • the longitudinal path is guided out of the electrode arrangement at the same point.
  • the longitudinal path can, for example, be curved in one or two transverse directions.
  • the electrode arrangements in particular the shape and / or the spacing and / or the number of DC voltage electrodes of the individual electrode arrangements, can change along the longitudinal path in such a way that the transverse potential generated by the electrode arrangements exhibits structural changes along the path.
  • the number of local minima of the electric field strength of the multipole fields can change along the path, so that the path splits transversely into two or more partial paths and the charged particles entering the electrode structure are divided into at least a first and a second part for example emerge from the electrode structure at different points
  • the multipole fields can change in particular in transversal planes spaced apart by the period length along the path, with, for example, a lowest and / or dominant order of the multipole fields and / or a strength of the multipole fields varying. This enables a particularly simple structural change in the transverse potenti as generated by the electrode arrangements.
  • the change in the multipole fields in transversal planes, which are spaced apart with the length of the period, is superimposed on the periodic variation of the field directions of the static multipole fields.
  • the change can take place via a change length which is greater than the period length with which the field directions of the static multipole fields vary periodically.
  • the length of change can be at least five times, at least ten times, at least 20 times or at least 50 times greater than the period length.
  • a radius of curvature of a curvature of the longitudinal path resulting from the change can be greater than a minimum radius of curvature, with a The centrifugal force acting on the surface corresponds to the transverse restoring force in the ponderomotive potential, which acts on the charged particles on average over time.
  • the electrode structure comprises electrode arrangements formed as a fork, the electrode arrangements of the fork varying along the path in such a way that the path can be split into a first partial path and a second partial path, so that a first part of the charged particles along the first Partial path and a second part of the charged particles can be performed along the second partial path.
  • the charged particles are guided, in particular trapped transversely, along the first and second partial paths, so that a loss-free splitting of the particle beam is made possible. Since the transversal inclusion of the charged particles is effected by static electric fields and such static fields have no effect on the quantum mechanical coherence of the particle beam, the charged particle beam can also be split up coherently.
  • the partial paths can be split at an angle of at most 1 °, at most 0.6 °, at most 0.1 °, at most 0.05 °, at most 0.01 ° or at most 0.005 ° in the area of the fork.
  • the smaller the angle at which the partial paths split the lower the excitations that the charged particles experience in the transverse ponderomotive potential, and the lower the losses in the area of the fork.
  • a dominant multipole component of the static multipole fields of the electrode arrangements is formed by a quadrupole component on an input side of the path and / or on the respective output sides of the partial paths in the transversal planes.
  • the dominant multipole component can be caused by a multipole development of the electric field in the transversal planes and is given by the lowest non-zero multipole tensor, in the case of a quadrupole component that is, by the quadrupole tensor of the multipole expansion.
  • the electrode arrangements each comprise three direct voltage electrodes arranged next to one another in a transverse direction with an inner electrode and two outer electrodes arranged on both sides of the inner electrode, the inner and outer electrodes of the individual electrode arrangements forming three rows of electrodes running along the longitudinal path a transverse width of the inner electrodes is increased along the longitudinal path.
  • a transverse trap minimum centered on the input side about the longitudinal path can be split in a simple manner into two separate transverse trap minimums centered about the first and second partial path.
  • the increase in the transverse width of the inner electrode leads to a continuously increasing transverse distance between the partial paths.
  • the fork is set up to split the entering charged particles simultaneously into the first and second parts of charged particles and at the same time to guide the first part of charged particles along the first partial path and the second part of charged particles along the second partial path.
  • a fork thus forms a beam splitter for the charged particles guided along the path.
  • the charged particle beam can be split evenly into a first part and a second part.
  • the particle beam can be split up in a quantum-mechanically coherent manner, so that the quantum-mechanical wave functions of the charged particles propagating along the first and second partial paths have a fixed phase relationship to one another.
  • such a fork can form an amplitude beam splitter in which the quantum mechanical wave functions of the particles in the two partial paths, in particular their amplitudes and phases, are determined solely by the geometry of the transverse ponderomotive potential and the wave functions of the exiting particles are determined independently of the Coherence properties of the particles entering the fork are.
  • the angle at which the partial paths split can be selected, depending on the longitudinal speed of the particles, in particular in such a way that the energy of the transverse excitation in the area of the fork is smaller than an energy difference of quantum states in the transversal ponderomotive potential, for example smaller than an energy difference between the two lowest-energy quantum states of the ponderomotor potential.
  • a fork that splits the charged particle beam into the first and second parts at the same time can be implemented, for example, with the electrode arrangements whose DC electrodes are arranged in the three rows of electrodes running along the longitudinal path and in which the transverse width of the inner electrodes is aligned along the longitudinal path enlarged.
  • the outer electrodes of the individual electrode configurations can each have the same electrode voltage, the electrode voltage of the outer electrodes differing from the electrode voltage of the inner electrode.
  • a dominant multipole component of the static multipole fields of the electrode arrangements is formed in at least one transversal plane by a hexapole component.
  • a hexapole field is the lowest order multipole field with which a point of intersection of the ponderomotive potential can be realized, at which the longitudinal path splits into the first and second partial path.
  • the fork is set up to guide the charged particles entering selectively either as the first part along the first partial path or as the second part along the second partial path.
  • the fork can therefore be operated as a kind of switch.
  • the first part of the charged particles guided along the first partial path and the second part of the charged particles guided along the second partial path are formed by parts of a beam of charged particles entering the electrode structure propagating one after the other along the longitudinal path.
  • a fork designed as a switch makes it possible to guide the charged particles along the first or second partial path in a targeted manner.
  • the partial paths can be components of a larger, branched network of individual paths along which the charged particles are guided and interact with one another, for example interact quantum mechanically. Such ge Targeted interactions are required, for example, to implement quantum computers.
  • the fork in the form of a switch can be implemented, for example, in that the inner electrodes of the individual electrode assemblies are optionally connected to the direct voltages of the outer electrodes on a first side of the inner electrodes or to the DC voltages of the outer electrodes can be applied to a second side of the inner electrodes which is opposite the first side.
  • the static multipole fields generated by the electrode arrangements vary along the path in such a way that only first charged particles and not second charged particles experience stable inclusion along the path, the first charged particles having a longitudinal first velocity and the second charged particles have a second longitudinal speed different from the first speed.
  • the electrode arrangements thus act as an energy filter, which only allows the first charged particles to pass.
  • the present invention also relates generally to a use of the electrode structure described or its developments as an energy filter for charged particles guided along a longitudinal path.
  • the stability of the particle trajectories unlike conventional multi-pole traps, does not depend on the charge-to-mass ratio of the charged particles, but solely on the acceleration voltage U A and thus on the longitudinal energy of the charged particles.
  • the electric multipole fields can alternate along the longitudinal path about an average multipole field of zero.
  • the electrode arrangement acts as a high-pass filter, the high-energy, but does not conduct low-energy charged particles.
  • the electrode arrangements only conduct charged particles with energies that result from acceleration voltages U A for which q DC ⁇ 0.92 applies.
  • the multipole fields alternate along the path by a mean multipole field that is different from zero, so that the particles guided along the path, in addition to the inhomogeneous alternating electric field, are exposed to an inhomogeneous static overlay field defined by the mean multipole field and only the first charged particles and the second charged particles do not make stable transverse oscillation along the path.
  • the mean multipole field can in particular be a quadrupole field as a first approximation.
  • such a static superimposed field would correspond to a bias voltage of the longitudinal electrodes with a static multipole voltage, for example with a static quadrupole voltage in the case of a linear Paul trap.
  • a bias voltage of the longitudinal electrodes with a static multipole voltage for example with a static quadrupole voltage in the case of a linear Paul trap.
  • An electrode arrangement in which the multipole fields oscillate around a multipole field other than zero therefore acts as a bandpass filter which only transmits charged particles with longitudinal energies from a value range limited on both sides.
  • a first stability parameter derived from the alternating field and a second stability parameter derived from the superimposed field can define an operating point for the first charged particles within the stability range of a linear multipole trap, for example a linear quadrupole trap, and for the second charged particles an operating point outside the stability range of the linear multipole trap .
  • the first corresponds to the stability parameter the stability parameter q DC
  • the second stability parameter derived from the superposition field for a quadrupole trap is given by
  • U 0 denotes the mean value by which the electrode voltages alternate along the longitudinal path.
  • the second stability parameter a DC of the quadrupole trap can be generalized to an nth order multipole field in the same way as the first stability parameter q DC , and is then given by
  • the stability parameters and thus the operating point of the electrode structure depend only on the longitudinal energy of the particles or the acceleration voltage U A. All operating points for a given ratio U 0 / U DC lie on a straight line through the origin in the stability diagram. By adapting the ratio U 0 / U DC , the slope of this straight line and thus the transmission range of the implemented energy filter can be varied.
  • the values of U DC and U 0 can be selected in such a way that the degree of origin given by the ratio U 0 / U DC intersects the stability range only over a predetermined length or, within the scope of the measurement accuracy, only in a single point.
  • the period length of the longitudinal variation of the field directions of the static multipole fields is less than 60 mm, for example less than 10 mm, 6 mm, 1 mm or 0.1 mm.
  • the smaller the period length the smaller the stability parameters q DC , a DC or q n , a n , which leads to less micromovement and thus to more stable trajectories.
  • a small period length enables the charged particles to be guided in a stable manner even at high longitudinal energies.
  • a longitudinal distance between the individual electrode arrangements is less than 10 mm, for example less than 1 mm,
  • the electrode arrangements are arranged directly adjacent to one another along the longitudinal path.
  • the distances between the individual electrode arrangements can be particularly small and the transverse ponderomotive potential can be particularly large.
  • the DC voltage electrodes of adjacent electrode arrangements can be arranged next to one another, in particular without intervening spacer electrodes, for example without intervening ground electrodes.
  • the electrode arrangements have the same distances from one another along the longitudinal path. In the rest system of the charged particles, the alternating electrical field generated by the DC voltage electrodes then varies regularly along the path and approximates a harmonic oscillation particularly well.
  • a longitudinal length of the electrode structure along the path is at least 1 mm, 10 mm, 50 mm or 100 mm and / or at most 300 mm, 500 mm or 1000 mm.
  • the electrode structure is on the one hand compact enough to be used in conventional electron microscopes or mass spectrometers, on the other hand it is large enough to allow sufficient deflection of the beam along the longitudinal path and, for example, complete splitting of the particle beam.
  • the DC voltage electrodes are formed in at least one conductor layer oriented parallel to the path and structured along the path. This enables simple production and alignment of the DC voltage electrodes relative to one another.
  • the arrangement of the DC voltage electrodes in such a conductor layer also allows the potential generated by the DC voltage electrodes to be structured in a small area.
  • the longitudinal path can be curved in one or two transverse directions or the path can split transversely into two or more partial paths .
  • a fork or a beam splitter for splitting a beam of free charged particles can also be implemented in a simple manner with the present electrode structure.
  • the conductor layer for forming the electrodes consists of an electrically conductive material, for example a metal or semiconductor material.
  • the conductor layer can for example comprise gold or copper, in particular at least on a surface facing the charged particles.
  • the conductor layer can have minimum structure sizes of at most 1 mm, 100 gm, 50 gm, 10 gm or 1 gm.
  • the width of the insulating gaps between individual DC voltage electrodes can correspond to the minimum structure sizes mentioned.
  • the conductor layer can for example have been structured by means of a microfabrication technique such as lithography, laser processing or electron beam cutting.
  • the DC voltage electrodes are formed in two conductor layers arranged at a distance from one another, the conductor layers being aligned, for example, parallel to one another.
  • the conductor layers being aligned, for example, parallel to one another.
  • stronger multipole fields and thus also a stronger transverse ponderomotive potential can be generated with two conductor layers spaced apart from one another.
  • the conductor layers arranged so as to be spaced apart from one another can be arranged, for example, on two opposite sides of the longitudinal path.
  • the DC electrodes of the electrode assemblies in the two conductor layers are mirror-symmetrical to one another, DC electrodes lying opposite one another in the two conductor layers having, for example, opposite polarities.
  • Such electrode arrangements generate a particularly uniform and strong multipole field.
  • Direct voltage electrodes lying opposite one another in the two conductor layers can generally also have different electrode voltages, the electrode voltages being able to be of the same polarity as well as of different polarity.
  • the individual electrode arrangements in each conductor layer can have two direct voltage electrodes arranged transversely next to one another have, with different electrode voltages, for example different electrode voltages of the same amount and opposite polarity, have within the individual conductor layers transversely next to one another arranged DC voltage electrodes.
  • the generated multipole field forms, as a first approximation, a quadrupole field which generates a harmonic transverse ponderomotive potential.
  • the individual electrode arrangements in each conductor layer can also have three direct voltage electrodes arranged transversely next to one another, with different electrode voltages within the individual conductor layers having different electrode voltages, for example different electrode voltages of the same amount and opposite polarity.
  • the generated multipole field can, in a first approximation, form a hexapole field, by means of which a point of intersection for splitting the particle beam can be realized.
  • the structured conductor layer is arranged on a surface running parallel to the longitudinal path, the surface being, for example, a flat surface or a surface curved around the longitudinal path. This allows a particularly simple production and relative alignment of the direct voltage electrodes formed in the structured conductor layer.
  • a further conductor layer opposite the structured conductor layer can be arranged on a further surface running parallel to the longitudinal path.
  • the structured conductor layer is arranged on a carrier structure, for example on a carrier plate or carrier film.
  • the carrier structure can, for example, form a substrate to which the conductor layer is applied. Coating methods with which the conductor layer can be applied to the substrate include, for example, a chemical or physical vapor deposition, doctor blade coating, electroplating or the like.
  • the carrier structure stabilizes the conductor layer and, in addition to the conductor layer, can also comprise further conductor structures, for example feed lines for making contact with the DC voltage electrodes.
  • a feed line which contacts individual DC voltage electrodes of the electrode arrangements is formed in a further conductor layer of the support structure that runs parallel to the conductor layer and is connected to the DC voltage electrodes via through-contacts running through the support structure.
  • the DC voltage electrodes of the individual Electrode arrangements can each be acted upon with two oppositely polarized DC voltages.
  • the multipole generated by the electrode arrangements can then be designed as symmetrical with respect to a common ground potential of the two oppositely polarized DC voltages, so that the longitudinal path is then also at ground potential.
  • the charged particles can then be field-free along the longitudinal path Space areas lying at ground potential enter the electronic structure without being excited transversely.
  • a system with the electrode structure according to the claims and an acceleration device is also specified, the acceleration device being set up to accelerate the charged particles with a predetermined acceleration voltage and then to feed them along the longitudinal path into the electrode structure and with the acceleration voltage and on Electrode voltages applied to the multi-pole electrode arrangements are matched to one another in such a way that the accelerated charged particles, on average over time, execute stable transverse oscillation around the location of the longitudinal path.
  • the acceleration voltage and the electrode voltages can be matched to one another in such a way that the stability parameters q DC and a DC define an operating point within the stability range of a linear multipole trap, for example within the stability range of a linear quadrupole trap.
  • the system can also include one or more DC voltage sources, for example high voltage sources.
  • the acceleration device is set up to accelerate several types of charged particles, for example simultaneously, to the acceleration voltage and to feed them into the electrode structure along the longitudinal path. Since the stability of the particle trajectories along the longitudinal path depends only on the acceleration voltage U ⁇ with which the charged particles were accelerated before entering the electrode structure, but not on the mass or the charge-to-mass ratio of the individual charged particles the electrode structure is designed to transversely load simultaneously charged particles of different mass and / or charge to lead closed. As a result, chemical reactions at low particle energies or quantum mechanical interactions involving various types of charged particles can be carried out with the present electronic structure.
  • the system is designed as an electron microscope and the charged particle beam is an electron microscope beam for irradiating a microscope object.
  • the present invention therefore relates in particular to the use of the electrode structure according to the claims in an electron microscope.
  • all the advantages and developments that are disclosed in connection with the electrode structure according to the claims also relate to the use of the electronic structure in an electron microscope and vice versa.
  • the electrode structure according to the claims makes it possible, for example, to improve a conventional electron microscope in such a way that the electron beam can be easily deflected or split transversely. If the electron beam is split up, the microscope object can be examined with two separate coherent electron beams, for example, and in particular an interaction of the microscope object with one of the coherent electron beams can be detected on the basis of changes in the other coherent electron beam.
  • Electrodes structures according to the claims can also be cascaded, so that charged particles emerging from a preceding electrode structure enter a subsequent electrode structure.
  • the electrode structures can each include bifurcations designed as beam splitters, so that a particle beam entering the cascaded electrode structures is split into a plurality of partial beams, in particular into more than two partial beams.
  • a method for electrostatically guiding a beam of charged particles along a longitudinal path is also specified, the method comprising the following steps:
  • the method can include accelerating the charged particles with a predetermined acceleration voltage.
  • the specified acceleration voltage and the electrode voltages arranged on the DC voltage electrodes can be coordinated with one another in such a way that the stability parameters q n and a n or q DC and a DC an operating point within the stability range of a linear multipole trap, for example within the stability range of a linear quadrupole trap, define.
  • Fig. 2 shows a system for guiding a charged particle beam with an electrode structure
  • Fig. 3 is a perspective view of a first embodiment of the electrode structure
  • FIG. 4 shows a plan view of a first conductor layer of the electrode structure
  • FIG. 7 shows a plan view of a conductor layer of an electrode structure according to a second embodiment
  • FIG. 8 shows a plan view of a further conductor layer of the electrode structure according to the second embodiment
  • FIG. 10 shows a detailed view of leads on an output side of the electrode structure according to the second embodiment
  • FIG. 11 shows experimental detector signals for detecting electrons on the output side of the electrode structure according to the second embodiment
  • FIG. 13 shows an intensity of the detector signal of a guided beam of electrons as a function of an acceleration voltage and an electrode voltage
  • 14 shows an intensity of the detector signal of a guided beam of heli umionen as a function of the acceleration voltage and the electrode voltage; 15 shows a plan view of a conductor layer of a third embodiment of the electrode structure;
  • FIG. 17 shows a stability diagram of the electrode structure according to the third embodiment
  • FIG. 18 shows a plan view of a first conductor layer of a fourth embodiment of the electrode structure formed as a fork
  • 21 shows detector signals for detecting electrons on the exit side of the fork
  • FIG. 23 shows a plan view of a first conductor layer of a further alternative embodiment of the fork
  • the system 1 shows a system 1 for guiding a beam 10 of charged particles along a longitudinal path 20.
  • the system 1 comprises an accelerator 60 for accelerating the charged particles with a predetermined acceleration voltage 62 and an electrode structure 100 with a planar structure arranged along the path 20 Conductor layer 212.
  • the charged particles After the charged particles have been accelerated in the acceleration device 60 with the acceleration voltage 62, they enter a ponderomotive potential generated by the conductor layer 212 along the path 20 on an input side 150 of the electrode structure 100, which the charged particles along the path 20 in directions perpendicular to the path 20 transversely a closes.
  • After the charged particles have crossed the transversely enclosing pondromotor potential along the path 20, they leave the potential on an output side 152 of the electrode structure 100.
  • the electrode structure 100 shown in FIG deflect transversely along a curve.
  • the system 1 also includes a DC voltage source 75, which is connected to the electrode structure 100 and provides all of the electrode voltages 51, 52 necessary to generate the ponderomotori potential for the DC voltage electrodes of the electrode structure 100 (not shown in FIG. 2). Furthermore, the system 1 comprises an acceleration voltage source 73 which is connected to the acceleration device 60 and which provides the acceleration voltage 62.
  • the direct voltage source 75 and the acceleration voltage source 73 are connected to a control device 70, which specifies the acceleration voltage 62 and the electrode voltages 51, 52 applied to the direct voltage electrodes of the electrode device 100 and coordinates them in such a way that the charged particles along the path 20 have stable trajectories within of the ponderomotive potential.
  • FIG. 3 shows a section of a perspective illustration of a first embodiment of the electrode structure 100, in which the path 20, along which the charged particles 11 are guided at a longitudinal speed 16, runs straight in a longitudinal direction 101.
  • the electrode structure 100 comprises a planar first conductor layer 212 and a planar second conductor layer 222 arranged opposite one another of the first conductor layer 212 in a height direction 103 oriented perpendicular to the longitudinal direction 101.
  • hen direction 103 a distance 201 of 1 mm from each other.
  • the conductor layers 212, 222 extend along the longitudinal direction 101 and along a transverse direction 102 oriented perpendicular to the longitudinal direction 101 and the height direction 103.
  • the distance can generally also be less than 10 mm, less than 5 mm, less than 1 mm, less than 0.5 mm, less than 0.1 mm, less than 0.05 mm or less than 0 .01 mm.
  • the first conductor layer 212 comprises a first row 251 of direct voltage electrodes 120 running along the longitudinal direction 101 and a second row 252 of direct voltage electrodes 120 running parallel to the first row 251 in the transverse direction 102 longitudinal direction 101 arranged alternately as first DC voltage electrodes 121 and DC voltage electrodes 120 formed as second DC voltage electrodes 222.
  • the first and second DC voltage electrodes 121, 122 are each arranged in pairs next to one another.
  • the first and second DC voltage electrodes 121, 122 each have opposite polarities with respect to ground, the first DC voltage electrodes 121 being acted upon by a first DC voltage 51 provided by the DC voltage source 75 and the second DC voltage electrodes 122 being acted upon by a second DC voltage 52 provided by the DC voltage source 75 .
  • the DC voltages 51, 52 are polarized in opposite directions with respect to ground and have the same amount of voltage U DC with respect to ground, so that the first DC voltage 51 + f / DC and the second DC voltage 52 -U DC .
  • the DC voltage electrodes 120 are also if in a first row 251 and a second row 252 along the longitudinal Nal direction 101 arranged, wherein the first and second rows 251, 252 of the first and second conductor layer 212, 222 are opposite one another in the device 103 height direction.
  • direct voltage electrodes 120 formed alternately as first counter-electrodes 123 and second counter-electrodes 124 are arranged in the longitudinal direction 101.
  • the first counter electrodes 123 lie opposite the first DC voltage electrodes 121 of the first conductor layer 212 and the second counter electrodes 124 lie opposite the second DC voltage electrodes 122 of the first conductor layer 212.
  • the first counterelectrodes 123 have the second direct voltage 52 and the second counterelectrodes 124 have the first direct voltage 51 applied to them.
  • the direct voltage electrodes 120 are arranged in the two rows 251, 252 at a distance 111 of 1.4 mm from one another and have an electrode length 141 of 1.3 mm in the longitudinal direction 101 on.
  • the DC voltage electrodes 120 are formed in a ground area 125 of the first conductor layer 212 and are electrically insulated from the ground area 125 by insulating gaps 129.
  • the electrode structure 100 has a length 105 of, for example, 100 mm in the longitudinal direction 101.
  • the ground surface 125 forms ground electrodes which separate the DC voltage electrodes 120 of the individual electrode arrangements 110 from one another along the longitudinal direction 101.
  • the DC voltage electrodes 120 each have an electrode width 140 of 1.4 mm.
  • the insulating gap 129 which surrounds the DC voltage electrodes 120, has a gap width 142 of 0.1 mm.
  • the first and second conductor layers 212, 222 are designed mirror-symmetrically with respect to the center plane 108.
  • the first conductor layer 212 is arranged on a first surface 211 of a first carrier structure 210 and the second conductor layer 222 is arranged on a second surface 221 of a second carrier structure 220.
  • the carrier structures 210, 220 each have further conductor layers 214, 224, in each of which a first lead 215 and a second lead 216 are formed.
  • the leads 215, 216 run in the conductor layers 214, 224 along the longitudinal path 20, respectively.
  • the first lead 215 has the first electrode voltage 51 applied to it, and the second lead 216 has the second electrode voltage 52 applied to it.
  • the first DC voltage electrodes 121 and the second counter-electrodes 124 are connected to the respective first supply lines 215 of the conductor layers 214, 224 via vias 218, which each run through the carrier structures 210, 220 and the second DC voltage electrodes 122 and the second counter electrodes 124 are connected via analog vias 218 to the respective second leads 216 of the conductor layers 214, 224.
  • the individual electrode arrangements 110 each form quadrupole lenses centered around the path 20 with longitudinally alternating polarity. In the rest system of the charged particles 11 propagating along the path 20, the electrode arrangements 110 generate an oscillating quadrupole field with an effective frequency W
  • the mean value (E 2 ) of the square magnitude of the electric field was formed over a period length 112, the square magnitude of the field being formed from all three spatial field components E x , E y , E z along the direction 101, 102, 103.
  • the ponderomotive potential Y forms a harmonic potential which generates a linear restoring force in the direction of the path 20 in all directions 102, 103 perpendicular to the longitudinal path 20.
  • FIG. 7 shows a second embodiment of the electrode structure 100, in which the charged particles 11 are guided along an S-shaped path 20.
  • a plan view of the first conductor layer 212 of the electrode structure 100 is shown in FIG. 7.
  • the second embodiment shown in FIG. 7 is the Electrode structure 100 is formed, as disclosed in connection with the first embodiment shown in FIGS. 3 to 5, and vice versa.
  • the electrode structure 100 has a first contact surface 217 on a longitudinal side, which via a through-hole contact 218 with the first supply line
  • FIG 8 shows a plan view of the further conductor layer 214 of the second embodiment of the electrode structure 100.
  • the viewing direction is oriented counter to the height direction 103, so that a side of the further conductor layer 214 facing the first carrier structure 210 can be seen.
  • first feed line 215 branching out into two sub-lines arranged on both sides of the second feed line 216.
  • the partial lines of the first feed line 215 and the second feed line 216 each run in a meandering manner alongside one another along the path 20.
  • FIG. 9 shows a detailed view of the leads 215, 216 on the input side 150 of the electrode structure 100 and FIG. 10 shows a detailed view of the leads 215, 216 on the output side 152 of the electrode structure 100
  • DC voltage electrodes 120 formed first conductor layer 212 are shown in dashed lines.
  • the second DC voltage electrodes 122 are successively connected in an electrically conductive manner via the plated-through holes 218 to the second feed line 216 running between the two sub-lines of the first feed line 215.
  • the partial lines of the first supply line 215 are each alternating with the first DC voltage electrodes 121 along the longitudinal direction 101 via vias 218 of the individual electrode arrangements 110 are electrically conductively connected.
  • the contacting of the DC voltage electrodes 121, 122 shown in FIGS. 8 to 10 can also take place analogously in the first embodiment of the electrode structure 100.
  • FIGS. 11a and 11b show experimental detector signals for the detection of electrons with a kinetic energy of 2.5 keV, which emerge on the output side 152 from the ponderomotive potential of the S-shaped electrode structure 100 according to the second embodiment.
  • FIGS. 12a and 12b show analog detector signals for helium ions for the same acceleration voltage 62 of 2.5 kV.
  • the transverse inclusion of the charged particles in the transverse ponde romotor potential generated by the electrode structure 100 is independent of the mass of the charged particles 11 with the same acceleration voltage 62.
  • Fig. 13 shows the intensity 80 of the detector signal of the guided beam 10 of electrons as a function of the acceleration voltage 62 and the Electrode voltages 51, 52 and Fig. 14 shows the corresponding intensity 80 of the detector Led steel 10 gate signal of helium ions.
  • both types of charged particles 11 are stably guided along the longitudinal path when the stability parameter qoc given by the ratio of electrode voltage UDC and acceleration voltage UA is between 0.4 and 0.9.
  • the effective frequencies ü 2n ⁇ 2 QUA f M _ are given, which for the respective
  • L p gene particle results from the acceleration voltage UA, which determines the kinetic energy of the particles. Further experimental investigations have shown that the stated limits of the stability parameter qoc are also valid for ions of greater mass, for example for neon, argon, krypton or xenon ions.
  • effective frequencies of more than 5 GHz in particular of more than 6.5 GHz, can be generated for electrons.
  • Alternative embodiments of the electrode structure 100 with shorter period lengths 112 can also be designed to generate frequencies of more than 10 GHz, for example of more than 50 GHz, 100 GHz, 500 GHz or 1 THz, effective for electrons. For example, with a period length 112 of 56 pm for electrons with a kinetic energy of 1 keV, an effective frequency of 330 GHz can be generated.
  • the third embodiment of the electrode structure 100 shows a plan view of the first conductor layer 212 of a third embodiment of the electrode structure 100.
  • the third embodiment of the electrode structure 100 is designed as disclosed for the first embodiment and vice versa.
  • the DC voltage electrodes 120 unlike in the first embodiment, are arranged directly adjoining one another along the longitudinal path 20.
  • the third embodiment of the electrode structure 100 has none in the longitudinal direction 101 between the individual electrode arrangements 110 arranged sections of the ground plane 125. Instead, the individual DC voltage electrodes 120 are spaced apart in the longitudinal direction 101 by a longitudinal spacing 111 which corresponds to the gap width 142 between the DC voltage electrodes 120 and the ground plane 125.
  • all other described embodiments of the electrode structure 100 can also have DC voltage electrodes 120 which, as shown in FIG. 15, are arranged directly adjacent to one another.
  • the third embodiment of the electrode structure 100 shown in FIG. 15 is also designed to generate multipole fields designed as quadrupole fields in the transverse planes 30, which alternate along the path 20 by a multipole field which is different from zero and is also designed as a quadrupole field. This is achieved in that electrode arrangements 110 lying next to one another along the longitudinal direction 101 each generate multipole fields with opposite polarity and different field magnitudes.
  • first DC voltage electrodes 131 with a first electrode voltage U 0 + U DC and second DC voltage electrodes 132 with a second electrode voltage U 0 - U DC are alternately arranged in the first row 251, the first and second electrode voltages having a first mean value U 0 .
  • first and second electrode voltages having a first mean value U 0 .
  • third DC voltage electric are the 133 with a third electrode voltage -U 0 - and fourth U DC DC clamping voltage electrodes 134 with a fourth electrode voltage -U 0 + U DC angeord net, wherein the third and fourth electrode voltage a second mean -U Have 0 .
  • the first and second mean values are symmetrical around the ground potential of 0 V.
  • the first and second mean values can also be symmetrical around a potential other than zero, which causes an electrical potential at the location of path 20 that is different from zero.
  • DC voltage electrodes 120 are each either as first DC voltage electrodes 131 with the first electrode voltage U 0 + U DC and as third DC voltage electrodes 133 with the third electrode voltage -U Q - U DC or as second DC voltage electrodes with the second electrode voltage U 0 - U DC and fourth DC voltage electrode 134 with the fourth electrode voltage -U 0 + U DC formed.
  • the third embodiment of the electrode structure 100 also comprises counter-electrodes which are opposite the DC voltage electrodes 120 in the height direction 103, with electrodes lying opposite one another in the height direction 103 as well as in the transverse direction Direction 102 next to each other arranged electrodes each have different electrode voltages.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing the contacting of the disposed in the first conductor layer 212 DC voltage electrodes 120 by the first electrode voltage U 0 + U DC leading first lead 135, a second electrode voltage U 0 - U DC leading second supply line 136, a third Electrode voltage -U Q - U DC leading third lead 137 and a fourth electrode voltage -U Q + U DC leading fourth lead 138.
  • the leads 135, 136, 137, 138 each run parallel to one another in the further conductor layer 214 on the side of the carrier structure 210 opposite the first conductor layer 212 and are electrically conductively connected to the DC voltage electrodes 120 of the first conductor layer 212 by means of individual vias 218.
  • FIG. 17 shows a stability diagram 400 of the electrode structure according to the third embodiment, the stability diagram corresponding to the stability diagram of a linear quadrupole trap.
  • a stability range 405 comprises all value pairs from the first stability parameter 401 (q DC ) and the second stability parameter 402 (a DC ), for which the charged particles 11 propagate on stable trajectories along the path 20.
  • the stability range 405 is limited for large values of the first stability parameter 401 by a first stability limit 407 and for small values of the first stability parameter 401 by a parabolic second stability limit 408 running through the origin.
  • the operating parameters for all acceleration voltages U A are on a working line 410, which is a straight line through the origin with a gradient of 2U 0 / U DC .
  • Individual acceleration voltages U A or partial Chene energies then define operating points 411, 412 on the working line 410, the operating points 411, 412 moving away from the origin with decreasing acceleration voltage U A or particle energy.
  • a first operating point 411 shown in FIG. 17 thus corresponds to a first acceleration voltage and the second operating point 412 also shown corresponds to a higher, second acceleration voltage.
  • a passage area 415 which is defined by the intersection of the stability area 405 with the working line 410, then determines the particle energies at which the charged particles 11 execute stable trajectories in the ponderomotive potential of the electrode structure 100.
  • FIG. 18 shows a representation, not true to scale, of a first conductor layer 212 of a fourth embodiment of the electrode structure 100. Unless there are differences from the figures and the description, the fourth embodiment of the electrode structure 100 shown in FIG the first embodiment shown in Figures 3 to 5 is disclosed and vice versa.
  • the fourth embodiment of the electrode structure 100 is designed as a fork 300 to guide the charged particles along a path 20 which splits into a first partial path 21 and a second partial path 22.
  • the individual electrode arrangements 110 each include three DC voltage electrodes 120 arranged next to one another in the transverse direction 102, the DC voltage electrodes 120 along the longitudinal direction 101 in an inner row of electrodes 320 and in two outer electrode rows 330, 340 running in the transverse direction 102 on both sides of the inner electrode row 320 are arranged.
  • the individual DC voltage electrodes 120 have a length of 550 ⁇ m in the longitudinal direction 101 and a spacing of 750 ⁇ m from one another.
  • the electrode structure 100 has a length 105 of 113 mm along the longitudinal direction 101.
  • the fork 300 forms a beam splitter which splits the charged particles 11 simultaneously into a first part propagating along the first partial path 21 and into a second part propagating along the second partial path 22.
  • Denbond to the DC electrodes 120 of the individual electrode rows 320, 330, 340 are in the longitudinal direction 101 alternately a first electric + f / DC, and an oppositely polarized second electrode clamping voltage -U DC applied.
  • the first and second electrode voltages + U DC , -U DC are alternately applied to the DC voltage electrodes 120 of the individual electrode arrangements 110, which are arranged next to one another in the transverse direction 102, so that in the transverse direction 102 adjacent DC voltage electrodes 120 are each different Have electrode voltage.
  • the fork 300 comprises a flat second conductor layer 222, which is arranged parallel to the first conductor layer 212 at a distance 201 of 1 mm.
  • the electrode structure of the second conductor layer 222 corresponds to the electrode structure of the first conductor layer 212 mirrored at the center plane 108.
  • the direct voltage electrodes 120 of the first outer electrode row 330 each form first outer electrodes 331 and the direct voltage electrodes 120 of the second outer electrode row 340 Second outer electrodes 341 in each case.
  • Inner electrodes 321 of the inner electrode row 320 are arranged between the outer electrodes 331, 341.
  • first outer counter-electrodes 332 are arranged, which are opposite the first outer electrodes 331 of the first conductor layer 212, second outer counter-electrodes 342, which are opposite the second outer electrodes 341 of the first conductor layer 212, and inner counter-electrodes 322, which are the inner electrodes 321 of the first conductor layer 212 are opposite.
  • the DC electrodes 321, 331, 341 of the first conductor layer 212 and the counter electrodes 322, 332, 342 opposite the individual DC electrodes 321, 331, 341 have different electrode voltages. For example, if the two outer electrodes 331, 341 of the first conductor layer 212 have the first electrode voltage + U DC and the inner electrode 321 has the second electrode voltage -U DC , then the two outer counter-electrodes 332, 342 are at the second electrode voltage -U DC and the inner counter electrodes 322 at the first electrode voltage + U DC .
  • the two outer electrodes 331, 341 and the inner counter-electrodes 322 then have the second electrode voltage -U DC and the inner electrode 321 and the two outer counter-electrodes 332, 342 have the first electrode voltage + f / DC on.
  • the fork 300 On the sides of the carrier structures 210, 220 facing away from the conductor layers 212, 222, the fork 300 has two first leads 215 carrying the first electrode voltage + f / DC and two second leads 216 carrying the second electrode voltage -U DC , the first and second Supply lines 215,
  • the feed lines 215, 216 of the fork 300 run meander-shaped along the longitudinal direction 101.
  • the feed lines 215, 216 arranged on the inside of the first carrier structure 210 each contact either one of the outer electrodes 331, 341 or the inner electrode 321, 322 alternately , while the two externally arranged supply lines 215, 216 are alternately connected in the longitudinal direction 101 to every second first or second outer electrode 331, 341.
  • the counterelectrodes 322, 332, 342 are contacted on the second carrier structure 220 in an analogous manner.
  • the DC voltage electrodes 120 of the inner electrode row 320 widen continuously along the longitudinal direction 101.
  • the inner electrodes 321, 322 have a transverse width 325 of 300 ⁇ m and on the output side 152 a transverse width 325 of 2.2 mm.
  • the outer electrodes 331, 332, 341, 342 each have a constant transverse width 335 of 1.4 mm along the longitudinal direction 101.
  • the fork 303 is designed to generate a multipole field with a dominant quadrupole component in the transverse planes 310 located on the input side 150.
  • the corresponding ponderomotive potential 44 is shown in a transverse section in FIG. 20 a and has a single minimum at the location of the longitudinal path 20.
  • the electrode arrangements 110 generate a multipole field with a dominant flexapole portion due to the widening of the central electrodes 321, 32 in a transverse plane 311.
  • the associated ponderomotive potential 44 is shown in FIG. 20b and has two minima spaced apart along the transverse direction 102 at the location of the two partial paths 21, 22.
  • the fork 300 At the output side 152, the fork 300 generates a multipole field in a transverse plane 312, the dominant components of which are two quadrupole fields with two centers spaced apart along the transverse direction 102 at the location of the partial paths 21, 22.
  • the associated The ponderomotive potential 44 is shown in FIG. 20c and has two minima at the location of the two partial paths 21, 22, which have a significantly greater transverse distance from one another than the two minima of the potential shown in FIG. 20b.
  • 21 a shows a corresponding detector signal with an electron beam split into a first part 12 and a second part 14.
  • Fig. 21a shows an experimental detector signal with grounded DC voltage electrodes 120, which only detects a single unguided beam 15 of electrons.
  • the fork 300 splits the entering beam 10 of charged particles simultaneously into the first and second parts 12, 14.
  • the fork treatment 300 can also be designed to selectively split the incoming beam 10 of charged particles either into the first part 12 propagating along the first partial path 21 or into the second part 14 propagating along the second partial path 22, so that the fork acts as a switch.
  • a selective splitting is possible, for example, if the fork 300 is designed to supply either the electrode voltage of the transversely adjacent first outer electrodes 331, 332 or the electrode voltage of the transversely adjacent second outer electrodes to the individual inner electrodes 321 and the corresponding counter-electrodes 322 Electrodes 341, 342 to apply. If the electrode voltage of the transversely adjacent first outer electrodes 331, 332 is applied to the inner electrodes 321, 322, the charged particles follow the path along the second outer electrodes 341, 342. If, on the other hand, the electrode voltage of the transversely adjacent second outer electrodes 341, 342 is applied to the inner electrodes 321, 322, the charged particles follow the first partial path 21 running along the first outer electrodes 331, 332.
  • the fork 300 includes a first lead 351 and a second lead 352 for each of the electrode rows 320, 330, 340, the leads 351, 352 being arranged in the further conductor layer 214 and alternating in the longitudinal direction 101 via vias 218 with the direct voltage electrodes 120 of the individual rows 320, 330, 340 are connected.
  • the first leads 351 of the outer rows of electrodes 330, 340 each carry the first electrode voltage and the second leads 352 of the outer rows of electrodes 330, 340 each carry the second electrode voltage.
  • the first lead 351 can be supplied with the first electrode voltage and the second lead 352 with the second electrode voltage or the first lead 351 with the second electrode voltage and the second lead 352 with the first electrode voltage.
  • the inner electrodes 321 and the first outer electrodes 331 are at the same electrode voltage and the charged particles follow the second partial path 22 along the second row of outer electrodes 340.
  • the inner electrodes 321 and the second outer electrodes 341 are located on the same electrode voltage and the charged particles follow the first partial path 21 along the first outer row of electrodes 330.
  • the counter electrodes are contacted in an analogous manner such that electrodes opposite one another in the height direction 103 have different and opposite electrode voltages.
  • 23 shows a further alternative embodiment of the fork 300, with which a beam of charged particles entering along the path 20 can be guided selectively along the first or second partial path 21, 22.
  • the further alternative embodiment of the fork 300 shown in FIG. 23 is designed like the alternative embodiment shown in FIGS. 18, 19 and 22 and vice versa.
  • the fork 300 illustrated in FIG. 23 has a first group 115 of electrode arrangements 110 which are arranged along the first path 21 and a second group 116 of electrode arrangements 110 which are arranged along the second partial path 22. In this case, only the DC voltage electrodes of the electrode arrangements 110 arranged in the first conductor layer 212 are shown in FIG. 23.
  • the electrode arrangements 110 of the first group 115 and the electrode arrangements 110 of the second group 116 are each arranged alternately along the longitudinal direction 101.
  • the fork 300 is designed to selectively apply either the direct voltage electrodes of the first group 115 of electrode arrangements 110 with the first and second direct voltage in order to guide the charged particles along the first partial path 21, or the direct voltage electrodes 120 of the second group 116 to apply the first and second direct voltage of electrode arrangements 110 in order to guide the charged particles along the second partial path 22.
  • the further alternative embodiment shown in FIG. 23 does not require supply lines to one and the same DC voltage electrode 120 to be optionally applied with the first or second DC voltage. Instead, the in Fig. 23 further alternative embodiment shown, all DC voltage electrodes to be connected only to a single voltage source, whose output can be optionally connected to a single electrode voltage or to ground.
  • the electron microscope 500 comprises an acceleration device 60 which generates an electron beam 10 and accelerates it with the acceleration voltage UA. After exiting the acceleration device 60, the electron beam 10 is imaged on the output side 152 of the fork 300 on the output of the first partial path 21 by means of beam optics 510, which comprise several electron lenses 512, so that the electrons are enclosed transversely along the first partial path 21 to the Propagate entrance side 150 of fork 300.
  • beam optics 510 which comprise several electron lenses 512
  • an electron game 513 is arranged, which reflects the electrons propagating along the path 20 back into the gift 300.
  • the electron beam 10 is then split into a first component propagating along the first partial path 21 and a second partial beam propagating along the second partial path 22.
  • the first part is imaged by the beam optics 510 back in the direction of the acceleration device 60, the second part onto a microscope object 520.
  • the fork 300 can coherently split the quantum mechanical wave functions of the electrons after reflection at the electron mirror 513 into transverse quantum states of the first and second partial paths 21, 22. These coherent quantum states can then be used to only use the microscope object 520 in the manner of the quantum Zeno effect image minimal interaction between the electron beam 10 and the Mikrosko piessen 520.
  • the measurement method is based on the fact that the presence of the microscope object 520 prevents the electrons from spreading in the second partial path 22. Due to the coherence of the wave functions, this can then be detected in that a higher proportion of the electron beam 10 is reflected back from the electron mirror 513 into the first partial path 21 than would be the case in the absence of the microscope object 520.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

The invention relates to an electrode structure for guiding and, for example, splitting a charged particle beam, for example an electron beam, along a longitudinal path, having multipolar electrode assemblies which are mutually spaced along the longitudinal path and which comprise DC voltage electrodes. The electrode assemblies are designed to generate static multipolar fields which are centered about the path on transversal planes oriented perpendicularly to the longitudinal path, wherein the field strength of each of the static multipolar fields on the transversal planes has a local minimum at the location of the path, and the field strength increases as the distance to the location of the path increases. Field directions of the static multipolar fields vary periodically along the path with a period length such that the particles propagating along the path are exposed to a non-homogenous electric alternating field on the basis of the inherent movement of the particles and are subjected to a transversal restoring force in the direction of the longitudinal path, averaged over time.

Description

Elektrodenstruktur zum Führen eines Strahls geladener Teilchen Electrode structure for guiding a charged particle beam
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur zum Führen eines Strahls geladener Teilchen, beispielsweise eines Elektronenstrahls, ein System mit einer derartigen Elektrodenstruktur und ein Verfahren zum Führen eines Strahls geladener Teilchen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elektroden struktur, ein System und ein Verfahren, mit welchen ein Strahl geladener Teilchen transversal eingeschlossen entlang eines longitudinalen Pfades geführt werden kann. The present invention relates to an electrode structure for guiding a charged particle beam, for example an electron beam, a system having such an electrode structure and a method for guiding a charged particle beam. In particular, the invention relates to an electrode structure, a system and a method with which a beam of charged particles can be guided along a longitudinal path in a transversely enclosed manner.
Elektrodenstrukturen, welche einen Strahl geladener Teilchen transversal einge schlossen entlang eines Pfades führen, werden unter anderem in der Massen spektroskopie, der Laserspektroskopie oder zur Realisierung von Quantencompu tern verwendet. Üblicherweise sind derartige Elektrodenstrukturen als lineare Paul-Fallen ausgebildet, welche geladene Teilchen transversal in einem zeitlich oszillierenden inhomogenen elektrischen Feld einschließen. Das für den transver salen Einschluss verwendete elektrische Feld wird dabei von longitudinal ausge dehnten Elektroden, beispielsweise von longitudinal ausgedehnten Stäben, er zeugt, an welche eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird. Electrode structures, which lead a beam of charged particles transversely enclosed along a path, are used, among other things, in mass spectroscopy, laser spectroscopy or to realize quantum computers. Typically, such electrode structures are designed as linear Paul traps, which enclose charged particles transversely in a time-oscillating inhomogeneous electrical field. The electric field used for the transverse inclusion is generated by longitudinally extended electrodes, for example longitudinally extended rods, to which a high-frequency alternating voltage is applied.
Solange die Teilchen den hochfrequenten Oszillationen des elektrischen Feldes aufgrund ihrer Massenträgheit nur verzögert folgen können und der Gradient des elektrischen Feldes in den transversalen Richtungen nicht zu groß wird, führen die geladenen Teilchen im inhomogenen Wechselfeld einer Paul-Falle eine schnelle Oszillation (Mikrobewegung, micromotion) mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung und eine deutlich langsamere Driftbewegung (Säkularbewe gung, secular motion) im inhomogenen elektrischen Feld aus, wobei im zeitlichen Mittel die langsame Säkularbewegung dominiert. Die Säkularbewegung erfolgt dabei immer in diejenige Richtung, in die der Betrag des elektrischen Feldes am stärksten abnimmt, so dass ein Einschluss der geladenen Teilchen in alle trans versalen Richtungen an denjenigen Orten möglich ist, an denen der Feldbetrag des inhomogenen Wechselfeldes ein Minimum aufweist. As long as the particles can only follow the high-frequency oscillations of the electric field with a delay due to their mass inertia and the gradient of the electric field in the transverse directions does not become too large, the charged particles in the inhomogeneous alternating field of a Paul trap lead to a fast oscillation (micromotion, micromotion) with the frequency of the applied AC voltage and a significantly slower drift movement (secular motion) in the inhomogeneous electrical field, with the slow secular movement dominating on average over time. The secular movement always takes place in the direction in which the magnitude of the electric field decreases the most, so that the charged particles can be included in all transversal directions at those locations where the magnitude of the inhomogeneous alternating field is at a minimum.
Legt man die zulässige Amplitude der Mikrobewegung und damit die Stabilität der gesamten Teilchenbewegung fest, so ist die Stärke des transversalen Einschlus ses der geladenen Teilchen bei einer linearen Paul-Falle proportional zur Fre quenz und Amplitude des elektrischen Wechselfeldes. Ein starker transversaler Einschluss erfordert daher hohe Frequenzen und Amplituden. Dies gilt insbeson dere für leichte Teilchen, wie beispielsweise Elektronen, welche schnell auf zeitli che Änderungen des elektrischen Feldes reagieren und daher nochmals höhere Frequenzen für einen stabilen Einschluss erfordern als schwerere Teilchen, bei spielsweise Ionen. If the permissible amplitude of the micromovement and thus the stability of the entire particle movement is determined, the strength of the transverse inclusion of the charged particles in a linear Paul trap is proportional to the frequency and amplitude of the alternating electric field. A strong transverse confinement therefore requires high frequencies and amplitudes. This applies in particular to light particles, such as electrons, which react quickly to changes in the electrical field over time and therefore require even higher frequencies for stable confinement than heavier particles, for example ions.
Ein stabiler Einschluss leichter Teilchen ist daher nur unter großen technischen Schwierigkeiten möglich und erfordert Wechselfelder mit Frequenzen im hohen Gigahertz-Bereich und Leistungen von mehreren 100 W. Derartige Wechselfelder können aufgrund der an den Fallenstrukturen anfallenden Verlustleistungen und der damit einhergehenden thermischen Belastung nur mit hohem technischen Aufwand für den Einschluss geladener Teilchen verwendet werden. A stable inclusion of light particles is therefore only possible with great technical difficulties and requires alternating fields with frequencies in the high gigahertz range and powers of several 100 W. Such alternating fields can only be technically high due to the power losses occurring in the trap structures and the associated thermal load Effort can be used for entrapping charged particles.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Elektrodenstruktur zum Führen eines Strahls geladener Teilchen, ein System mit einer derartigen Elektrodenstruktur und ein Verfahren zum Führen eines Strahls geladener Teilchen anzugeben, welche den Strahl geladener Teilchen transversal stark einschließen. Zugleich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, den Strahl auf einfache Art und Weise kleinräumig ablenken zu können. It is an object of the invention to provide an electrode structure for guiding a charged particle beam, a system with such an electrode structure and a method for guiding a charged particle beam which strongly enclose the charged particle beam transversely. It is also a goal of the present invention to be able to deflect the beam in a simple manner over a small area.
Diese Aufgaben werden durch eine Elektrodenstruktur, ein System und ein Ver fahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben. These objects are achieved by an electrode structure, a system and a method according to the independent claims. Further developments are given in the dependent claims.
Eine Elektrodenstruktur zum Führen eines Strahls geladener Teilchen, beispiels weise eines Elektronenstrahls, entlang eines longitudinalen Pfades weist entlang des longitudinalen Pfades voneinander beabstandete mehrpolige Elektrodenano rdnungen mit Gleichspannungselektroden auf. Die Elektrodenanordnungen sind dazu eingerichtet, in senkrecht zu dem longitudinalen Pfad orientierten transversa len Ebenen um den Pfad zentrierte statische Multipolfelder zu erzeugen, wobei Feldstärken der statischen Multipolfelder in den transversalen Ebenen jeweils ein lokales Minimum am Ort des Pfades aufweisen und mit zunehmender Entfernung vom Ort des Pfades ansteigen. Feldrichtungen der statischen Multipolfelder variie ren entlang des Pfades mit einer Periodenlänge periodisch, so dass die entlang des Pfades propagierenden Teilchen aufgrund ihrer Eigenbewegung einem inho mogenen elektrischen Wechselfeld ausgesetzt sind und im zeitlichen Mittel eine transversale Rückstellkraft in Richtung des longitudinalen Pfades erfahren. An electrode structure for guiding a beam of charged particles, for example an electron beam, along a longitudinal path has multipolar electrode configurations with DC voltage electrodes that are spaced apart from one another along the longitudinal path. The electrode arrangements are designed to generate static multipole fields centered around the path in transverse planes oriented perpendicular to the longitudinal path, the field strengths of the static multipole fields in the transverse planes each having a local minimum at the location of the path and with increasing distance from the location of the Increase path. Field directions of the static multipole fields vary periodically along the path with a period length, so that the particles propagating along the path are exposed to an inhomogeneous alternating electric field due to their own motion and experience a transverse restoring force in the direction of the longitudinal path on average over time.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein transversaler Ein schluss geladener Teilchen nicht nur mit einem elektrischen Wechselfeld, sondern auch mit statischen elektrischen Feldern erzeugt werden kann, wenn die stati schen elektrischen Felder entlang des Pfades periodisch variieren und sich die Teilchen entlang des Pfades bewegen. Im Ruhesystem der Teilchen erzeugen nämlich die entlang des Pfades räumlich wechselnden statischen elektrischen Felder ein zeitlich oszillierendes Feld, welches im zeitlichen Mittel auf die gleiche Weise einen transversalen Einschluss erzeugen kann wie ein dynamisches Wech selfeld herkömmlicher Multipolfallen. Eine effektive Frequenz, mit der das aus den räumlich aufeinanderfolgenden statischen Feldern resultierende Wechselfeld schwingt, ist dabei gegeben durch das Verhältnis aus einer longitudinalen Ge schwindigkeit der Teilchen entlang des Pfades und der Periodenlänge, mit der die Multipolfelder entlang des longitudinalen Pfades variieren. The present invention is based on the knowledge that a transversal inclusion of charged particles can be generated not only with an alternating electric field, but also with static electric fields if the static electric fields vary periodically along the path and the particles move along the path move. In the rest system of the particles, the static electrical fields that change spatially along the path generate a temporally oscillating field which, on average over time, can create a transverse confinement in the same way as a dynamic alternating field of conventional multipole traps. An effective frequency with which the alternating field resulting from spatially successive static fields is given by the ratio of a longitudinal speed of the particles along the path and the period length with which the multipole fields vary along the longitudinal path.
Da die für den transversalen Einschluss verwendeten elektrischen Multipolfelder bei der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur alleine durch statische Elektroden spannungen erzeugt werden, reduzieren sich die technischen Anforderungen bei der Erzeugung der Fallenfelder gegenüber Wechselfeldern erheblich. Insbesonde re sind für den Betrieb der Elektrodenstruktur keine teuren und aufwendigen Hoch- frequenzquellen und -Verstärker notwendig. Stattdessen können die Elektroden spannungen mit einfachen Gleichspannungsquellen erzeugt werden. Da der Be trieb von Gleichspannungselektroden keine impedanzangepasste Last erfordert, sind auch die elektrischen Verlustleistungen an Gleichspannungselektroden deut lich geringer als bei einer Verwendung von Wechselspannungselektroden und es können mit den erfindungsgemäßen Gleichspannungselektroden auf deutlich ein fachere Weise hohe Elektrodenspannungen erzeugt werden als mit Wechsel spannungselektroden. Beispielsweise würde für eine Elektrodenspannung von 1 kV, welche mit offenen Gleichspannungselektroden ohne größeren Aufwand mit einer herkömmlichen Hochspannungsquelle erzeugt werden kann, bei einem im- pedanzangepassten Abschluss mit 50 Ohm eine Wechselstrom leistung von 20 kW benötigt werden. Since the electrical multipole fields used for the transverse confinement are generated solely by static electrode voltages in the electrode structure according to the invention, the technical requirements for generating the trap fields are considerably reduced compared to alternating fields. In particular, no expensive and complex high-frequency sources and amplifiers are necessary for operating the electrode structure. Instead, the electrode voltages can be generated with simple DC voltage sources. Since the operation of direct voltage electrodes does not require an impedance-matched load, the electrical power losses on direct voltage electrodes are significantly lower than when using alternating voltage electrodes, and high electrode voltages can be generated with the direct voltage electrodes according to the invention in a much simpler way than with alternating voltage electrodes. For example, for an electrode voltage of 1 kV, which can be generated with open direct voltage electrodes with a conventional high voltage source with little effort, an alternating current output of 20 kW would be required with an impedance-matched termination with 50 ohms.
Um eine periodische Variation der Feldrichtungen der statischen Multipolfelder zu erzeugen, kann die Elektrodenstruktur entlang des longitudinalen Pfades hinterei nander angeordnete Gleichspannungselektroden der einzelnen Elektrodenanord nungen aufweisen. Die Elektrodenstruktur kann dabei mindestens eine entlang des longitudinalen Pfades verlaufende Reihe von Gleichspannungselektroden um fassen. Insbesondere kann die Elektrodenstruktur vier oder sechs parallel zu dem Pfad verlaufende Reihen von Gleichspannungselektroden umfassen. Die an die einzelnen Gleichspannungselektroden angelegten Gleichspannungen der einzelnen Reihen können periodisch variieren, beispielsweise periodisch wechseln. Innerhalb der Periodenlänge können dabei je Reihe beispielsweise zwei Gleichspannungselektroden angeordnet sein, welche abwechselnd mit einer ers ten und einer zweiten Elektrodenspannung beaufschlagt sind und gegenüber ei nem Referenzpotential, beispielsweise gegenüber Masse, entgegengesetzte Pola ritäten aufweisen. Gleichspannungselektroden, die in parallel verlaufenden Reihen transversal nebeneinander angeordnet sind, können ebenfalls abwechselnd die erste und zweite Elektrodenspannung aufweisen. Ein Mittelwert der ersten und zweiten Elektrodenspannung kann 0 V sein, so dass die erste und zweite Elektro denspannung unterschiedliche Polaritäten aufweisen und die geladenen Teilchen aufgrund ihrer Eigenbewegung einem um das Massepotential von 0 V oszillieren den Wechselfeld ausgesetzt sind. Alternativ kann der Mittelwert der ersten und zweiten Elektrodenspannung auch von null verschieden sein. In order to generate a periodic variation of the field directions of the static multipole fields, the electrode structure can have direct voltage electrodes of the individual electrode arrangements arranged one behind the other along the longitudinal path. The electrode structure can include at least one row of DC voltage electrodes running along the longitudinal path. In particular, the electrode structure can comprise four or six rows of direct voltage electrodes running parallel to the path. The DC voltages of the individual rows applied to the individual DC voltage electrodes can vary periodically, for example change periodically. Within the period length, for example, two DC voltage electrodes can be arranged per row, which are alternately applied with a first and a second electrode voltage and have opposite polarities with respect to a reference potential, for example with respect to ground. DC voltage electrodes, which are arranged transversely next to one another in parallel rows, can also alternately have the first and second electrode voltage. A mean value of the first and second electrode voltages can be 0 V, so that the first and second electrode voltages have different polarities and the charged particles are exposed to an alternating field oscillating around the ground potential of 0 V due to their own motion. Alternatively, the mean value of the first and second electrode voltage can also be different from zero.
Die Gleichspannungselektroden der einzelnen Elektrodenanordnungen können einander in einer ersten Richtung gegenüberliegend um den Pfad angeordnet sein. Dabei ist es insbesondere möglich, dass in einer senkrecht zu der ersten Richtung orientierten zweiten Richtung keine Gleichspannungselektroden seitlich neben dem Pfad angeordnet sind. Dies ermöglicht es, die Gleichspannungselekt roden aufeinanderfolgender Elektrodenanordnungen in der zweiten Richtung seit lich zu versetzen und den Pfad dadurch in der zweiten Richtung zu krümmen. Al ternativ können die Gleichspannungselektroden auch nur zu einer Seite des Pfa des angeordnet sein oder den Pfad auf allen Seiten umgeben. The DC voltage electrodes of the individual electrode arrangements can be arranged opposite one another in a first direction around the path. In this case, it is particularly possible for no DC voltage electrodes to be arranged laterally next to the path in a second direction oriented perpendicular to the first direction. This makes it possible to offset the DC voltage electrodes of successive electrode arrangements laterally in the second direction and thereby bend the path in the second direction. As an alternative, the DC voltage electrodes can also be arranged on only one side of the path or surround the path on all sides.
Die Gleichspannungselektroden können parallel zu dem longitudinalen Pfad je weils die gleiche longitudinale Elektrodenlänge aufweisen. Eine in der Leiter schicht ausgebildete Grundfläche der Gleichspannungselektroden kann entlang des longitudinalen Pfades jeweils durch parallel zu dem Pfad verlaufende Seiten begrenzt werden. Des Weiteren können die Grundflächen in longitudinaler Rich tung durch zwei einander gegenüberliegende und senkrecht zu dem Pfad orien tierte Seiten begrenzt sein. Die Grundflächen der Gleichspannungselektroden ein zelner Elektrodenanordnungen können beispielsweise rechteckig sein, etwa in Abschnitten, in denen der longitudinale Pfad gerade verläuft. The DC voltage electrodes can each have the same longitudinal electrode length parallel to the longitudinal path. A base area of the direct voltage electrodes, which is formed in the conductor layer, can along the longitudinal path in each case through sides running parallel to the path be limited. Furthermore, the base areas can be delimited in the longitudinal direction by two opposite sides oriented perpendicular to the path. The base areas of the direct voltage electrodes of individual electrode arrangements can, for example, be rectangular, for example in sections in which the longitudinal path runs straight.
Die Elektrodenanordnungen können in den transversalen Ebenen Multipolfelder erzeugen, deren dominanter Anteil einem Quadrupolfeld oder einem Hexapolfeld oder Multipolfeldern höherer Ordnung entspricht. Dabei kann der dominante Anteil der erzeugten Multipolfelder auch entlang des Pfades variieren, was eine beson ders ausgeprägte Strukturierung des die Teilchen transversal einschließenden Potentials ermöglicht. Die erzeugten Multipolfelder können auch als Mischfelder ausgebildet sein, bei denen Multipolanteile von mindestens zwei oder mehr Multi polordnungen im Wesentlichen gleich stark sind und beispielsweise um weniger als 20 %, weniger als 10 %, weniger als 5 % oder weniger als 1 % voneinander abweichen. The electrode arrangements can generate multipole fields in the transverse planes, the dominant portion of which corresponds to a quadrupole field or a hexapole field or multipole fields of a higher order. The dominant portion of the generated multipole fields can also vary along the path, which enables a particularly pronounced structuring of the potential transversely enclosing the particles. The generated multipole fields can also be designed as mixed fields in which multipole components of at least two or more multipole orders are essentially equally strong and differ from one another, for example, by less than 20%, less than 10%, less than 5% or less than 1%.
Allgemein bilden die einzelnen mehrpoligen Elektrodenanordnungen jeweils Multi pollinsen mit longitudinal periodischer, beispielsweise longitudinal abwechselnder, Polarität. Die Multipollinsen können beispielsweise Quadrupollinsen oder Hexa- pollinsen sein. Die Elektrodenanordnungen beschleunigen die geladenen Teilchen in den transversalen Ebenen jeweils entlang mindestens einer Raumachse in Richtung des Pfades und entlang mindestens einer weiteren Raumachse vom Ort des Pfades weg. Durch die periodische Variation der Elektrodenspannungen der Gleichspannungselektroden entlang des Pfades wechselt jeweils die Polarität der erzeugten Multipollinsen, so dass die geladenen Teilchen in jeder Raumrichtung periodisch wechselnde Beschleunigungen erfahren. In general, the individual multi-pole electrode arrangements each form multi-pole lenses with a longitudinally periodic, for example longitudinally alternating, polarity. The multipole lenses can be, for example, quadrupole lenses or hexapole lenses. The electrode arrangements accelerate the charged particles in the transverse planes each along at least one spatial axis in the direction of the path and along at least one further spatial axis away from the location of the path. Due to the periodic variation of the electrode voltages of the direct voltage electrodes along the path, the polarity of the multipole lenses produced changes in each case, so that the charged particles experience periodically changing accelerations in each spatial direction.
Um einen stabilen Einschluss der geladenen Teilchen senkrecht zu dem longitudi nalen Pfad zu erzeugen, können die Elektrodenspannungen derart an die Abmes- sungen der Gleichspannungselektroden und die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen angepasst sein, dass ein aus einem harmonischen Anteil des elektri schen Wechselfeldes abgeleiteter Stabilitätsparameter einen Arbeitspunkt inner halb des Stabilitätsbereichs einer linearen Multipolfalle, beispielsweise einer linea ren Quadrupolfalle, definiert. In order to create a stable inclusion of the charged particles perpendicular to the longitudinal path, the electrode voltages can be adjusted to the dimensions Solutions of the DC voltage electrodes and the speed of the charged particles must be adapted so that a stability parameter derived from a harmonic component of the electrical alternating field defines an operating point within the stability range of a linear multipole trap, for example a linear quadrupole trap.
Der Stabilitätsbereich einer idealen linearen Quadrupolfalle wird unter anderem in Abschnitt II. A. der Publikation Leibfried et al. : „Quantum dynamics of single trap- ped ions“, Rev. Mod. Phys., vol. 75, p. 281 ff., 2003 beschrieben. Danach ergibt sich der aus dem elektrischen Wechselfeld abgeleitete Stabilitätsparameter einer idealen linearen Quadrupolfalle zu wobei Q die Ladung der Teilchen, M ihre Masse, 2UAC die Amplitude der an die Elektroden angelegten Wechselspannung, W die Frequenz der Wechselspannung und R den Abstand der Quadrupolelektroden zum Ort des longitudinalen Pfades bezeichnen. The stability range of an ideal linear quadrupole trap is described, inter alia, in Section II. A. of the publication Leibfried et al. : "Quantum dynamics of single trapped ions", Rev. Mod. Phys., Vol. 75, p. 281 ff., 2003. According to this, the stability parameter derived from the alternating electric field results in an ideal linear quadrupole trap where Q is the charge of the particles, M is their mass, 2UAC is the amplitude of the alternating voltage applied to the electrodes, W is the frequency of the alternating voltage and R is the distance between the quadrupole electrodes and the location of the longitudinal path.
Der Stabilitätsparameter qAC ist abgeleitet aus einem idealen transversalen Quadrupolfeld mit Feldamplituden wobei x, z die Koordinaten in der transversalen Ebene und y die Koordinate ent lang des longitudinalen Pfades sind. Ein derartiges ideales Quadrupolfeld wird durch die in Fig. 1 skizzierte lineare Quadrupolfalle mit hyperbolischen Elektroden erzeugt. The stability parameter q AC is derived from an ideal transverse quadrupole field with field amplitudes where x, z are the coordinates in the transverse plane and y are the coordinates along the longitudinal path. Such an ideal quadrupole field is generated by the linear quadrupole trap sketched in FIG. 1 with hyperbolic electrodes.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass dieser Stabilitätsparameter auf die vorliegende Elektrodenstruktur übertragen werden kann, wenn UAC durch die halbe Spannungsdifferenz UDC der statischen Elektrodenspannungen ersetzt wird und die Frequenz W festgesetzt wird als W - 2p— . Dabei bezeichnet I?J die longitudina- le Geschwindigkeit der Teilchen und LP die Periodenlänge, mit der die Elektroden spannungen der Gleichspannungselektroden entlang des longitudinalen Pfades variieren. Zusätzlich hat eine Skalierung mit einem Geometriefaktor h < 1 zu erfol gen, welcher die Abweichungen des durch die Gleichspannungselektroden er zeugten Multipolfeldes von einem longitudinal homogenen idealen Quadrupolfeld beschreibt. In the context of the invention it was recognized that this stability parameter can be transferred to the present electrode structure if U AC is replaced by half the voltage difference U DC of the static electrode voltages and the frequency W is set as W-2p-. I denote? J the longitudinal le velocity of the particles and L P is the period length with which the electrode voltages of the direct voltage electrodes vary along the longitudinal path. In addition, scaling has to be carried out with a geometry factor h <1, which describes the deviations of the multipole field generated by the DC voltage electrodes from a longitudinally homogeneous ideal quadrupole field.
Für die vorliegende Elektrodenstruktur ergibt sich der Stabilitätsparameter des durch die Eigenbewegung der Elektronen erzeugten Wechselfeldes dann zu wobei R der minimale Pfadabstand des longitudinalen Pfades von den Gleich spannungselektroden ist. For the present electrode structure, the stability parameter of the alternating field generated by the intrinsic movement of the electrons then results where R is the minimum path distance of the longitudinal path from the DC electrodes.
Wurden die geladenen Teilchen vor dem Einspeisen in die Elektrodenstruktur mit einer Beschleunigungsspannung UA beschleunigt, so beträgt ihre longitudinale Geschwindigkeit vl In diesem Fall kann der Stabilitätsparameter qDC auch geschrieben werden als If the charged particles were accelerated with an acceleration voltage U A before being fed into the electrode structure, their longitudinal velocity is v 1 In this case the stability parameter q DC can also be written as
Zur Berechnung des Geometriefaktors h wird das Betragsquadrat des elektrischen Feldes, das die Gleichspannungselektroden in den senkrecht zu dem Pfad orien tierten transversalen Ebenen erzeugen, über eine Periodenlänge LP gemittelt und mit dem Quadrat des zeitlich gemittelten Feldbetrages des elektrischen Feld Ex, Ey , Ez der idealen linearen Quadrupolfalle verglichen. Flierzu kann das über die Periodenlänge LP gemittelte Betragsquadrat des elektrischen Feldes der Gleichspannungselektroden in senkrecht zu dem Pfad orientierten transversalen Ebenen um den Ort des longitudinalen Pfades mit einer quadratischen Funktion der Form 2 4 U2 To calculate the geometry factor h, the square of the amount of the electric field that the DC voltage electrodes generate in the transverse planes oriented perpendicular to the path is averaged over a period length L P and with the square of the time-averaged field amount of the electric field E x , E y , E z compared to the ideal linear quadrupole trap. In addition, the square of the magnitude of the electric field of the direct voltage electrodes averaged over the period length L P in transverse planes oriented perpendicular to the path around the location of the longitudinal path with a quadratic function of the shape 2 4 U 2
El2 = h ( 2 + z2) i?4 approximiert werden. El 2 = h ( 2 + z 2 ) i? 4 can be approximated.
Um einen stabilen transversalen Einschluss der geladenen Teilchen herzustellen, sind bei der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur die Periodenlänge Lp, der mi nimale Abstand R des Pfades von Gleichspannungselektroden und die an die Gleichspannungselektroden angelegte Gleichspannung UDC derart an die longitu dinale Geschwindigkeit v/der geführten Teilchen angepasst, dass der Stabilitäts parameter qDC einen Wert annimmt, der einen Arbeitspunkt innerhalb des Stabili tätsbereichs einer linearen Quadrupolfalle definiert. Der Stabilitätsbereich und dessen Abhängigkeit von qDC sind unter anderem in Abschnitt II. A und Fig. 1b) der oben genannten Publikation von Leibfried et al. beschrieben. Für Elektrodenano rdnungen, die im zeitlichen Mittel ein reines Wechselfeld ohne überlagertes Gleichspannungsfeld erzeugen, umfasst der Stabilitätsbereich alle Werte 0 < qDc — 0,92. In order to produce a stable transverse confinement of the charged particles, in the electrode structure according to the invention the period length L p , the minimal distance R of the path from direct voltage electrodes and the direct voltage U DC applied to the direct voltage electrodes are adapted to the longitudinal velocity v / of the guided particles that the stability parameter q DC assumes a value that defines an operating point within the stability range of a linear quadrupole trap. The stability range and its dependence on q DC are, inter alia, in Section II. A and FIG. 1b) of the above-mentioned publication by Leibfried et al. described. For electrode arrangements that generate a pure alternating field on average over time without a superimposed direct voltage field, the stability range includes all values 0 <q D c - 0.92.
Die transversale Bewegung der geladenen Teilchen kann in der Umgebung des Pfades auch durch eine ponderomotorische Rückstellkraft in Richtung des Pfades beschrieben werden. Allgemein beschreibt eine derartige ponderomotorische Kraft die zeitlich gemittelte Driftbewegung geladener Teilchen in einem oszillierenden inhomogenen elektromagnetischen Wechselfeld. Sie ist gegeben durch den nie derfrequenten Anteil der Kraft, die ein räumlich inhomogenes hochfrequentes elektromagnetisches Feld auf ein geladenes Teilchen ausübt. Die ponderomotori sche Kraft ist proportional zum transversalen Gradienten des zeitlich gemittelten Feldbetrages und kann durch ein skalares ponderomotorisches Potential beschreiben werden, wobei (E2) die über eine Oszillationsperiode gemittelte Feld stärke des elektrischen Feldes bezeichnet. Für die erfindungsgemäßen Elektro denstrukturen wird (E2) für jeden Punkt der senkrecht zu dem Pfad ausgerichteten transversalen Ebenen durch einen Mittelwert des Betragsquadrats des elektri schen Feldes gegeben, wobei die Mittelwerte in longitudinaler Richtung über eine Periodenlänge LP gebildet werden. The transverse movement of the charged particles in the vicinity of the path can also be described by a ponderomotive restoring force in the direction of the path. In general, such a ponderomotive force describes the time-averaged drift movement of charged particles in an oscillating inhomogeneous electromagnetic alternating field. It is given by the low-frequency component of the force that a spatially inhomogeneous high-frequency electromagnetic field exerts on a charged particle. The ponderomotoric force is proportional to the transverse gradient of the time-averaged field amount and can be determined by a scalar ponderomotor potential be described, where (E 2 ) denotes the field strength of the electric field averaged over an oscillation period. For the electrode structures according to the invention, (E 2 ) is for each point that is oriented perpendicular to the path transverse planes given by an average value of the square of the absolute value of the electrical field, the average values being formed in the longitudinal direction over a period length L P.
Ein stabiler Einschluss der geladenen Teilchen entlang des longitudinalen Pfades wird bei der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur dann dadurch erreicht, dass der Feldbetrag bzw. die Feldstärken der durch die Elektrodenanordnungen er zeugten statischen Multipolfelder am Ort des Pfades ein lokales Minimum aufwei sen. Dies führt dazu, dass auch das ponderomotorische Potential am Ort des Pfa des ein lokales Minimum aufweist, in welchem die geladenen Teilchen durch die in Richtung des Pfades orientierte transversale Rückstellkraft eingeschlossen wer den. A stable inclusion of the charged particles along the longitudinal path is then achieved in the electrode structure according to the invention in that the field amount or the field strengths of the static multipole fields generated by the electrode arrangements have a local minimum at the location of the path. As a result, the ponderomotive potential also has a local minimum at the location of the path, in which the charged particles are enclosed by the transverse restoring force oriented in the direction of the path.
Das ponderomotorische Potential ist unabhängig vom Vorzeichen der Ladung der geladenen Teilchen. Insofern können die in der Elektrodenstruktur geführten gela denen Teilchen sowohl negativ geladene Teilchen, beispielsweise Elektronen, als auch positiv geladene Teilchen, beispielsweise Ionen, sein. Die Elektrodenstruktur kann insbesondere in einem Elektronenmikroskop zum Führen eines Elektronen mikroskopiestrahls eingesetzt werden. The ponderomotive potential is independent of the sign of the charge of the charged particles. In this respect, the charged particles guided in the electrode structure can be both negatively charged particles, for example electrons, and positively charged particles, for example ions. The electrode structure can in particular be used in an electron microscope for guiding an electron microscope beam.
Die durch die Elektrodenanordnungen erzeugten Multipolfelder können in niedrigs ter Ordnung statt eines Quadrupolanteils auch einen Multipolanteil höherer Ord nung aufweisen. Für diese Fälle kann der Stabilitätsparameter des Wechselfeldes, wie unter anderem in D. Gerlich: “Inhomogeneous RF fields: a versatile tool forthe study of processes with slow ions“ in Advances in Chemical Physics: State- Selected and State-to-State lon-Molecule Reaction Dynamics. Part 1. Experiment, vol. 82, John Wiley & Sons, 1992, pp. 42 beschrieben wird, verallgemeinert wer den zu wobei n die Ordnung des Multipolfeldes ist. Für ein Wechselfeld, welches gemäß der Erfindung durch die Eigenbewegung der Teilchen erzeugt wird, ergibt sich dann The multipole fields generated by the electrode arrangements can also have a higher order multipole component instead of a quadrupole component in the lowest order. For these cases, the stability parameter of the alternating field can be used, as in D. Gerlich: "Inhomogeneous RF fields: a versatile tool for the study of processes with slow ions" in Advances in Chemical Physics: State- Selected and State-to-State lon- Molecule Reaction Dynamics. Part 1. Experiment, vol. 82, John Wiley & Sons, 1992, pp. 42, generalized to where n is the order of the multipole field. For an alternating field, which according to the invention is generated by the proper movement of the particles, then results
Folglich können bei der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur die Periodenlänge LP, der minimale Abstand R des Pfades von Gleichspannungselektroden und die an die Gleichspannungselektroden angelegte Gleichspannung UDC allgemein der art an die longitudinale Geschwindigkeit v/ der geführten Teilchen angepasst sein, dass der Stabilitätsparameter q einen Wert annimmt, der einen Arbeitspunkt in nerhalb des Stabilitätsbereichs einer linearen Multipolfalle n-ter Ordnung definiert. Dabei kann n die niedrigste oder dominante Multipolordnung der durch die Elekt rodenanordnungen erzeugten statischen Multipolfelder sein. Consequently, with the electrode structure according to the invention, the period length L P , the minimum distance R of the path from direct voltage electrodes and the direct voltage U DC applied to the direct voltage electrodes can generally be adapted to the longitudinal velocity v / of the guided particles in such a way that the stability parameter q assumes a value , which defines an operating point within the stability range of a linear multipole of the nth order. Here, n can be the lowest or dominant multipole order of the static multipole fields generated by the electrode arrangements.
Die Elektrodenanordnung kann dazu ausgebildet sein, alle geladene Teilchen transversal stabil einzuschließen, deren longitudinale Energie Ekin = Q UA einer Beschleunigungsspannung UA zwischen 0 V und 500 kV, beispielsweise zwischen 0 V und 100 kV, 0 V und 50 kV, 0 V und 30 kV, 0 V und 10 kV, 0 V und 5 kV oder 0 V und 1 kV entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann UA kann auch mindestens 1 V, mindestens 10 V, mindestens 100 V oder mindestens 1 kV betragen. The electrode arrangement can be designed to enclose in a transversely stable manner all charged particles whose longitudinal energy E kin = QU A of an acceleration voltage U A between 0 V and 500 kV, for example between 0 V and 100 kV, 0 V and 50 kV, 0 V and 30 kV, 0 V and 10 kV, 0 V and 5 kV or 0 V and 1 kV. Alternatively or additionally, U A can also be at least 1 V, at least 10 V, at least 100 V or at least 1 kV.
Die Elektrodenanordnung kann den Strahl geladener Teilchen transversal einge schlossen über eine Länge von mindestens 0,1 mm, 1 mm, 10 mm, 50 mm oder 100 mm und/oder höchstens 300 mm, 500 mm oder 1000 mm führen. The electrode arrangement can enclose the charged particle beam transversely over a length of at least 0.1 mm, 1 mm, 10 mm, 50 mm or 100 mm and / or at most 300 mm, 500 mm or 1000 mm.
Die Elektrodenanordnungen können dazu ausgebildet sein, den Strahl geladener Teilchen über die vollständige Länge der Elektrodenstruktur transversal einzu schließen. Dabei können die Elektrodenanordnungen den Strahl als einzelnen Strahl führen. In diesem Fall treten alle geladenen Teilchen, die entlang des lon- gitudinalen Pfades geführt werden an derselben Stelle aus der Elektrodenanord nung aus. Der longitudinale Pfad kann beispielsweise in eine oder zwei transver sale Richtungen gekrümmt sein. The electrode arrangements can be designed to include the charged particle beam transversely over the entire length of the electrode structure. The electrode arrangements can guide the beam as a single beam. In this case, all charged particles, which travel along the lon- The longitudinal path is guided out of the electrode arrangement at the same point. The longitudinal path can, for example, be curved in one or two transverse directions.
Alternativ können sich die Elektrodenanordnungen, insbesondere die Form und/oder der Abstand und/oder die Anzahl der Gleichspannungselektroden der einzelnen Elektrodenanordnungen, entlang des longitudinalen Pfades derart än dern, dass das durch die Elektrodenanordnungen erzeugte transversale Potential strukturelle Änderungen entlang des Pfades aufweist. Beispielsweise kann sich die Anzahl der lokalen Minima der elektrischen Feldstärke der Multipolfelder ent lang des Pfades ändern, so dass sich der Pfad transversal in zwei oder mehr Teil pfade aufspaltet und die in die Elektrodenstruktur eintretenden geladenen Teilchen in mindestens einen ersten und zweiten Teil aufgeteilt werden und beispielsweise an unterschiedlichen Stellen aus der Elektrodenstruktur austreten Alternatively, the electrode arrangements, in particular the shape and / or the spacing and / or the number of DC voltage electrodes of the individual electrode arrangements, can change along the longitudinal path in such a way that the transverse potential generated by the electrode arrangements exhibits structural changes along the path. For example, the number of local minima of the electric field strength of the multipole fields can change along the path, so that the path splits transversely into two or more partial paths and the charged particles entering the electrode structure are divided into at least a first and a second part for example emerge from the electrode structure at different points
Die Multipolfelder können sich insbesondere in mit der Periodenlänge beabstande- ten transversalen Ebenen entlang des Pfades ändern, wobei beispielsweise eine niedrigste und/oder dominante Ordnung der Multipolfelder und/oder eine Stärke der Multipolfelder variiert. Dies ermöglicht eine besonders einfache strukturelle Änderung des durch die Elektrodenanordnungen erzeugten transversalen Potenti als. Die Änderung der Multipolfelder in transversalen Ebenen, die mit der Perio denlänge voneinander beanstandet sind, ist dabei der periodischen Variation der Feldrichtungen der statischen Multipolfelder überlagert. Die Änderung kann über eine Änderungslänge erfolgen, welche größer ist als die Periodenlänge, mit der die Feldrichtungen der statischen Multipolfelder periodisch variieren. Beispielswei se kann die Änderungslänge mindestens fünfmal, mindestens zehnmal, mindes tens 20-mal oder mindestens 50-mal größer sein als die Periodenlänge. Alternativ oder zusätzlich kann ein Krümmungsradius einer aus der Änderung resultierenden Krümmung des longitudinalen Pfades größer sein als ein minimaler Krümmungs radius, wobei eine bei dem minimalen Krümmungsradius auf die geladenen Teil- chen wirkende Zentrifugalkraft der transversalen Rückstellkraft im ponderomotori- schen Potential entspricht, die im zeitlichen Mittel auf die geladenen Teilchen wirkt. The multipole fields can change in particular in transversal planes spaced apart by the period length along the path, with, for example, a lowest and / or dominant order of the multipole fields and / or a strength of the multipole fields varying. This enables a particularly simple structural change in the transverse potenti as generated by the electrode arrangements. The change in the multipole fields in transversal planes, which are spaced apart with the length of the period, is superimposed on the periodic variation of the field directions of the static multipole fields. The change can take place via a change length which is greater than the period length with which the field directions of the static multipole fields vary periodically. For example, the length of change can be at least five times, at least ten times, at least 20 times or at least 50 times greater than the period length. Alternatively or additionally, a radius of curvature of a curvature of the longitudinal path resulting from the change can be greater than a minimum radius of curvature, with a The centrifugal force acting on the surface corresponds to the transverse restoring force in the ponderomotive potential, which acts on the charged particles on average over time.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Elektrodenstruktur als Gabelung aus gebildete Elektrodenanordnungen, wobei die Elektrodenanordnungen der Gabe lung entlang des Pfades derart variieren, dass der Pfad in einen ersten Teilpfad und in einen zweiten Teilpfad aufspaltbar ist, so dass ein erster Teil der geladenen Teilchen entlang des ersten Teilpfades und ein zweiter Teil der geladenen Teil chen entlang des zweiten Teilpfades geführt werden kann. Mittels der Gabelung werden die geladenen Teilchen insbesondere transversal eingeschlossen entlang des ersten und zweiten Teilpfades geführt, sodass ein verlustfreies Aufspalten des Teilchenstrahls ermöglicht wird. Nachdem der transversale Einschluss der gela denen Teilchen durch statische elektrische Felder erfolgt und derartige statische Felder keine Auswirkungen auf eine quantenmechanische Kohärenz des Teil chenstrahls haben, kann der Strahl geladener Teilchen zudem kohärent aufge spaltet werden. According to one embodiment, the electrode structure comprises electrode arrangements formed as a fork, the electrode arrangements of the fork varying along the path in such a way that the path can be split into a first partial path and a second partial path, so that a first part of the charged particles along the first Partial path and a second part of the charged particles can be performed along the second partial path. By means of the bifurcation, the charged particles are guided, in particular trapped transversely, along the first and second partial paths, so that a loss-free splitting of the particle beam is made possible. Since the transversal inclusion of the charged particles is effected by static electric fields and such static fields have no effect on the quantum mechanical coherence of the particle beam, the charged particle beam can also be split up coherently.
Die Teilpfade können im Bereich der Gabelung unter einem Winkel von höchstens 1°, höchstens 0,6°, höchstens 0,1°, höchstens 0,05°, höchstens 0,01° oder höchs tens 0,005° aufgespaltet werden. Je geringer der Winkel ist, unter dem sich die Teilpfade aufspalten, desto geringer sind die Anregungen, die die geladenen Teil chen im transversalen ponderomotorischen Potential erfahren, und desto geringer sind damit auch die Verluste im Bereich der Gabelung. The partial paths can be split at an angle of at most 1 °, at most 0.6 °, at most 0.1 °, at most 0.05 °, at most 0.01 ° or at most 0.005 ° in the area of the fork. The smaller the angle at which the partial paths split, the lower the excitations that the charged particles experience in the transverse ponderomotive potential, and the lower the losses in the area of the fork.
Gemäß einer Ausführungsform wird an einer Eingangsseite des Pfades und/oder an jeweiligen Ausgangsseiten der Teilpfade in den transversalen Ebenen ein do minanter Multipolanteil der statischen Multipolfelder der Elektrodenanordnungen durch einen Quadrupolanteil gebildet. Der dominante Multipolanteil kann durch eine Multipolentwicklung des elektrischen Feldes in den transversalen Ebenen bestimmt werden und ist durch den niedrigsten von Null verschiedenen Multipol tensor gegeben, bei einem Quadrupolanteil also durch den Quadrupoltensor der Multipolentwicklung. Da die transversale Krümmung des elektrischen Feldes und damit auch die Stärke der zeitlich gemittelten Rückstellkraft des ponderomotori- schen Potentials mit zunehmender Multipolordnung abnimmt und ein Quadrupol- feld das Feld niedrigster Multipolordnung mit einem Feldminimum im Zentrum ist, werden die geladenen Teilchen bei einem dominierenden Quadrupolanteil trans versal besonders stark eingeschlossen. According to one embodiment, a dominant multipole component of the static multipole fields of the electrode arrangements is formed by a quadrupole component on an input side of the path and / or on the respective output sides of the partial paths in the transversal planes. The dominant multipole component can be caused by a multipole development of the electric field in the transversal planes and is given by the lowest non-zero multipole tensor, in the case of a quadrupole component that is, by the quadrupole tensor of the multipole expansion. Since the transverse curvature of the electric field and thus also the strength of the time-averaged restoring force of the ponderomotive potential decreases with increasing multipole order and a quadrupole field is the field with the lowest multipole order with a field minimum in the center, the charged particles become trans with a dominant quadrupole component Versal particularly strongly included.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Elektrodenanordnungen jeweils drei in einer transversalen Richtung nebeneinander angeordnete Gleichspannungs elektroden mit einer inneren Elektrode und zwei beidseits der inneren Elektrode angeordneten äußeren Elektroden, wobei die inneren und äußeren Elektroden der einzelnen Elektrodenanordnungen drei entlang des longitudinalen Pfades verlau fende Elektrodenreihen bilden und sich eine transversale Breite der inneren Elekt roden entlang des longitudinalen Pfades vergrößert. According to one embodiment, the electrode arrangements each comprise three direct voltage electrodes arranged next to one another in a transverse direction with an inner electrode and two outer electrodes arranged on both sides of the inner electrode, the inner and outer electrodes of the individual electrode arrangements forming three rows of electrodes running along the longitudinal path a transverse width of the inner electrodes is increased along the longitudinal path.
Mit derartigen Elektrodenordnungen kann ein eingangsseitig um den longitudina len Pfad zentriertes transversales Fallenminimum auf einfache Weise in zwei se parate, um den ersten und zweiten Teilpfad zentrierte transversale Fallenminima aufgespalten werden. Die Zunahme der transversalen Breite der inneren Elektrode führt dabei zu einem kontinuierlich zunehmenden transversalen Abstand der bei den Teilpfade. With such electrode arrangements, a transverse trap minimum centered on the input side about the longitudinal path can be split in a simple manner into two separate transverse trap minimums centered about the first and second partial path. The increase in the transverse width of the inner electrode leads to a continuously increasing transverse distance between the partial paths.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Gabelung dazu eingerichtet, die eintreten den geladenen Teilchen simultan in den ersten und zweiten Teil geladener Teil chen aufzuspalten und gleichzeitig den ersten Teil geladener Teilchen entlang des ersten Teilpfads und den zweiten Teil geladener Teilchen entlang des zweiten Teilpfads zu führen. Eine derartige Gabelung bildet also einen Strahlteiler für die entlang des Pfades geführten geladene Teilchen. Mit einer solchen Gabelung kann der Strahl geladener Teilchen beispielsweise gleichmäßig in einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil aufgespaltet werden. According to one embodiment, the fork is set up to split the entering charged particles simultaneously into the first and second parts of charged particles and at the same time to guide the first part of charged particles along the first partial path and the second part of charged particles along the second partial path. Such a fork thus forms a beam splitter for the charged particles guided along the path. With such a fork For example, the charged particle beam can be split evenly into a first part and a second part.
Da die Gabelung vollständig durch statische elektrische Felder realisiert wird, kann der Teilchenstrahl insbesondere quantenmechanisch kohärent aufgespaltet wer den, so dass die quantenmechanischen Wellenfunktionen der entlang des ersten und zweiten Teilpfades propagierenden geladenen Teilchen eine feste Phasenbe ziehung zueinander aufweisen. Außerdem kann eine derartige Gabelung aus quantenmechanischer Sicht einen Amplitudenstrahlteiler bilden, bei welchem die quantenmechanischen Wellenfunktionen der Teilchen in den beiden Teilpfaden, insbesondere deren Amplituden und Phasen, alleine durch die Geometrie des transversalen ponderomotorischen Potentials bestimmt werden und die Wellen funktionen der austretenden Teilchen unabhängig von den Kohärenzeigenschaf ten der in die Gabelung eintretenden Teilchen sind. Since the fork is completely realized by static electric fields, the particle beam can be split up in a quantum-mechanically coherent manner, so that the quantum-mechanical wave functions of the charged particles propagating along the first and second partial paths have a fixed phase relationship to one another. In addition, from a quantum mechanical point of view, such a fork can form an amplitude beam splitter in which the quantum mechanical wave functions of the particles in the two partial paths, in particular their amplitudes and phases, are determined solely by the geometry of the transverse ponderomotive potential and the wave functions of the exiting particles are determined independently of the Coherence properties of the particles entering the fork are.
Um bei einem Amplitudenstrahlteiler den quantenmechanischen Bewegungszu stand der Teilchen im transversalen ponderomotorischen Potential während des Aufspaltens zu erhalten, kann der Winkel, unter dem sich die Teilpfade aufspalten, in Abhängigkeit von der longitudinalen Geschwindigkeit der Teilchen insbesondere derart gewählt sein, dass die Energie der transversalen Anregung im Bereich der Gabelung kleiner ist als eine Energiedifferenz von Quantenzuständen im transver salen ponderomotorischen Potential, beispielsweise kleiner als eine Energiediffe renz zwischen den beiden niederenergetischsten Quantenzuständen des ponde romotorischen Potentials. In order to maintain the quantum mechanical state of motion of the particles in the transverse ponderomotive potential during the splitting of an amplitude beam splitter, the angle at which the partial paths split can be selected, depending on the longitudinal speed of the particles, in particular in such a way that the energy of the transverse excitation in the area of the fork is smaller than an energy difference of quantum states in the transversal ponderomotive potential, for example smaller than an energy difference between the two lowest-energy quantum states of the ponderomotor potential.
Eine Gabelung, die den Strahl geladener Teilchen zeitgleich in den ersten und zweiten Teil aufspaltet, kann beispielswiese mit den Elektrodenanordnungen reali siert werden, deren Gleichspannungselektroden in den drei entlang des longitudi nalen Pfades verlaufenden Elektrodenreihen angeordnet sind und bei denen sich die transversale Breite der inneren Elektroden entlang des longitudinalen Pfades vergrößert. Hierzu können die äußeren Elektroden der einzelnen Elektrodenano rdnungen jeweils die gleiche Elektrodenspannung aufweisen, wobei sich die Elekt rodenspannung der äußeren Elektroden von der Elektrodenspannung der inneren Elektrode unterscheidet. A fork that splits the charged particle beam into the first and second parts at the same time can be implemented, for example, with the electrode arrangements whose DC electrodes are arranged in the three rows of electrodes running along the longitudinal path and in which the transverse width of the inner electrodes is aligned along the longitudinal path enlarged. For this purpose, the outer electrodes of the individual electrode configurations can each have the same electrode voltage, the electrode voltage of the outer electrodes differing from the electrode voltage of the inner electrode.
Gemäß einer Weiterbildung der Gabelung wird ein dominanter Multipolanteil der statischen Multipolfelder der Elektrodenanordnungen in mindestens einer trans versalen Ebenen durch einen Hexapolanteil gebildet. Ein Hexapolfeld ist das Mul tipolfeld niedrigster Ordnung, mit dem sich ein Kreuzungspunkt des ponderomoto- rischen Potentials realisieren lässt, an dem sich der longitudinale Pfad in den ers ten und zweiten Teilpfad aufspaltet. Dadurch werden die geladenen Teilchen in einer mittels eines Hexapolfeldes realisierten Gabelung im Vergleich zu einer Ga belung, die auf Multipolanteilen höherer Ordnung basiert, besonders stark trans versal eingeschlossen daher während des Aufspaltens besonders wenig transver sal angeregt. According to a further development of the fork, a dominant multipole component of the static multipole fields of the electrode arrangements is formed in at least one transversal plane by a hexapole component. A hexapole field is the lowest order multipole field with which a point of intersection of the ponderomotive potential can be realized, at which the longitudinal path splits into the first and second partial path. As a result, the charged particles in a fork realized by means of a hexapole field are particularly strongly transversely enclosed and therefore stimulated particularly little transversely during the splitting in comparison to a fork which is based on multipole components of a higher order.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Gabelung dazu eingerichtet, die eintreten den geladenen Teilchen selektiv entweder als den ersten Teil entlang des ersten Teilpfades oder als den zweiten Teil entlang des zweiten Teilpfades zu führen. Die Gabelung kann also als eine Art Weiche betrieben werden. In diesem Fall werden der entlang des ersten Teilpfades geführte erste Teil der geladenen Teilchen und der entlang des zweiten Teilpfades geführte zweite Teil der geladenen Teilchen durch zeitlich nacheinander entlang des longitudinalen Pfades propagierende An teile eines in die Elektrodenstruktur eintretenden Strahls geladener Teilchen gebil det. Eine als Weiche ausgebildete Gabelung ermöglicht es, die geladenen Teil chen gezielt entlang des ersten oder zweiten Teilpfades zu führen. Die Teilpfade können dabei Bestandteile eines größeren, verzweigten Netzwerks von Einzelpfa den sein, entlang denen die geladenen Teilchen geführt werden und miteinander wechselwirken, beispielsweise quantenmechanisch wechselwirken. Derartige ge- zielte Wechselwirkungen werden beispielsweise zur Realisierung von Quanten computern benötigt. According to one embodiment, the fork is set up to guide the charged particles entering selectively either as the first part along the first partial path or as the second part along the second partial path. The fork can therefore be operated as a kind of switch. In this case, the first part of the charged particles guided along the first partial path and the second part of the charged particles guided along the second partial path are formed by parts of a beam of charged particles entering the electrode structure propagating one after the other along the longitudinal path. A fork designed as a switch makes it possible to guide the charged particles along the first or second partial path in a targeted manner. The partial paths can be components of a larger, branched network of individual paths along which the charged particles are guided and interact with one another, for example interact quantum mechanically. Such ge Targeted interactions are required, for example, to implement quantum computers.
Weist die Elektrodenstruktur die in drei Reihen nebeneinander angeordneten Gleichspannungselektroden auf, so kann die als Weiche ausgebildete Gabelung beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die inneren Elektroden der einzel nen Elektrodenanordnungen wahlweise mit den Gleichspannungen der äußeren Elektroden auf einer ersten Seite der inneren Elektroden oder aber mit den Gleichspannungen der äußeren Elektroden auf einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite der inneren Elektroden beaufschlagbar sind. If the electrode structure has the direct voltage electrodes arranged next to one another in three rows, the fork in the form of a switch can be implemented, for example, in that the inner electrodes of the individual electrode assemblies are optionally connected to the direct voltages of the outer electrodes on a first side of the inner electrodes or to the DC voltages of the outer electrodes can be applied to a second side of the inner electrodes which is opposite the first side.
Gemäß einer Weiterbildung variieren die durch die Elektrodenanordnungen er zeugten statischen Multipolfelder entlang des Pfades derart, dass lediglich erste geladene Teilchen und nicht zweite geladene Teilchen einen stabilen Einschluss entlang des Pfades erfahren, wobei die ersten geladenen Teilchen eine longitudi nale erste Geschwindigkeit und die zweiten geladenen Teilchen eine von der ers ten Geschwindigkeit verschiedene zweite longitudinale Geschwindigkeit aufwei sen. Damit wirken die Elektrodenanordnungen als Energiefilter, welcher lediglich die ersten geladenen Teilchen passieren lässt. Insofern bezieht sich die vorliegen de Erfindung allgemein auch auf eine Verwendung der beschriebenen Elektroden struktur oder ihrer Weiterbildungen als ein Energiefilter für entlang eines longitudi nalen Pfades geführte geladene Teilchen. According to a further development, the static multipole fields generated by the electrode arrangements vary along the path in such a way that only first charged particles and not second charged particles experience stable inclusion along the path, the first charged particles having a longitudinal first velocity and the second charged particles have a second longitudinal speed different from the first speed. The electrode arrangements thus act as an energy filter, which only allows the first charged particles to pass. In this respect, the present invention also relates generally to a use of the electrode structure described or its developments as an energy filter for charged particles guided along a longitudinal path.
Wie aus der obigen Darstellung des Stabilitätsparameters qDC = folgt, hängt die Stabilität der Teilchentrajektorien, anders als bei herkömmlichen Multi polfallen, nicht vom Ladung-zu-Masse Verhältnis der geladenen Teilchen, sondern alleine von der Beschleunigungsspannung UA und damit von der longitudinalen Energie der geladenen Teilchen ab. Die elektrischen Multipolfelder können entlang des longitudinalen Pfades um ein mittleres Multipolfeld von Null alternieren. In die sem Fall wirkt die Elektrodenanordnung als Hochpassfilter, der hochenergetische, nicht jedoch niederenergetische geladene Teilchen leitet. Dabei leiten die Elektrodenanordnungen lediglich geladene Teilchen mit Energien, die aus Be schleunigungsspannungen U A resultieren, für die qDC < 0,92 gilt. As follows from the above representation of the stability parameter q DC =, the stability of the particle trajectories, unlike conventional multi-pole traps, does not depend on the charge-to-mass ratio of the charged particles, but solely on the acceleration voltage U A and thus on the longitudinal energy of the charged particles. The electric multipole fields can alternate along the longitudinal path about an average multipole field of zero. In this case, the electrode arrangement acts as a high-pass filter, the high-energy, but does not conduct low-energy charged particles. The electrode arrangements only conduct charged particles with energies that result from acceleration voltages U A for which q DC <0.92 applies.
Bei einer Weiterbildung alternieren die Multipolfelder entlang des Pfades um ein von null verschiedenes mittleres Multipolfeld, so dass die entlang des Pfades ge führten Teilchen zusätzlich zu dem inhomogenen elektrischen Wechselfeld einem durch das mittlere Multipolfeld definierten inhomogenen statischen Überlagerungs feld ausgesetzt sind und lediglich die ersten geladenen Teilchen und nicht die zweiten geladenen Teilchen stabile transversale Oszillation entlang des Pfades ausführen. Das mittlere Multipolfeld kann insbesondere in erster Näherung ein Quadrupolfeld sein. In a further development, the multipole fields alternate along the path by a mean multipole field that is different from zero, so that the particles guided along the path, in addition to the inhomogeneous alternating electric field, are exposed to an inhomogeneous static overlay field defined by the mean multipole field and only the first charged particles and the second charged particles do not make stable transverse oscillation along the path. The mean multipole field can in particular be a quadrupole field as a first approximation.
Ein derartiges statisches Überlagerungsfeld entspräche bei einer linearen Multipol falle einer Vorspannung der longitudinalen Elektroden mit einer statischen Multi polspannung, beispielsweise mit einer statischen Quadrupolspannung bei einer linearen Paul-Falle. Eine derartige Vorspannung verkleinert bei hohen Teilchen energien den Wertebereich von qDC, in dem die geladenen Teilchen stabile Oszil lationen um das Fallenzentrum herum ausführen. Eine Elektrodenanordnung, bei der die Multipolfelder um ein von null verschiedenes Multipolfeld oszillieren, wirkt daher als ein Bandpassfilter, welcher lediglich geladene Teilchen mit longitudina len Energien aus einem beidseits beschränkten Wertebereich transmittiert. In the case of a linear multipole trap, such a static superimposed field would correspond to a bias voltage of the longitudinal electrodes with a static multipole voltage, for example with a static quadrupole voltage in the case of a linear Paul trap. At high particle energies, such a bias reduces the value range of q DC in which the charged particles perform stable oscillations around the center of the trap. An electrode arrangement in which the multipole fields oscillate around a multipole field other than zero therefore acts as a bandpass filter which only transmits charged particles with longitudinal energies from a value range limited on both sides.
Dabei kann ein aus dem Wechselfeld abgeleiteter erster Stabilitätsparameter und ein aus dem Überlagerungsfeld abgeleiteterzweiter Stabilitätsparameter für die ersten geladenen Teilchen einen Betriebspunkt innerhalb des Stabilitätsbereichs einer linearen Multipolfalle, etwa einer linearen Quadrupolfalle, und für die zweiten geladenen Teilchen einen Betriebspunkt außerhalb des Stabilitätsbereichs der linearen Multipolfalle definieren. Dabei entspricht der erste Stabilitätsparameter dem Stabilitätsparameter qDC, während der zweite, aus dem Überlagerungsfeld abgeleitete Stabilitätsparameter für eine Quadrupolfalle gegeben ist durch A first stability parameter derived from the alternating field and a second stability parameter derived from the superimposed field can define an operating point for the first charged particles within the stability range of a linear multipole trap, for example a linear quadrupole trap, and for the second charged particles an operating point outside the stability range of the linear multipole trap . The first corresponds to the stability parameter the stability parameter q DC , while the second stability parameter derived from the superposition field for a quadrupole trap is given by
Dabei bezeichnet U0 den Mittelwert, um den die Elektrodenspannungen entlang des longitudinalen Pfades alternieren. U 0 denotes the mean value by which the electrode voltages alternate along the longitudinal path.
Der zweite Stabilitätsparameter aDC der Quadrupolfalle kann auf die gleiche Weise auf ein Multipolfeld n-ter Ordnung verallgemeinert werden, wie der erste Stabili tätsparameter qDC,und ist dann gegeben durch The second stability parameter a DC of the quadrupole trap can be generalized to an nth order multipole field in the same way as the first stability parameter q DC , and is then given by
Bei vorgegebenen Werten für UDC und U0 hängen die Stabilitätsparameter und damit der Betriebspunkt der Elektrodenstruktur lediglich von der longitudinalen Energie der Teilchen bzw. der Beschleunigungsspannung UA ab. Dabei liegen alle Betriebspunkte für ein vorgegebenes Verhältnis U0/UDC auf einer Ursprungsgera den im Stabilitätsdiagramm. Durch Anpassung des Verhältnisses U0/UDC lässt sich die Steigung dieser Geraden und damit der Durchlassbereich des realisierten Energiefilters variieren. Die Werte von UDC und U0 können dabei derart gewählt sein, dass die durch das Verhältnis U0/UDC gegebene Ursprungsgrade den Stabili tätsbereich lediglich auf einer vorgegebenen Länge oder, im Rahmen der Mess genauigkeit, lediglich in einem einzelnen Punkt schneidet. Dieser Punkt liegt bei spielsweise bei in erster Näherung als Quadrupolfeldern ausgebildeten Multipol feldern bei qDC = 0,706 und aDC max = 0,237. Dies führt dann dazu, dass lediglich geladene Teilchen, deren longitudinale Energien in einem vorgegebenen Wertebe reich liegen bzw. einem vorgegebenen Wert entsprechen, die Elektrodenstruktur entlang des longitudinalen Pfades passieren. Der vorgegebene Wertebereich bzw. der vorgegebene Wert können dabei durch Variation des Verhältnisses U0/UDC verändert werden. With given values for U DC and U 0 , the stability parameters and thus the operating point of the electrode structure depend only on the longitudinal energy of the particles or the acceleration voltage U A. All operating points for a given ratio U 0 / U DC lie on a straight line through the origin in the stability diagram. By adapting the ratio U 0 / U DC , the slope of this straight line and thus the transmission range of the implemented energy filter can be varied. The values of U DC and U 0 can be selected in such a way that the degree of origin given by the ratio U 0 / U DC intersects the stability range only over a predetermined length or, within the scope of the measurement accuracy, only in a single point. In the case of, for example, multipole fields designed as quadrupole fields as a first approximation, this point is at q DC = 0.706 and a DC max = 0.237. This then leads to the fact that only charged particles, the longitudinal energies of which are in a predetermined value range or correspond to a predetermined value, pass the electrode structure along the longitudinal path. The specified range of values or the specified value can be changed by varying the ratio U 0 / U DC .
Gemäß einer Weiterbildung ist die Periodenlänge der longitudinalen Variation der Feldrichtungen der statischen Multipolfelder kleiner als 60 mm, beispielsweise kleiner als 10 mm, 6 mm, 1 mm oder 0,1 mm. Je kleiner die Periodenlänge ist, desto kleiner sind die Stabilitätsparameter qDC, aDC bzw. qn, an, was zu einer gerin geren Mikrobewegung und damit zu stabileren Trajektorien führt. Zudem ermög licht es eine kleine Periodenlänge, die geladenen Teilchen auch noch bei hohen longitudinalen Energien stabil zu führen. According to one development, the period length of the longitudinal variation of the field directions of the static multipole fields is less than 60 mm, for example less than 10 mm, 6 mm, 1 mm or 0.1 mm. The smaller the period length, the smaller the stability parameters q DC , a DC or q n , a n , which leads to less micromovement and thus to more stable trajectories. In addition, a small period length enables the charged particles to be guided in a stable manner even at high longitudinal energies.
Gemäß einer Weiterbildung ist ein longitudinaler Abstand zwischen den einzelnen Elektrodenanordnungen kleiner als 10 mm, beispielsweise kleiner als 1 mm,According to a further development, a longitudinal distance between the individual electrode arrangements is less than 10 mm, for example less than 1 mm,
0,5 mm, 0,1 mm, 0,05 mm oder 0,01 mm. Je kleiner die Abstände zwischen den einzelnen Elektrodenanordnungen sind, desto größer ist der über eine Perioden länge gemittelte Feldbetrag der durch die Elektrodenanordnungen erzeugten Mul tipolfelder. Eine Verringerung der Abstände führt daher zu einer Verstärkung des ponderomotorischen Potentials und damit auch zu einem stärkeren transversalen Einschluss der geladenen Teilchen. 0.5 mm, 0.1 mm, 0.05 mm or 0.01 mm. The smaller the distances between the individual electrode arrangements, the greater the field amount averaged over a period length of the multipole fields generated by the electrode arrangements. A reduction in the distances therefore leads to an increase in the ponderomotive potential and thus also to a stronger transverse confinement of the charged particles.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Elektrodenanordnungen entlang des longitu dinalen Pfades direkt aneinander anschließend angeordnet. Dadurch können die Abstände zwischen den einzelnen Elektrodenanordnungen besonders klein und das transversale ponderomotorischen Potential besonders groß sein. Bei direkt aneinander anschließenden Elektrodenanordnungen können die Gleichspan nungselektroden benachbarter Elektrodenanordnungen insbesondere ohne zwi schenliegende Abstandselektroden, beispielsweise ohne zwischenliegende Mas seelektroden, nebeneinander angeordnet sein. Gemäß einer Weiterbildung weisen die Elektrodenanordnungen entlang des lon gitudinalen Pfades gleiche Abstände zueinander auf. Im Ruhesystem der gelade nen Teilchen variiert dann das durch die Gleichspannungselektroden erzeugte elektrische Wechselfeld regelmäßig entlang des Pfades und approximiert beson ders gut eine harmonische Schwingung. According to a further development, the electrode arrangements are arranged directly adjacent to one another along the longitudinal path. As a result, the distances between the individual electrode arrangements can be particularly small and the transverse ponderomotive potential can be particularly large. In the case of electrode arrangements directly adjoining one another, the DC voltage electrodes of adjacent electrode arrangements can be arranged next to one another, in particular without intervening spacer electrodes, for example without intervening ground electrodes. According to a further development, the electrode arrangements have the same distances from one another along the longitudinal path. In the rest system of the charged particles, the alternating electrical field generated by the DC voltage electrodes then varies regularly along the path and approximates a harmonic oscillation particularly well.
Gemäß einer Weiterbildung beträgt eine longitudinale Länge der Elektrodenstruk tur entlang des Pfades mindestens 1 mm, 10 mm, 50 mm oder 100 mm und/oder höchstens 300 mm, 500 mm oder 1000 mm. Dadurch ist die Elektrodenstruktur einerseits kompakt genug, um in herkömmlichen Elektronenmikroskopen oder Massenspektrometern verwendet zu werden, andererseits ist sie groß genug, um eine ausreichende Ablenkung des Strahls entlang des longitudinalen Pfades und beispielsweise ein vollständiges Aufspalten des Teilchenstrahls zu ermöglichen. According to a further development, a longitudinal length of the electrode structure along the path is at least 1 mm, 10 mm, 50 mm or 100 mm and / or at most 300 mm, 500 mm or 1000 mm. As a result, the electrode structure is on the one hand compact enough to be used in conventional electron microscopes or mass spectrometers, on the other hand it is large enough to allow sufficient deflection of the beam along the longitudinal path and, for example, complete splitting of the particle beam.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Gleichspannungselektroden in mindestens einer parallel zu dem Pfad orientierten und entlang des Pfades strukturierten Lei terschicht ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung und Ausrichtung der Gleichspannungselektroden relativ zueinander. Die Anordnung der Gleich spannungselektroden in einer derartigen Leiterschicht erlaubt es zudem, das durch die Gleichspannungselektroden erzeugte Potential kleinräumig zu strukturie ren. So kann der longitudinale Pfad beispielsweise in eine oder zwei transversale Richtungen gekrümmt sein oder der Pfad kann sich transversal in zwei oder mehr Teilpfade aufspalten. Insofern kann mit der vorliegenden Elektrodenstruktur auch auf einfache Art und Weise eine Gabelung oder ein Strahlteiler zum Aufspalten eines Strahls freier geladener Teilchen realisiert werden. According to one development, the DC voltage electrodes are formed in at least one conductor layer oriented parallel to the path and structured along the path. This enables simple production and alignment of the DC voltage electrodes relative to one another. The arrangement of the DC voltage electrodes in such a conductor layer also allows the potential generated by the DC voltage electrodes to be structured in a small area.For example, the longitudinal path can be curved in one or two transverse directions or the path can split transversely into two or more partial paths . In this respect, a fork or a beam splitter for splitting a beam of free charged particles can also be implemented in a simple manner with the present electrode structure.
Die Leiterschicht zur Ausbildung der Elektroden besteht aus einem elektrisch leit fähigen Material, beispielsweise aus einem Metall oder Halbleitermaterial. Die Lei terschicht kann beispielsweise Gold oder Kupfer umfassen, insbesondere zumin dest an einer den geladenen Teilchen zugewandten Oberfläche. Die Leiterschicht kann minimale Strukturgrößen von höchstens 1 mm, 100 gm, 50 gm, 10 gm oder 1 gm aufweisen. Beispielsweise kann die Breite von Isolierspalten zwischen ein zelnen Gleichspannungselektroden den genannten minimalen Strukturgrößen ent sprechen. Die Leiterschicht kann beispielsweise mittels einer Mikrofabrikations technik wie Lithographie, Laserbearbeitung oder Elektronenstrahlschneiden struk turiert worden sein. The conductor layer for forming the electrodes consists of an electrically conductive material, for example a metal or semiconductor material. The conductor layer can for example comprise gold or copper, in particular at least on a surface facing the charged particles. The conductor layer can have minimum structure sizes of at most 1 mm, 100 gm, 50 gm, 10 gm or 1 gm. For example, the width of the insulating gaps between individual DC voltage electrodes can correspond to the minimum structure sizes mentioned. The conductor layer can for example have been structured by means of a microfabrication technique such as lithography, laser processing or electron beam cutting.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Gleichspannungselektroden in zwei beab- standet voneinander angeordneten Leiterschichten ausgebildet, wobei die Leiter schichten beispielsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Gegenüber einer lediglich einseitig des Pfades angeordneten Leiterschicht, welche grundsätzlich im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich ist, können mit zwei beanstandet vonei nander angeordneten Leiterschichten stärkere Multipolfelder und damit auch ein stärkeres transversales ponderomotorisches Potential erzeugt werden. Die bean standet voneinander angeordneten Leiterschichten können beispielsweise auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des longitudinalen Pfades angeordnet sein. According to a further development, the DC voltage electrodes are formed in two conductor layers arranged at a distance from one another, the conductor layers being aligned, for example, parallel to one another. Compared to a conductor layer arranged only on one side of the path, which is basically also possible within the scope of the invention, stronger multipole fields and thus also a stronger transverse ponderomotive potential can be generated with two conductor layers spaced apart from one another. The conductor layers arranged so as to be spaced apart from one another can be arranged, for example, on two opposite sides of the longitudinal path.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Gleichspannungselektroden der Elektrodena nordnungen in den beiden Leiterschichten spiegelsymmetrisch zueinander ausge bildet, wobei einander in den beiden Leiterschichten gegenüberliegende Gleich spannungselektroden beispielsweise entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Derartige Elektrodenanordnungen erzeugen ein besonders gleichmäßiges und starkes Multipolfeld. Einander in den beiden Leiterschichten gegenüberliegende Gleichspannungselektroden können allgemein auch unterschiedliche Elektroden spannungen aufweisen, wobei die Elektrodenspannungen sowohl gleicher, als auch unterschiedlicher Polarität sein können. According to one development, the DC electrodes of the electrode assemblies in the two conductor layers are mirror-symmetrical to one another, DC electrodes lying opposite one another in the two conductor layers having, for example, opposite polarities. Such electrode arrangements generate a particularly uniform and strong multipole field. Direct voltage electrodes lying opposite one another in the two conductor layers can generally also have different electrode voltages, the electrode voltages being able to be of the same polarity as well as of different polarity.
Beispielsweise können die einzelnen Elektrodenanordnungen in jeder Leiter schicht zwei transversal nebeneinander angeordnete Gleichspannungselektroden aufweisen, wobei innerhalb der einzelnen Leiterschichten transversal nebeneinan der angeordnete Gleichspannungselektroden unterschiedliche Elektrodenspan nungen, beispielsweise unterschiedliche Elektrodenspannungen gleichen Betra ges und entgegengesetzter Polarität, aufweisen. Bei derartigen Elektrodenanord nungen bildet das erzeugte Multipolfeld in erster Näherung ein Quadrupolfeld, welches ein harmonisches transversales ponderomotorisches Potential erzeugt. For example, the individual electrode arrangements in each conductor layer can have two direct voltage electrodes arranged transversely next to one another have, with different electrode voltages, for example different electrode voltages of the same amount and opposite polarity, have within the individual conductor layers transversely next to one another arranged DC voltage electrodes. In such electrode arrangements, the generated multipole field forms, as a first approximation, a quadrupole field which generates a harmonic transverse ponderomotive potential.
Alternativ können die einzelnen Elektrodenanordnungen in jeder Leiterschicht auch drei transversal nebeneinander angeordnete Gleichspannungselektroden aufweisen, wobei innerhalb der einzelnen Leiterschichten transversal nebeneinan der angeordnete Gleichspannungselektroden unterschiedliche Elektrodenspan nungen aufweisen, beispielsweise unterschiedliche Elektrodenspannungen glei chen Betrages und entgegengesetzter Polarität. In diesem Fall kann das erzeugte Multipolfeld in erste Näherung ein Hexapolfeld bilden, mittels dem ein Kreuzungs punkt zum Aufspalten des Teilchenstrahls realisiert werden kann. Alternatively, the individual electrode arrangements in each conductor layer can also have three direct voltage electrodes arranged transversely next to one another, with different electrode voltages within the individual conductor layers having different electrode voltages, for example different electrode voltages of the same amount and opposite polarity. In this case, the generated multipole field can, in a first approximation, form a hexapole field, by means of which a point of intersection for splitting the particle beam can be realized.
Bei einer Weiterbildung ist die strukturierte Leiterschicht auf einer parallel zu dem longitudinalen Pfad verlaufenden Fläche angeordnet, wobei die Fläche beispiels weise eine ebene Fläche oder eine um den longitudinalen Pfad gekrümmte Fläche ist. Dies erlaubt eine besonders einfache Herstellung und relative Ausrichtung der in der strukturierten Leiterschicht ausgebildeten Gleichspannungselektroden. Ebenso kann eine der strukturierten Leiterschicht gegenüberliegende weitere Lei terschicht auf einer weiteren parallel zu dem longitudinalen Pfad verlaufenden Flä che angeordnet sein. In a further development, the structured conductor layer is arranged on a surface running parallel to the longitudinal path, the surface being, for example, a flat surface or a surface curved around the longitudinal path. This allows a particularly simple production and relative alignment of the direct voltage electrodes formed in the structured conductor layer. Likewise, a further conductor layer opposite the structured conductor layer can be arranged on a further surface running parallel to the longitudinal path.
Bei einer Weiterbildung ist die strukturierte Leiterschicht auf einer Trägerstruktur angeordnet ist, beispielsweise auf einer Trägerplatte oder Trägerfolie. Die Trä gerstruktur kann beispielsweise ein Substrat bilden, auf welches die Leiterschicht aufgebracht ist. Beschichtungsverfahren, mit welchen die Leiterschicht auf das Substrat aufgebracht werden kann, umfassen beispielsweise eine chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, Rakeln, Galvanisieren oder dergleichen. Die Trägerstruktur stabilisiert die Leiterschicht und kann neben der Leiterschicht noch weitere Leiterstrukturen, etwa Zuleitungen zur Kontaktierung der Gleich spannungselektroden, umfassen. In a further development, the structured conductor layer is arranged on a carrier structure, for example on a carrier plate or carrier film. The carrier structure can, for example, form a substrate to which the conductor layer is applied. Coating methods with which the conductor layer can be applied to the substrate include, for example, a chemical or physical vapor deposition, doctor blade coating, electroplating or the like. The carrier structure stabilizes the conductor layer and, in addition to the conductor layer, can also comprise further conductor structures, for example feed lines for making contact with the DC voltage electrodes.
Bei einer Weiterbildung ist eine Zuleitung, welche einzelne Gleichspannungselekt roden der Elektrodenanordnungen kontaktiert, in einer parallel zu der Leiterschicht verlaufenden weiteren Leiterschicht der Trägerstruktur ausgebildet und mit den Gleichspannungselektroden über durch die Trägerstruktur verlaufende Durchkon taktierungen verbunden. Dadurch können in der Nähe des longitudinalen Pfades angeordnete Gleichspannungselektroden kontaktiert werden, ohne die durch die Gleichspannungselektroden erzeugten Multipolfelder durch das elektrische Feld der Zuleitungen zu stören oder zu verformen. In a further development, a feed line which contacts individual DC voltage electrodes of the electrode arrangements is formed in a further conductor layer of the support structure that runs parallel to the conductor layer and is connected to the DC voltage electrodes via through-contacts running through the support structure. As a result, direct voltage electrodes arranged in the vicinity of the longitudinal path can be contacted without disturbing or deforming the multipole fields generated by the direct voltage electrodes by the electrical field of the supply lines.
Bei einer Weiterbildung verlaufen mehrere Zuleitungen in der weiteren Leiter schicht entlang des longitudinalen Pfades parallel zueinander, wobei die Zuleitun gen beispielsweise alternierend mit den Gleichspannungselektroden der einzelnen Elektrodenanordnungen verbunden sind. Dadurch können longitudinal nacheinan der angeordnete, beispielsweise longitudinal in einer Reihe angeordnete Gleich spannungselektroden auf besonders einfache Art und Weise mit Gleichspannun gen beaufschlagt werden, deren Elektrodenspannungen entlang des Pfades peri odisch variieren. In a further development, several supply lines in the further conductor layer run parallel to one another along the longitudinal path, the supply lines being connected alternately to the DC voltage electrodes of the individual electrode arrangements, for example. As a result, DC voltage electrodes arranged longitudinally one after the other, for example arranged longitudinally in a row, can be acted upon in a particularly simple manner with DC voltages whose electrode voltages vary periodically along the path.
Bei einer Weiterbildung sind die Gleichspannungselektroden der einzelnen Elekt rodenanordnungen jeweils mit zwei entgegengesetzt polarisierten Gleichspannun gen beaufschlagbar. Die durch die Elektrodenanordnungen erzeugten Multipolfel der können dann als symmetrisch gegenüber einem gemeinsamen Massepotential der beiden entgegengesetzt polarisierten Gleichspannungen ausgebildet sein, so dass sich dann auch der longitudinale Pfad auf Massepotential befindet. Die gela denen Teilchen können dann entlang des longitudinalen Pfades aus feldfreien, auf Massepotential liegenden Raumbereichen in die Elektronenstruktur eintreten, oh ne transversal angeregt zu werden. In a further development, the DC voltage electrodes of the individual Electrode arrangements can each be acted upon with two oppositely polarized DC voltages. The multipole generated by the electrode arrangements can then be designed as symmetrical with respect to a common ground potential of the two oppositely polarized DC voltages, so that the longitudinal path is then also at ground potential. The charged particles can then be field-free along the longitudinal path Space areas lying at ground potential enter the electronic structure without being excited transversely.
Es wird außerdem ein System mit der anspruchsgemäßen Elektrodenstruktur und einer Beschleunigungsvorrichtung angegeben, wobei die Beschleunigungsvorrich tung dazu eingerichtet ist, die geladenen Teilchen mit einer vorgegebenen Be schleunigungsspannung zu beschleunigen und anschließend entlang des longitu dinalen Pfades in die Elektrodenstruktur einzuspeisen und wobei die Beschleuni gungsspannung und an die mehrpoligen Elektrodenanordnungen angelegte Elekt rodenspannungen derart aufeinander abgestimmt sind, dass die beschleunigten geladenen Teilchen im zeitlichen Mittel stabile transversale Oszillation um den Ort des longitudinalen Pfades ausführen. Insbesondere können die Beschleunigungs spannung und die Elektrodenspannungen derart aufeinander abgestimmt sein, dass die Stabilitätsparameter qDC und aDC einen Betriebspunkt innerhalb des Sta bilitätsbereichs einer linearen Multipolfalle, beispielsweise innerhalb des Stabili tätsbereichs einer linearen Quadrupolfalle, definieren. A system with the electrode structure according to the claims and an acceleration device is also specified, the acceleration device being set up to accelerate the charged particles with a predetermined acceleration voltage and then to feed them along the longitudinal path into the electrode structure and with the acceleration voltage and on Electrode voltages applied to the multi-pole electrode arrangements are matched to one another in such a way that the accelerated charged particles, on average over time, execute stable transverse oscillation around the location of the longitudinal path. In particular, the acceleration voltage and the electrode voltages can be matched to one another in such a way that the stability parameters q DC and a DC define an operating point within the stability range of a linear multipole trap, for example within the stability range of a linear quadrupole trap.
Zur Erzeugung der an die Gleichspannungselektroden angelegten mindestens einen Elektrodenspannung kann das System außerdem eine oder mehrere Gleichspannungsquellen, beispielsweise Hochspannungsquellen, umfassen. To generate the at least one electrode voltage applied to the DC voltage electrodes, the system can also include one or more DC voltage sources, for example high voltage sources.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Beschleunigungseinrichtung dazu eingerichtet, mehrere Arten geladener Teilchen, beispielsweise gleichzeitig, auf die Beschleu nigungsspannung zu beschleunigen und entlang des longitudinalen Pfades in die Elektrodenstruktur einzuspeisen. Da die Stabilität der Teilchentrajektorien entlang des longitudinalen Pfades lediglich von der Beschleunigungsspannung U^, mit der die geladenen Teilchen vor Eintritt in die Elektrodenstruktur beschleunigt wurden, abhängt, nicht jedoch von der Masse oder dem Ladung-zu-Masse Verhältnis der einzelnen geladenen Teilchen, ist die Elektrodenstruktur dazu ausgebildet, simul tan geladene Teilchen unterschiedlicher Masse und/oder Ladung transversal ein- geschlossen zu führen. Dadurch können mit der vorliegenden Elektronenstruktur beispielsweise chemische Reaktionen bei niedrigen Teilchenenergien oder quan tenmechanische Wechselwirkungen unter Beteiligung verschiedener Arten gela dener Teilchen ausgeführt werden. According to a further development, the acceleration device is set up to accelerate several types of charged particles, for example simultaneously, to the acceleration voltage and to feed them into the electrode structure along the longitudinal path. Since the stability of the particle trajectories along the longitudinal path depends only on the acceleration voltage U ^ with which the charged particles were accelerated before entering the electrode structure, but not on the mass or the charge-to-mass ratio of the individual charged particles the electrode structure is designed to transversely load simultaneously charged particles of different mass and / or charge to lead closed. As a result, chemical reactions at low particle energies or quantum mechanical interactions involving various types of charged particles can be carried out with the present electronic structure.
Gemäß einer Weiterbildung ist das System als Elektronenmikroskop ausgebildet und der Strahl geladener Teilchen ist ein Elektronenmikroskopiestrahl zum Be strahlen eines Mikroskopieobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft daher insbe sondere auch die Verwendung der anspruchsgemäßen Elektrodenstruktur in ei nem Elektronenmikroskop. Insofern beziehen sich alle Vorteile und Weiterbildun gen, die im Zusammenhang mit der anspruchsgemäßen Elektrodenstruktur offen bart werden, auch auf die Verwendung der Elektronenstruktur in einem Elektro nenmikroskop und umgekehrt. According to one development, the system is designed as an electron microscope and the charged particle beam is an electron microscope beam for irradiating a microscope object. The present invention therefore relates in particular to the use of the electrode structure according to the claims in an electron microscope. In this respect, all the advantages and developments that are disclosed in connection with the electrode structure according to the claims also relate to the use of the electronic structure in an electron microscope and vice versa.
Die anspruchsgemäße Elektrodenstruktur erlaubt es beispielsweise, ein herkömm liches Elektronenmikroskop dahingehend zu verbessern, dass der Elektronen strahl auf einfache Weise transversal abgelenkt oder aufgespaltet werden kann. Bei einer Aufspaltung des Elektronenstrahls kann das Mikroskopieobjekt bei spielsweise mit zwei getrennten kohärenten Elektronenstrahlen untersucht wer den, wobei insbesondere eine Wechselwirkung des Mikroskopieobjekts mit einem der kohärenten Elektronenstrahlen anhand von Veränderungen des anderen ko härenten Elektronenstrahls detektiert werden kann. The electrode structure according to the claims makes it possible, for example, to improve a conventional electron microscope in such a way that the electron beam can be easily deflected or split transversely. If the electron beam is split up, the microscope object can be examined with two separate coherent electron beams, for example, and in particular an interaction of the microscope object with one of the coherent electron beams can be detected on the basis of changes in the other coherent electron beam.
Es können auch mehrere der anspruchsgemäßen Elektrodenstrukturen kaskadiert werden, so dass aus einer vorangehenden Elektrodenstruktur austretende gela dene Teilchen in eine nachfolgende Elektrodenstruktur eintreten. Die Elektroden strukturen können jeweils als Strahlteiler ausgebildete Gabelungen umfassen, so dass ein in die kaskadierten Elektrodenstrukturen eintretender Teilchenstrahl in eine Mehrzahl von Teilstrahlen, insbesondere in mehr als zwei Teilstrahlen, auf gespaltet wird. Es wird ferner ein Verfahren zum elektrostatischen Führen eines Strahls gelade ner Teilchen entlang eines longitudinalen Pfades angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Several of the electrode structures according to the claims can also be cascaded, so that charged particles emerging from a preceding electrode structure enter a subsequent electrode structure. The electrode structures can each include bifurcations designed as beam splitters, so that a particle beam entering the cascaded electrode structures is split into a plurality of partial beams, in particular into more than two partial beams. A method for electrostatically guiding a beam of charged particles along a longitudinal path is also specified, the method comprising the following steps:
Bereitstellen der anspruchsgemäßen Elektrodenstruktur; Providing the electrode structure according to the claims;
Beaufschlagen der Gleichspannungselektroden der Elektrodenanordnun gen mit entlang des longitudinalen Pfades periodisch variierenden Elektroden spannungen, so dass entlang des Pfades propagierende geladene Teilchen auf grund ihrer Eigenbewegung einem oszillierenden inhomogenen elektrischen Wechselfeld ausgesetzt sind und im zeitlichen Mittel eine transversale Rückstell kraft in Richtung des longitudinalen Pfades erfahren; Applying the DC voltage electrodes of the electrode arrangements with electrode voltages which vary periodically along the longitudinal path, so that charged particles propagating along the path are exposed to an oscillating inhomogeneous alternating field due to their own motion and experience a transverse restoring force in the direction of the longitudinal path on average over time;
Einspeisen der geladenen Teilchen entlang des longitudinalen Pfades in die Elektrodenstruktur; und Feeding the charged particles along the longitudinal path into the electrode structure; and
Führen der geladenen Teilchen entlang des longitudinalen Pfades mittels der transversale Rückstellkraft. Guiding the charged particles along the longitudinal path by means of the transverse restoring force.
Dabei beziehen sich alle Vorteile und Weiterbildungen, welche im Zusammenhang mit der anspruchsgemäßen Elektrodenstruktur offenbart sind, auch auf das an spruchsgemäße Verfahren und umgekehrt. Insbesondere kann das Verfahren ein Beschleunigen der geladenen Teilchen mit einer vorgegebenen Beschleunigungs spannung umfassen. Die vorgegebene Beschleunigungsspannung und die an die Gleichspannungselektroden angeordneten Elektrodenspannungen können dabei derart aufeinander abgestimmt sein, dass die Stabilitätsparameter qn und an bzw. qDC und aDC einen Betriebspunkt innerhalb des Stabilitätsbereichs einer line aren Multipolfalle, beispielsweise innerhalb des Stabilitätsbereichs einer linearen Quardupolfalle, definieren. All advantages and developments which are disclosed in connection with the electrode structure according to the claims also relate to the method according to the claims and vice versa. In particular, the method can include accelerating the charged particles with a predetermined acceleration voltage. The specified acceleration voltage and the electrode voltages arranged on the DC voltage electrodes can be coordinated with one another in such a way that the stability parameters q n and a n or q DC and a DC an operating point within the stability range of a linear multipole trap, for example within the stability range of a linear quadrupole trap, define.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigen in je weils schematischer Darstellung: Fig. 1 eine lineare Quadrupolfalle gemäß dem Stand der Technik; The invention is explained below with reference to figures. In each case show a schematic representation: 1 shows a linear quadrupole trap according to the prior art;
Fig. 2 ein System zum Führen eines Strahls geladener Teilchen mit einer Elektro denstruktur; Fig. 2 shows a system for guiding a charged particle beam with an electrode structure;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Elektro denstruktur; Fig. 3 is a perspective view of a first embodiment of the electrode structure;
Fig. 4 eine Aufsicht auf eine erste Leiterschicht der Elektrodenstruktur; 4 shows a plan view of a first conductor layer of the electrode structure;
Fig. 5 einen Schnitt durch die Elektrodenstruktur in einer der transversalen Ebe nen; 5 shows a section through the electrode structure in one of the transverse planes;
Fig. 6 ein durch die Elektrodenstruktur erzeugtes ponderomotorisches Potential;6 shows a ponderomotive potential generated by the electrode structure;
Fig. 7 eine Aufsicht auf eine Leiterschicht einer Elektrodenstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform; 7 shows a plan view of a conductor layer of an electrode structure according to a second embodiment;
Fig. 8 eine Aufsicht auf eine weitere Leiterschicht der Elektrodenstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform; 8 shows a plan view of a further conductor layer of the electrode structure according to the second embodiment;
Fig. 9 eine Detailansicht von Zuleitungen an einer Eingangsseite der Elektroden struktur gemäß der zweiten Ausführungsform; 9 shows a detailed view of supply lines on an input side of the electrode structure according to the second embodiment;
Fig. 10 eine Detailansicht von Zuleitungen an einer Ausgangsseite der Elektro denstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform; 10 shows a detailed view of leads on an output side of the electrode structure according to the second embodiment;
Fig. 11 experimentelle Detektorsignale zum Nachweis von Elektronen an der Ausgangsseite der Elektrodenstruktur gemäß der zweiten Ausführungs form; 11 shows experimental detector signals for detecting electrons on the output side of the electrode structure according to the second embodiment;
Fig. 12 experimentelle Detektorsignale zum Nachweis von Heliumionen an der Ausgangsseite der Elektrodenstruktur gemäß der zweiten Ausführungs form; 12 shows experimental detector signals for the detection of helium ions on the output side of the electrode structure according to the second embodiment;
Fig. 13 eine Intensität des Detektorsignals eines geführten Strahls von Elektro nen in Abhängigkeit von einer Beschleunigungsspannung und einer Elektrodenspannung; 13 shows an intensity of the detector signal of a guided beam of electrons as a function of an acceleration voltage and an electrode voltage;
Fig. 14 eine Intensität des Detektorsignals eines geführten Strahls von Heli umionen in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung und der Elektrodenspannung; Fig. 15 eine Aufsicht auf eine Leiterschicht einer dritten Ausführungsform der Elektrodenstruktur; 14 shows an intensity of the detector signal of a guided beam of heli umionen as a function of the acceleration voltage and the electrode voltage; 15 shows a plan view of a conductor layer of a third embodiment of the electrode structure;
Fig. 16 eine Kontaktierung von Gleichspannungselektroden der Elektroden struktur gemäß der dritten Ausführungsform; 16 shows a contacting of DC voltage electrodes of the electrode structure according to the third embodiment;
Fig. 17 ein Stabilitätsdiagramm der Elektrodenstruktur gemäß der dritten Aus führungsform; 17 shows a stability diagram of the electrode structure according to the third embodiment;
Fig. 18 eine Aufsicht auf eine erste Leiterschicht einer als Gabelung ausgebil deten vierten Ausführungsform der Elektrodenstruktur; 18 shows a plan view of a first conductor layer of a fourth embodiment of the electrode structure formed as a fork;
Fig. 19 einen transversalen Schnitt durch eine Elektrodenanordnung der Gabe lung; 19 shows a transverse section through an electrode arrangement of the fork treatment;
Fig. 20 transversale Schnitte durch ponderomotorische Potentiale der Gabe lung; 20 transverse sections through ponderomotive potentials of the gift;
Fig. 21 Detektorsignale zum Nachweis von Elektronen an der Ausgangsseite der Gabelung; 21 shows detector signals for detecting electrons on the exit side of the fork;
Fig. 22 eine Kontaktierung von Gleichspannungselektroden einer ersten Leiter schicht einer alternativen Ausführungsform der Gabelung; 22 shows a contacting of direct voltage electrodes of a first conductor layer of an alternative embodiment of the fork;
Fig. 23 eine Aufsicht auf eine erste Leiterschicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Gabelung; 23 shows a plan view of a first conductor layer of a further alternative embodiment of the fork;
Fig. 24 eine Verwendung der Gabelung in einem Elektronenmikroskop. 24 shows a use of the bifurcation in an electron microscope.
Fig. 2 zeigt ein System 1 zum Führen eines Strahls 10 geladener Teilchen entlang eines longitudinalen Pfades 20. Das System 1 umfasst eine Beschleunigungsvor richtung 60 zum Beschleunigen der geladenen Teilchen mit einer vorgegebenen Beschleunigungsspannung 62 und eine Elektrodenstruktur 100 mit einer entlang des Pfades 20 angeordneten planaren Leiterschicht 212. Nachdem die geladenen Teilchen in der Beschleunigungsvorrichtung 60 mit der Beschleunigungsspannung 62 beschleunigt wurden, treten sie an einer Eingangsseite 150 der Elektroden struktur 100 in ein durch die Leiterschicht 212 entlang des Pfades 20 erzeugtes ponderomotorisches Potential ein, welches die geladenen Teilchen entlang des Pfades 20 in senkrecht zu dem Pfad 20 orientierten Richtungen transversal ein- schließt. Nachdem die geladenen Teilchen das transversal einschließende ponde- romotorische Potential entlang des Pfades 20 durchquert haben, verlassen sie das Potential auf einer Ausgangsseite 152 der Elektrodenstruktur 100. Die in Fig. 2 dargestellte Elektrodenstruktur 100 ist beispielhaft dazu ausgebildet, den Strahl 10 mittels des ponderomotorischen Potentials entlang einer Kurve transversal abzu lenken. 2 shows a system 1 for guiding a beam 10 of charged particles along a longitudinal path 20. The system 1 comprises an accelerator 60 for accelerating the charged particles with a predetermined acceleration voltage 62 and an electrode structure 100 with a planar structure arranged along the path 20 Conductor layer 212. After the charged particles have been accelerated in the acceleration device 60 with the acceleration voltage 62, they enter a ponderomotive potential generated by the conductor layer 212 along the path 20 on an input side 150 of the electrode structure 100, which the charged particles along the path 20 in directions perpendicular to the path 20 transversely a closes. After the charged particles have crossed the transversely enclosing pondromotor potential along the path 20, they leave the potential on an output side 152 of the electrode structure 100. The electrode structure 100 shown in FIG deflect transversely along a curve.
Das System 1 umfasst außerdem eine Gleichspannungsquelle 75, welche mit der Elektrodenstruktur 100 verbunden ist und alle zur Erzeugung des ponderomotori schen Potentials notwendigen Elektrodenspannungen 51, 52 für in Fig. 2 nicht dargestellte Gleichspannungselektroden der Elektrodenstruktur 100 bereitstellt. Ferner umfasst das System 1 eine mit der Beschleunigungsvorrichtung 60 ver bundene Beschleunigungsspannungsquelle 73, welche die Beschleunigungs spannung 62 bereitstellt. The system 1 also includes a DC voltage source 75, which is connected to the electrode structure 100 and provides all of the electrode voltages 51, 52 necessary to generate the ponderomotori potential for the DC voltage electrodes of the electrode structure 100 (not shown in FIG. 2). Furthermore, the system 1 comprises an acceleration voltage source 73 which is connected to the acceleration device 60 and which provides the acceleration voltage 62.
Die Gleichspannungsquelle 75 und die Beschleunigungsspannungsquelle 73 sind mit einer Steuervorrichtung 70 verbunden, welche die Beschleunigungsspan nung 62 und die an die Gleichspannungselektroden der Elektrodenvorrichtung 100 angelegten Elektrodenspannungen 51 , 52 vorgibt und derart aufeinander ab stimmt, dass die geladenen Teilchen entlang des Pfades 20 stabile Trajektorien innerhalb des ponderomotorischen Potentials ausführen. The direct voltage source 75 and the acceleration voltage source 73 are connected to a control device 70, which specifies the acceleration voltage 62 and the electrode voltages 51, 52 applied to the direct voltage electrodes of the electrode device 100 and coordinates them in such a way that the charged particles along the path 20 have stable trajectories within of the ponderomotive potential.
Fig. 3 zeigt ausschnittsweise eine perspektivische Darstellung einer ersten Aus führungsform der Elektrodenstruktur 100, bei der der Pfad 20, entlang dem die geladenen Teilchen 11 mit einer longitudinalen Geschwindigkeit 16 geführt wer den, gerade in einer longitudinalen Richtung 101 verläuft. Die Elektrodenstruktur 100 umfasst eine ebene erste Leiterschicht 212 und eine der ersten Leiterschicht 212 in einer senkrecht zu der longitudinalen Richtung 101 orientierten Höhenrich tung 103 gegenüberliegend angeordnete ebene zweite Leiterschicht 222. Die Lei terschichten 212, 222 sind parallel zueinander ausgerichtet und weisen in der Hö- henrichtung 103 einen Abstand 201 von 1 mm voneinander auf. Die Leiterschich ten 212, 222 erstrecken sich entlang der longitudinalen Richtung 101 und entlang einer senkrecht zu der longitudinalen Richtung 101 und der Höhenrichtung 103 orientierten transversalen Richtung 102. 3 shows a section of a perspective illustration of a first embodiment of the electrode structure 100, in which the path 20, along which the charged particles 11 are guided at a longitudinal speed 16, runs straight in a longitudinal direction 101. The electrode structure 100 comprises a planar first conductor layer 212 and a planar second conductor layer 222 arranged opposite one another of the first conductor layer 212 in a height direction 103 oriented perpendicular to the longitudinal direction 101. hen direction 103 a distance 201 of 1 mm from each other. The conductor layers 212, 222 extend along the longitudinal direction 101 and along a transverse direction 102 oriented perpendicular to the longitudinal direction 101 and the height direction 103.
Bei alternativen Ausführungsformen der Elektrodenstruktur 100 kann der Abstand allgemein auch weniger als 10 mm, weniger als 5 mm, weniger als 1 mm, weniger als 0,5 mm, weniger als 0,1 mm, weniger als 0,05 mm oder weniger als 0,01 mm betragen. In alternative embodiments of the electrode structure 100, the distance can generally also be less than 10 mm, less than 5 mm, less than 1 mm, less than 0.5 mm, less than 0.1 mm, less than 0.05 mm or less than 0 .01 mm.
Die erste Leiterschicht 212 umfasst eine entlang der longitudinalen Richtung 101 verlaufende erste Reihe 251 von Gleichspannungselektroden 120 und eine in der transversalen Richtung 102 parallel neben der ersten Reihe 251 verlaufende zwei te Reihe 252 von Gleichspannungselektroden 120. In den einzelnen Reihen 251, 252 sind in der longitudinalen Richtung 101 abwechselnd als erste Gleichspan nungselektroden 121 und als zweite Gleichspannungselektroden 222 ausgebildete Gleichspannungselektroden 120 angeordnet. In der transversalen Richtung 102 sind die ersten und zweiten Gleichspannungselektroden 121, 122 jeweils paarwei se nebeneinander angeordnet. Die ersten und zweiten Gleichspannungselektro den 121, 122 weisen jeweils entgegengesetzte Polaritäten gegenüber Masse auf, wobei die ersten Gleichspannungselektroden 121 mit einer durch die Gleichspan nungsquelle 75 bereitgestellten ersten Gleichspannung 51 und die zweiten Gleichspannungselektroden 122 mit einer durch die Gleichspannungsquelle 75 bereitgestellten zweiten Gleichspannung 52 beaufschlagt sind. Die Gleichspan nungen 51 , 52 sind gegenüber Masse entgegengesetzt polarisiert und weisen den gleichen Spannungsbetrag UDC gegenüber Masse auf, so dass die erste Gleich spannung 51 +f/DC und die zweite Gleichspannung 52 -UDC beträgt. The first conductor layer 212 comprises a first row 251 of direct voltage electrodes 120 running along the longitudinal direction 101 and a second row 252 of direct voltage electrodes 120 running parallel to the first row 251 in the transverse direction 102 longitudinal direction 101 arranged alternately as first DC voltage electrodes 121 and DC voltage electrodes 120 formed as second DC voltage electrodes 222. In the transverse direction 102, the first and second DC voltage electrodes 121, 122 are each arranged in pairs next to one another. The first and second DC voltage electrodes 121, 122 each have opposite polarities with respect to ground, the first DC voltage electrodes 121 being acted upon by a first DC voltage 51 provided by the DC voltage source 75 and the second DC voltage electrodes 122 being acted upon by a second DC voltage 52 provided by the DC voltage source 75 . The DC voltages 51, 52 are polarized in opposite directions with respect to ground and have the same amount of voltage U DC with respect to ground, so that the first DC voltage 51 + f / DC and the second DC voltage 52 -U DC .
In der zweiten Leiterschicht 222 sind die Gleichspannungselektroden 120 eben falls in einer ersten Reihe 251 und einer zweiten Reihe 252 entlang der longitudi- nalen Richtung 101 angeordnet, wobei die ersten und zweiten Reihen 251, 252 der ersten und zweiten Leiterschicht 212, 222 jeweils einander in der Höhenrich tung 103 gegenüberliegen. In den Reihen 251, 252 der zweiten Leiterschicht 222 sind in der longitudinalen Richtung 101 abwechselnd als erste Gegenelektroden 123 und als zweite Gegenelektroden 124 ausgebildete Gleichspannungselektro den 120 angeordnet. Dabei liegen in der Höhenrichtung 103 die ersten Gegen elektroden 123 den ersten Gleichspannungselektroden 121 der ersten Leiter schicht 212 und die zweiten Gegenelektroden 124 den zweiten Gleichspannungs elektroden 122 der ersten Leiterschicht 212 gegenüber. Die ersten Gegenelektro den 123 sind mit der zweiten Gleichspannung 52 und die zweiten Gegenelektro den 124 sind mit der ersten Gleichspannung 51 beaufschlagt. In the second conductor layer 222, the DC voltage electrodes 120 are also if in a first row 251 and a second row 252 along the longitudinal Nal direction 101 arranged, wherein the first and second rows 251, 252 of the first and second conductor layer 212, 222 are opposite one another in the device 103 height direction. In the rows 251, 252 of the second conductor layer 222, direct voltage electrodes 120 formed alternately as first counter-electrodes 123 and second counter-electrodes 124 are arranged in the longitudinal direction 101. In the height direction 103, the first counter electrodes 123 lie opposite the first DC voltage electrodes 121 of the first conductor layer 212 and the second counter electrodes 124 lie opposite the second DC voltage electrodes 122 of the first conductor layer 212. The first counterelectrodes 123 have the second direct voltage 52 and the second counterelectrodes 124 have the first direct voltage 51 applied to them.
Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf die erste Leiterschicht 212. Die Gleichspannungs elektroden 120 sind in den beiden Reihen 251 , 252 in einem Abstand 111 von 1,4 mm zueinander angeordnet und weisen in der longitudinalen Richtung 101 eine Elektrodenlänge 141 von 1,3 mm auf. Die Gleichspannungselektroden 120 sind in einer Massefläche 125 der ersten Leiterschicht 212 ausgebildet und von der Massefläche 125 durch Isolierspalte 129 elektrisch isoliert. Eine Periodenlän ge 112, mit der sich die Gleichspannungen der Gleichspannungselektroden ent lang der longitudinalen Richtung 101 variieren, beträgt LP = 2,4 mm, wobei in der longitudinalen Richtung 101 zwei Gleichspannungselektroden 120 innerhalb der Periodenlänge 112 hintereinander angeordnet sind. Insgesamt weist die Elektro denstruktur 100 in der longitudinalen Richtung 101 eine Länge 105 von beispiels weise 100 mm auf. 4 shows a plan view of the first conductor layer 212. The direct voltage electrodes 120 are arranged in the two rows 251, 252 at a distance 111 of 1.4 mm from one another and have an electrode length 141 of 1.3 mm in the longitudinal direction 101 on. The DC voltage electrodes 120 are formed in a ground area 125 of the first conductor layer 212 and are electrically insulated from the ground area 125 by insulating gaps 129. A period length 112 with which the direct voltages of the direct voltage electrodes vary along the longitudinal direction 101 is L P = 2.4 mm, two direct voltage electrodes 120 being arranged one behind the other in the longitudinal direction 101 within the period length 112. Overall, the electrode structure 100 has a length 105 of, for example, 100 mm in the longitudinal direction 101.
In der transversalen Richtung 102 nebeneinander angeordnete Gleichspannungs elektroden 121 , 122 bilden zusammen mit den in der Höhenrichtung 103 gegen überliegenden Gegenelektroden 123, 124 jeweils Elektrodenanordnungen 110, welche in mittig durch die Elektrodenanordnungen 110 verlaufenden und senk recht zu der longitudinalen Richtung 101 orientierten transversalen Ebenen 30 um den Pfad 20 zentrierte statische Quadrupolfelder erzeugen. Zwischen den einzel nen Elektrodenanordnungen 110 bildet die Massefläche 125 jeweils Masseelekt roden aus, welche die Gleichspannungselektroden 120 der einzelnen Elektro denanordnungen 110 entlang der longitudinalen Richtung 101 voneinander tren nen. Direct voltage electrodes 121, 122 arranged next to one another in transverse direction 102, together with counter-electrodes 123, 124 lying opposite one another in height direction 103, each form electrode arrangements 110, which are arranged in transverse planes 30 running centrally through electrode arrangements 110 and perpendicular to longitudinal direction 101 around generate the path 20 centered static quadrupole fields. Between the individual electrode arrangements 110, the ground surface 125 forms ground electrodes which separate the DC voltage electrodes 120 of the individual electrode arrangements 110 from one another along the longitudinal direction 101.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Elektrodenstruktur 100 in einer der transversa len Ebenen 110. In der transversalen Richtung 102 weisen die Gleichspannungs elektroden 120 jeweils eine Elektrodenbreite 140 von 1,4 mm auf. Der Isolierspalt 129, welche die Gleichspannungselektroden 120 umgibt, hat eine Spaltbreite 142 von 0,1 mm. Der longitudinale Pfad 20, entlang dem die geladenen Teilchen 11 transversal eingeschlossen geführt werden, liegt in einer Mittenebene 108 zwi schen der ersten und zweiten Leiterschicht 212, 222 und hat jeweils einen Pfad abstand 106 von Ro= 0,5 mm von den Leiterschichten 212, 222. Wie in den Figu ren 3 bis 5 dargestellt ist, sind die erste und zweite Leiterschicht 212, 222 spiegel symmetrisch bezüglich der Mittenebene 108 ausgebildet. 5 shows a section through the electrode structure 100 in one of the transverse planes 110. In the transverse direction 102, the DC voltage electrodes 120 each have an electrode width 140 of 1.4 mm. The insulating gap 129, which surrounds the DC voltage electrodes 120, has a gap width 142 of 0.1 mm. The longitudinal path 20, along which the charged particles 11 are trapped transversely, lies in a central plane 108 between the first and second conductor layers 212, 222 and each has a path distance 106 of Ro = 0.5 mm from the conductor layers 212, 222. As shown in FIGS. 3 to 5, the first and second conductor layers 212, 222 are designed mirror-symmetrically with respect to the center plane 108.
Die erste Leiterschicht 212 ist auf einer ersten Fläche 211 einer ersten Trä gerstruktur 210 und die zweite Leiterschicht 222 auf einer zweiten Fläche 221 ei ner zweiten Trägerstruktur 220 angeordnet. Auf Seiten, die den Flächen 211 , 221 gegenüberliegen, weisen die Trägerstrukturen 210, 220 jeweils weitere Leiter schichten 214, 224 auf, in denen jeweils eine erste Zuleitung 215 und eine zweite Zuleitung 216 ausgebildet ist. Die Zuleitungen 215, 216 verlaufen in den Leiter schichten 214, 224 jeweils entlang des longitudinalen Pfades 20. The first conductor layer 212 is arranged on a first surface 211 of a first carrier structure 210 and the second conductor layer 222 is arranged on a second surface 221 of a second carrier structure 220. On the sides opposite the surfaces 211, 221, the carrier structures 210, 220 each have further conductor layers 214, 224, in each of which a first lead 215 and a second lead 216 are formed. The leads 215, 216 run in the conductor layers 214, 224 along the longitudinal path 20, respectively.
Die erste Zuleitung 215 ist mit der ersten Elektrodenspannung 51 und die zweite Zuleitung 216 ist mit der zweiten Elektrodenspannung 52 beaufschlagt. Die ersten Gleichspannungselektroden 121 und die zweiten Gegenelektroden 124 sind über Durchkontaktierungen 218, welche jeweils durch die Trägerstrukturen 210, 220 verlaufen, mit den jeweiligen ersten Zuleitungen 215 der Leiterschichten 214, 224 verbunden und die zweiten Gleichspannungselektroden 122 und die zweiten Ge genelektroden 124 sind über analoge Durchkontaktierungen 218 mit den jeweili gen zweiten Zuleitungen 216 der Leiterschichten 214, 224 verbunden. The first lead 215 has the first electrode voltage 51 applied to it, and the second lead 216 has the second electrode voltage 52 applied to it. The first DC voltage electrodes 121 and the second counter-electrodes 124 are connected to the respective first supply lines 215 of the conductor layers 214, 224 via vias 218, which each run through the carrier structures 210, 220 and the second DC voltage electrodes 122 and the second counter electrodes 124 are connected via analog vias 218 to the respective second leads 216 of the conductor layers 214, 224.
Die einzelnen Elektrodenanordnungen 110 bilden jeweils um den Pfad 20 zentrier te Quadrupollinsen mit longitudinal wechselnder Polarität. Im Ruhesystem der ent lang des Pfades 20 propagierenden geladenen Teilchen 11 erzeugen die Elektro denanordnungen 110 ein oszillierendes Quadrupolfeld mit einer effektiven Fre quenz W |m zejt|jChen Mittel erfahren die geladenen TeilchenThe individual electrode arrangements 110 each form quadrupole lenses centered around the path 20 with longitudinally alternating polarity. In the rest system of the charged particles 11 propagating along the path 20, the electrode arrangements 110 generate an oscillating quadrupole field with an effective frequency W | m ze jt | j C h en means experience the charged particles
Lp Lp L p Lp
11 eine transversale Rückstellkraft in Richtung des Pfades 20, welche durch das ponderomotorische Potential beschrieben wird. 11 shows a transverse restoring force in the direction of the path 20, which is described by the ponderomotive potential.
In Fig. 6 ist das ponderomotorisches Potential Y - dargestellt, welches die in den Abbildungen 4 und 5 dargestellte Elektrodenstruktur 100 in den transversa len Ebenen 30 für Elektronen mit einer kinetischen Energie von 1 keV (UA = 1 kV) und Elektrodenspannungen 51 , 52 von UDC = +100 V erzeugt. Der Mittelwert (E2) des Betragsquadrates des elektrischen Feldes wurde dabei über eine Perioden länge 112 gebildet, wobei das Betragsquadrat des Feldes aus allen drei räumli chen Feldkomponenten Ex, Ey, Ez entlang der Richtung 101 , 102, 103 gebildet wurde. Das ponderomotorisches Potential Y bildet in erster Näherung ein harmo nisches Potential, welches in alle Richtungen 102, 103 senkrecht zu dem longitu dinalen Pfad 20 eine lineare Rückstellkraft in Richtung des Pfades 20 erzeugt. In Fig. 6 the ponderomotive potential Y - shown which the Electrode structure 100 shown in Figures 4 and 5 in the transversa len planes 30 for electrons with a kinetic energy of 1 keV (UA = 1 kV) and electrode voltages 51, 52 of U DC = +100 V generated. The mean value (E 2 ) of the square magnitude of the electric field was formed over a period length 112, the square magnitude of the field being formed from all three spatial field components E x , E y , E z along the direction 101, 102, 103. As a first approximation, the ponderomotive potential Y forms a harmonic potential which generates a linear restoring force in the direction of the path 20 in all directions 102, 103 perpendicular to the longitudinal path 20.
Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100, bei welcher die geladenen Teilchen 11 entlang eines s-förmigen Pfades 20 geführt werden. Dabei ist in Fig. 7 eine Aufsicht auf die erste Leiterschicht 212 der Elektroden struktur 100 dargestellt. Soweit sich aus den Figuren und der Beschreibung keine Unterschiede ergeben, ist die in Fig. 7 dargestellte zweite Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100 ausgebildet, wie es im Zusammenhang mit der in den Figu ren 3 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform offenbart wird und umgekehrt. FIG. 7 shows a second embodiment of the electrode structure 100, in which the charged particles 11 are guided along an S-shaped path 20. In this case, a plan view of the first conductor layer 212 of the electrode structure 100 is shown in FIG. 7. Insofar as there are no differences from the figures and the description, the second embodiment shown in FIG. 7 is the Electrode structure 100 is formed, as disclosed in connection with the first embodiment shown in FIGS. 3 to 5, and vice versa.
Die Elektrodenstruktur 100 weist an einer longitudinalen Seite eine erste Kontakt fläche 217 auf, welche über eine Durchkontaktierung 218 mit der ersten ZuleitungThe electrode structure 100 has a first contact surface 217 on a longitudinal side, which via a through-hole contact 218 with the first supply line
215 auf der der ersten Leiterschicht 212 gegenüberliegenden weiteren Leiter schicht 214 elektrisch leitend verbunden ist, und eine Kontaktfläche 219, die über eine weitere Durchkontaktierung 218 mit der zweiten Zuleitung 215 auf der weite ren Leiterschicht 214 elektrisch leitend verbunden ist. 215 on the other conductor layer 214 opposite to the first conductor layer 212 is electrically conductively connected, and a contact surface 219 which is electrically conductively connected via a further through-hole contact 218 to the second lead 215 on the further conductor layer 214.
Fig. 8 zeigt eine Aufsicht auf die weitere Leiterschicht 214 der zweiten Ausfüh rungsform der Elektrodenstruktur 100. Dabei ist die Blickrichtung entgegen der Höhenrichtung 103 orientiert, sodass eine der ersten Trägerstruktur 210 zuge wandte Seite der weiteren Leiterschicht 214 zu sehen ist. Die Zuleitungen 215,8 shows a plan view of the further conductor layer 214 of the second embodiment of the electrode structure 100. The viewing direction is oriented counter to the height direction 103, so that a side of the further conductor layer 214 facing the first carrier structure 210 can be seen. The leads 215,
216 verlaufen nebeneinander entlang des longitudinalen Pfades 20, wobei die ers te Zuleitung 215 in zwei beidseits der zweiten Zuleitung 216 angeordnete Teillei tungen verzweigt. Dabei verlaufen die Teilleitungen der ersten Zuleitung 215 und die zweite Zuleitung 216 entlang des Pfades 20 jeweils meanderförmig nebenei nander. 216 run side by side along the longitudinal path 20, the first feed line 215 branching out into two sub-lines arranged on both sides of the second feed line 216. The partial lines of the first feed line 215 and the second feed line 216 each run in a meandering manner alongside one another along the path 20.
Fig. 9 zeigt eine Detailansicht der Zuleitungen 215, 216 an der Eingangsseite 150 der Elektrodenstruktur 100 und Fig. 10 zeigt eine Detailansicht der Zuleitungen 215, 216 an der Ausgangsseite 152 der Elektrodenstruktur 100. Zusätzlich sind in den Figuren 9 und 10 jeweils die in der ersten Leiterschicht 212 ausgebildeten Gleichspannungselektroden 120 gestrichelt dargestellt. Die zweiten Gleichspan nungselektroden 122 sind der Reihe nach über die Durchkontaktierungen 218 mit der zwischen den beiden Teilleitungen der ersten Zuleitung 215 verlaufenden zweiten Zuleitung 216 elektrisch leitend verbunden. Die Teilleitungen der ersten Zuleitung 215 sind entlang der longitudinalen Richtung 101 über Durchkontaktie rungen 218 jeweils abwechselnd mit den ersten Gleichspannungselektroden 121 der einzelnen Elektrodenanordnungen 110 elektrisch leitend verbunden. Die in den Figuren 8 bis 10 dargestellte Kontaktierung der Gleichspannungselektroden 121, 122 kann analog auch bei der ersten Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100 erfolgen. 9 shows a detailed view of the leads 215, 216 on the input side 150 of the electrode structure 100 and FIG. 10 shows a detailed view of the leads 215, 216 on the output side 152 of the electrode structure 100 DC voltage electrodes 120 formed first conductor layer 212 are shown in dashed lines. The second DC voltage electrodes 122 are successively connected in an electrically conductive manner via the plated-through holes 218 to the second feed line 216 running between the two sub-lines of the first feed line 215. The partial lines of the first supply line 215 are each alternating with the first DC voltage electrodes 121 along the longitudinal direction 101 via vias 218 of the individual electrode arrangements 110 are electrically conductively connected. The contacting of the DC voltage electrodes 121, 122 shown in FIGS. 8 to 10 can also take place analogously in the first embodiment of the electrode structure 100.
Die Figuren 11a und 11b zeigen experimentelle Detektorsignale zum Nachweis von Elektronen mit einer kinetischen Energie von 2,5 keV, welche an der Aus gangsseite 152 aus dem ponderomotorischen Potential der s-förmigen Elektro denstruktur 100 gemäß der zweiten Ausführungsform austreten. Bei Aufnahme des in Fig. 11a dargestellten Detektorsignals wurden die Gleichspannungselektro den 120 mit Massepotential verbunden (UDC = 0 V), während die Gleichspan nungselektroden 120 bei Aufnahme des in Fig. 11b dargestellten Detektorsignals mit Elektrodenspannungen von UDC = 410 V beaufschlagt wurden. Liegen die Gleichspannungselektroden 120 auf Massepotential, so treten die Elektronen als ungeführter Strahl 15 aus der Elektrodenstruktur 100 aus. Bei Elektrodenspan nungen von UDC = 410 V werden dagegen sämtliche Elektronen als transversal eingeschlossener Strahl 10 entlang des Pfades 20 geführt, so dass sie in der transversalen Richtung 102 seitlich versetzt von der Position des ungeführten Strahls 10 aus der Elektrodenstruktur 100 austreten. FIGS. 11a and 11b show experimental detector signals for the detection of electrons with a kinetic energy of 2.5 keV, which emerge on the output side 152 from the ponderomotive potential of the S-shaped electrode structure 100 according to the second embodiment. When the detector signal shown in Fig. 11a was recorded, the DC voltage electrodes 120 were connected to ground potential (UDC = 0 V), while electrode voltages of UDC = 410 V were applied to the DC voltage electrodes 120 when the detector signal shown in Fig. 11b was recorded. If the DC voltage electrodes 120 are at ground potential, the electrons emerge from the electrode structure 100 as an unguided beam 15. At electrode voltages of UDC = 410 V, on the other hand, all electrons are guided as a transversely enclosed beam 10 along the path 20, so that they emerge from the electrode structure 100 laterally offset from the position of the unguided beam 10 in the transverse direction 102.
Die Figuren 12a und 12b zeigen analoge Detektorsignale für Heliumionen für die gleiche Beschleunigungsspannung 62 von 2,5 kV. Wie den Figuren 11a/b und 12a/b entnommen werden kann, ist der transversale Einschluss der geladenen Teilchen in dem durch die Elektrodenstruktur 100 erzeugten transversalen ponde romotorischen Potential bei gleicher Beschleunigungsspannung 62 unabhängig von der Masse der geladenen Teilchen 11. FIGS. 12a and 12b show analog detector signals for helium ions for the same acceleration voltage 62 of 2.5 kV. As can be seen from FIGS. 11a / b and 12a / b, the transverse inclusion of the charged particles in the transverse ponde romotor potential generated by the electrode structure 100 is independent of the mass of the charged particles 11 with the same acceleration voltage 62.
Fig. 13 zeigt die Intensität 80 des Detektorsignals des geführten Strahls 10 von Elektronen in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung 62 und den Elekt rodenspannungen 51, 52 und Fig. 14 die entsprechende Intensität 80 des Detek- torsignals des geführten Stahls 10 von Heliumionen. Wie den Figuren 13 und 14 entnommen werden kann, werden beide Arten geladener Teilchen 11 stabil ent lang des longitudinalen Pfades geführt, wenn der durch das das Verhältnis aus Elektrodenspannung UDC und Beschleunigungsspannung UA gegebene Stabili tätsparameter qoc zwischen 0,4 und 0,9 liegt. In den Figuren 13 und 14 sind zu dem die effektiven Frequenzen ü = 2n^2 QUAfM_ angegeben, welche für die jeweili-Fig. 13 shows the intensity 80 of the detector signal of the guided beam 10 of electrons as a function of the acceleration voltage 62 and the Electrode voltages 51, 52 and Fig. 14 shows the corresponding intensity 80 of the detector Led steel 10 gate signal of helium ions. As can be seen from FIGS. 13 and 14, both types of charged particles 11 are stably guided along the longitudinal path when the stability parameter qoc given by the ratio of electrode voltage UDC and acceleration voltage UA is between 0.4 and 0.9. In Figures 13 and 14, the effective frequencies ü = 2n ^ 2 QUA f M _ are given, which for the respective
Lp gen Teilchen aus der die kinetische Energie der Teilchen bestimmenden Be schleunigungsspannung UA resultiert. Weitere experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass die genannten Grenzen des Stabilitätsparameter qoc auch für Ionen größerer Masse, etwa für Neon-, Argon-, Krypton- oder Xenonionen gül tig sind. L p gene particle results from the acceleration voltage UA, which determines the kinetic energy of the particles. Further experimental investigations have shown that the stated limits of the stability parameter qoc are also valid for ions of greater mass, for example for neon, argon, krypton or xenon ions.
Wie Fig. 13 entnommen werden kann, können für Elektronen effektive Frequenzen von mehr als 5 GHz, insbesondere von mehr als 6,5 GHz erzeugt werden. Alterna tive Ausführungsformen der Elektrodenstruktur 100 mit kleineren Periodenlängen 112 können auch dazu ausgebildet sein, für Elektronen effektive Frequenzen von mehr als 10 GHz, beispielsweise von mehr als 50 GHz, 100 GHz, 500 GHz oder 1 THz zu erzeugen. Beispielsweise kann mit einer Periodenlänge 112 von 56 pm für Elektronen mit einer kinetischen Energie von 1 keV eine effektive Frequenz von 330 GHz erzeugt werden. As can be seen from FIG. 13, effective frequencies of more than 5 GHz, in particular of more than 6.5 GHz, can be generated for electrons. Alternative embodiments of the electrode structure 100 with shorter period lengths 112 can also be designed to generate frequencies of more than 10 GHz, for example of more than 50 GHz, 100 GHz, 500 GHz or 1 THz, effective for electrons. For example, with a period length 112 of 56 pm for electrons with a kinetic energy of 1 keV, an effective frequency of 330 GHz can be generated.
Fig. 15 zeigt eine Aufsicht auf die erste Leiterschicht 212 einer dritten Ausfüh rungsform der Elektrodenstruktur 100. Soweit sich aus den Figuren und der Be schreibung keine Unterschiede ergeben, ist die dritte Ausführungsform der Elekt rodenstruktur 100 ausgebildet, wie es für die erste Ausführungsform offenbart wird und umgekehrt. Bei der dritten Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100 sind die Gleichspannungselektroden 120, anders als bei der ersten Ausführungsform, entlang des longitudinalen Pfades 20 direkt aneinander anschließend angeordnet. Insbesondere weist die dritte Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100 keine in der longitudinalen Richtung 101 zwischen den einzelnen Elektrodenanordnungen 110 angeordneten Abschnitte der Massefläche 125 auf. Stattdessen sind die ein zelnen Gleichspannungselektroden 120 in longitudinaler Richtung 101 mit einem longitudinalen Abstand 111 beanstandet, welcher der Spaltbreite 142 zwischen den Gleichspannungselektroden 120 und der Massefläche 125 entspricht. Grund sätzlich können auch alle anderen beschriebenen Ausführungsformen der Elekt rodenstruktur 100 Gleichspannungselektroden 120 aufweisen, die wie in Fig. 15 dargestellt direkt aneinander anschließend angeordnet sind. 15 shows a plan view of the first conductor layer 212 of a third embodiment of the electrode structure 100. Unless there are differences from the figures and the description, the third embodiment of the electrode structure 100 is designed as disclosed for the first embodiment and vice versa. In the third embodiment of the electrode structure 100, the DC voltage electrodes 120, unlike in the first embodiment, are arranged directly adjoining one another along the longitudinal path 20. In particular, the third embodiment of the electrode structure 100 has none in the longitudinal direction 101 between the individual electrode arrangements 110 arranged sections of the ground plane 125. Instead, the individual DC voltage electrodes 120 are spaced apart in the longitudinal direction 101 by a longitudinal spacing 111 which corresponds to the gap width 142 between the DC voltage electrodes 120 and the ground plane 125. In principle, all other described embodiments of the electrode structure 100 can also have DC voltage electrodes 120 which, as shown in FIG. 15, are arranged directly adjacent to one another.
Die in Fig. 15 dargestellte dritte Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100 ist außerdem dazu ausgebildet, in den transversalen Ebenen 30 als Quadrupolfelder ausgebildete Multipolfelder zu erzeugen, welche entlang des Pfades 20 um ein von null verschiedenes, ebenfalls als Quadrupolfeld ausgebildetes Multipolfeld alternieren. Dies wird dadurch erreicht, dass entlang der longitudinalen Rich tung 101 nebeneinanderliegende Elektrodenanordnungen 110 jeweils Multipolfel der mit entgegengesetzter Polarität und unterschiedlichem Feldbetrag erzeugen. The third embodiment of the electrode structure 100 shown in FIG. 15 is also designed to generate multipole fields designed as quadrupole fields in the transverse planes 30, which alternate along the path 20 by a multipole field which is different from zero and is also designed as a quadrupole field. This is achieved in that electrode arrangements 110 lying next to one another along the longitudinal direction 101 each generate multipole fields with opposite polarity and different field magnitudes.
Flierzu sind in der ersten Reihe 251 abwechselnd erste Gleichspannungselektro den 131 mit einer ersten Elektrodenspannung U0 + UDC und zweite Gleichspan nungselektroden 132 mit einer zweiten Elektrodenspannung U0 - UDC angeordnet, wobei die erste und zweite Elektrodenspannung einen ersten Mittelwert U0 aufwei sen. In der zweiten Reihe 252 sind abwechselnd dritte Gleichspannungselektro den 133 mit einer dritten Elektrodenspannung -U0 - UDC und vierte Gleichspan nungselektroden 134 mit einer vierten Elektrodenspannung -U0 + UDC angeord net, wobei die dritte und vierte Elektrodenspannung einen zweiten Mittelwert -U0 aufweisen. Dabei liegen der erste und zweite Mittelwert symmetrisch um das Mas sepotential von 0 V. Alternativ können der erste und zweite Mittelwert auch sym metrisch um ein von Null verschiedenes Potential liegen, was ein von Null ver schiedenes elektrisches Potential am Ort des Pfades 20 bewirkt. In der transversalen Richtung 102 nebeneinander angeordnete Gleichspannungs elektroden 120 sind jeweils entweder als erste Gleichspannungselektroden 131 mit der ersten Elektrodenspannung U0 + UDC und als dritte Gleichspannungselekt roden 133 mit der dritten Elektrodenspannung -UQ - UDC oder als zweite Gleich spannungselektroden mit der zweiten Elektrodenspannung U0 - UDC und vierte Gleichspannungselektroden 134 mit der vierten Elektrodenspannung -U0 + UDC ausgebildet. Wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform der Elektrodenstruk tur 100, umfasst auch die dritte Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100 Ge genelektroden, die den Gleichspannungselektroden 120 jeweils in der Höhenrich tung 103 gegenüberliegen, wobei sowohl einander in der Höhenrichtung 103 ge genüberliegende Elektroden als auch in der transversalen Richtung 102 nebenei nander angeordnete Elektroden jeweils unterschiedliche Elektrodenspannungen aufweisen. For this purpose, first DC voltage electrodes 131 with a first electrode voltage U 0 + U DC and second DC voltage electrodes 132 with a second electrode voltage U 0 - U DC are alternately arranged in the first row 251, the first and second electrode voltages having a first mean value U 0 . In the second row 252 alternately third DC voltage electric are the 133 with a third electrode voltage -U 0 - and fourth U DC DC clamping voltage electrodes 134 with a fourth electrode voltage -U 0 + U DC angeord net, wherein the third and fourth electrode voltage a second mean -U Have 0 . The first and second mean values are symmetrical around the ground potential of 0 V. Alternatively, the first and second mean values can also be symmetrical around a potential other than zero, which causes an electrical potential at the location of path 20 that is different from zero. In the transverse direction 102 side by side DC voltage electrodes 120 are each either as first DC voltage electrodes 131 with the first electrode voltage U 0 + U DC and as third DC voltage electrodes 133 with the third electrode voltage -U Q - U DC or as second DC voltage electrodes with the second electrode voltage U 0 - U DC and fourth DC voltage electrode 134 with the fourth electrode voltage -U 0 + U DC formed. As with the first and second embodiment of the electrode structure 100, the third embodiment of the electrode structure 100 also comprises counter-electrodes which are opposite the DC voltage electrodes 120 in the height direction 103, with electrodes lying opposite one another in the height direction 103 as well as in the transverse direction Direction 102 next to each other arranged electrodes each have different electrode voltages.
Damit sind die den ersten Gleichspannungselektroden 131 in der Höhenrichtung 103 gegenüberliegenden Gegenelektroden mit der dritten Elektrodenspannung -U0 - UDC beaufschlagt und die den dritten Gleichspannungselektroden 133 in der Höhenrichtung 103 gegenüberliegenden Gegenelektroden mit der ersten Elektro denspannung U0 + UDC. Analog sind die den zweiten Gleichspannungselektroden 132 in der Höhenrichtung 103 gegenüberliegenden Gegenelektroden mit der vier ten Elektrodenspannung —U0 + UDC beaufschlagt und die den vierten Gleichspan nungselektroden 134 in der Höhenrichtung 103 gegenüberliegenden Gegenelekt roden mit der zweiten Elektrodenspannung U0 - UDC. Making them the first DC voltage electrodes 131 in the height direction 103 opposite counter electrode with the third electrode voltage -U 0 - loaded U DC and the third DC voltage electrodes 133 opposite in the height direction 103 counter electrodes with the first electric denspannung U 0 + U DC. Analogously, the second DC voltage electrodes applied to the 132 in the height direction 103 opposite the counter electrodes with the four th electrode voltage -U 0 + U DC and the fourth DC clamping voltage electrode 134 in the height direction 103 opposite Gegenelekt roden with the second electrode voltage U 0 - U DC.
Fig. 16 zeigt eine schematische Darstellung der Kontaktierung der in der ersten Leiterschicht 212 angeordneten Gleichspannungselektroden 120 durch eine die erste Elektrodenspannung U0 + UDC führende erste Zuleitung 135, eine die zweite Elektrodenspannung U0 - UDC führende zweite Zuleitung 136, eine die dritte Elekt rodenspannung -UQ - UDC führende dritte Zuleitung 137 und eine die vierte Elekt rodenspannung -UQ + UDC führende vierte Zuleitung 138. Die Zuleitungen 135, 136, 137, 138 verlaufen jeweils parallel zueinander in der weiteren Leiterschicht 214 auf der der ersten Leiterschicht 212 gegenüberliegenden Seite der Trä gerstruktur 210 und sind mittels einzelner Durchkontaktierungen 218 mit den Gleichspannungselektroden 120 der ersten Leiterschicht 212 elektrisch leitend verbunden. FIG. 16 is a schematic diagram showing the contacting of the disposed in the first conductor layer 212 DC voltage electrodes 120 by the first electrode voltage U 0 + U DC leading first lead 135, a second electrode voltage U 0 - U DC leading second supply line 136, a third Electrode voltage -U Q - U DC leading third lead 137 and a fourth electrode voltage -U Q + U DC leading fourth lead 138. The leads 135, 136, 137, 138 each run parallel to one another in the further conductor layer 214 on the side of the carrier structure 210 opposite the first conductor layer 212 and are electrically conductively connected to the DC voltage electrodes 120 of the first conductor layer 212 by means of individual vias 218.
Durch den ersten und zweiten Mittelwert ±U0 der Elektrodenspannungen wird ein um den Pfad 20 zentriertes und entlang des Pfades 20 homogenes Quadrupolfeld erzeugt, welches als ein Überlagerungsfeld einen von Null verschiedenen Stabili tätsparameter aDC = h* u° erzeugt. Dadurch werden nur noch geladene Teilchen The first and second mean values ± U 0 of the electrode voltages generate a quadrupole field centered around path 20 and homogeneous along path 20, which as an overlay field generates a non-zero stability parameter a DC = h * u °. As a result, only charged particles are left
11 , deren kinetische Energien in einem beidseits begrenzten Energiebereich lie gen, stabil entlang des longitudinalen Pfades 20 geführt. 11, the kinetic energies of which lie in an energy range limited on both sides, stably guided along the longitudinal path 20.
Dies wird durch Fig. 17 verdeutlicht, welche ein Stabilitätsdiagramm 400 der Elekt rodenstruktur gemäß der dritten Ausführungsform zeigt, wobei das Stabilitätsdia gramm dem Stabilitätsdiagramm einer linearen Quadrupolfalle entspricht. Ein Sta bilitätsbereich 405 umfasst alle Wertepaare aus erstem Stabilitätsparameter 401 {qDC) und zweitem Stabilitätsparameter 402 (aDC), für den die geladenen Teilchen 11 auf stabilen Trajektorien entlang des Pfades 20 propagieren. Der Stabilitätsbe reich 405 ist für große Werte des ersten Stabilitätsparameters 401 durch eine ers te Stabilitätsgrenze 407 und für kleine Werte des ersten Stabilitätsparameters 401 durch eine durch den Ursprung verlaufende parabelförmige zweite Stabilitätsgren ze 408 begrenzt. Die Stabilitätsgrenzen 407, 408 schneiden sich in einem Schei telpunkt 409, welcher einen Maximalwert 422 des zweiten Stabilitätsparameters 402 von aDC max = 0,237 und eine zugeordneten Wert 423 des ersten Stabilitäts parameters 401 von qDC = 0,706 definiert. This is illustrated by FIG. 17, which shows a stability diagram 400 of the electrode structure according to the third embodiment, the stability diagram corresponding to the stability diagram of a linear quadrupole trap. A stability range 405 comprises all value pairs from the first stability parameter 401 (q DC ) and the second stability parameter 402 (a DC ), for which the charged particles 11 propagate on stable trajectories along the path 20. The stability range 405 is limited for large values of the first stability parameter 401 by a first stability limit 407 and for small values of the first stability parameter 401 by a parabolic second stability limit 408 running through the origin. The stability limits 407, 408 intersect at a vertex 409 which defines a maximum value 422 of the second stability parameter 402 of a DC max = 0.237 and an assigned value 423 of the first stability parameter 401 of q DC = 0.706.
Bei vorgegebenem Verhältnis U0/UDC liegen die Betriebsparameter für alle Be schleunigungsspannungen UA auf einer Arbeitslinie 410, die eine Ursprungsgerade mit Steigung 2U0/UDC ist. Einzelne Beschleunigungsspannungen UA bzw. Teil- chenenergien definieren dann Betriebspunkte 411 , 412 auf der Arbeitslinie 410, wobei sich die Betriebspunkte 411 , 412 mit abnehmender Beschleunigungsspan nung UA bzw. Teilchenenergie vom Ursprung entfernen. Damit entspricht ein in Fig. 17 dargestellter erster Betriebspunkt 411 einer ersten Beschleunigungsspan nung und der ebenfalls dargestellte zweite Betriebspunkt 412 einer höheren zwei ten Beschleunigungsspannung. With a given ratio U 0 / U DC , the operating parameters for all acceleration voltages U A are on a working line 410, which is a straight line through the origin with a gradient of 2U 0 / U DC . Individual acceleration voltages U A or partial Chene energies then define operating points 411, 412 on the working line 410, the operating points 411, 412 moving away from the origin with decreasing acceleration voltage U A or particle energy. A first operating point 411 shown in FIG. 17 thus corresponds to a first acceleration voltage and the second operating point 412 also shown corresponds to a higher, second acceleration voltage.
Ein Durchlassbereich 415, welcher durch den Schnitt des Stabilitätsbereichs 405 mit der Arbeitslinie 410 definiert wird, bestimmt dann die Teilchenenergien, bei denen die geladenen Teilchen 11 stabile Trajektorien im ponderomotorischen Po tential der Elektrodenstruktur 100 ausführen. Je größer das Verhältnis U0/UDC ge wählt wird, desto schmaler ist der Durchlassbereich 415. Ohne das statische Überlagerungsfeld ist aDC = 0 und die Elektrodenstruktur 100 wirkt als Hochpass filter, wobei ein Maximalwert 421 des ersten Stabilitätsparameters 401 durch qoc ax = 0*92 definiert wird. A passage area 415, which is defined by the intersection of the stability area 405 with the working line 410, then determines the particle energies at which the charged particles 11 execute stable trajectories in the ponderomotive potential of the electrode structure 100. The larger the ratio U 0 / U DC is selected, the narrower the pass band 415. Without the static superimposed field, a DC = 0 and the electrode structure 100 acts as a high-pass filter, with a maximum value 421 of the first stability parameter 401 being qoc ax = 0 * 92 is defined.
Fig. 18 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Darstellung einer ersten Leiterschicht 212 einer vierten Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100. Soweit sich aus den Figuren und der Beschreibung keine Unterschiede ergeben, ist die in Fig. 18 dargestellte vierte Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100 ausgebildet, wie es im Zusammenhang mit der in den Figuren 3 bis 5 dargestellten ersten Ausfüh rungsform offenbart wird und umgekehrt. 18 shows a representation, not true to scale, of a first conductor layer 212 of a fourth embodiment of the electrode structure 100. Unless there are differences from the figures and the description, the fourth embodiment of the electrode structure 100 shown in FIG the first embodiment shown in Figures 3 to 5 is disclosed and vice versa.
Die vierte Ausführungsform der Elektrodenstruktur 100 ist als eine Gabelung 300 dazu ausgebildet, die geladenen Teilchen entlang eines Pfades 20 zu führen, wel cher sich in einen ersten Teilpfad 21 und einen zweiten Teilpfad 22 aufspaltet. Die einzelnen Elektrodenanordnungen 110 umfassen in der ersten Leiterschicht 212 jeweils drei in der transversalen Richtung 102 nebeneinander angeordnete Gleichspannungselektroden 120, wobei die Gleichspannungselektroden 120 ent lang der longitudinalen Richtung 101 in einer inneren Elektrodenreihe 320 und in zwei in der transversalen Richtung 102 beidseits der inneren Elektrodenreihe 320 verlaufenden äußeren Elektrodenreihen 330, 340 angeordnet sind. Die einzelnen Gleichspannungselektroden 120 haben in der longitudinalen Richtung 101 eine Länge von 550 pm und einen Abstand von 750 pm zueinander. Die Elektroden struktur 100 weist entlang der longitudinalen Richtung 101 eine Länge 105 von 113 mm auf. The fourth embodiment of the electrode structure 100 is designed as a fork 300 to guide the charged particles along a path 20 which splits into a first partial path 21 and a second partial path 22. In the first conductor layer 212, the individual electrode arrangements 110 each include three DC voltage electrodes 120 arranged next to one another in the transverse direction 102, the DC voltage electrodes 120 along the longitudinal direction 101 in an inner row of electrodes 320 and in two outer electrode rows 330, 340 running in the transverse direction 102 on both sides of the inner electrode row 320 are arranged. The individual DC voltage electrodes 120 have a length of 550 μm in the longitudinal direction 101 and a spacing of 750 μm from one another. The electrode structure 100 has a length 105 of 113 mm along the longitudinal direction 101.
Die Gabelung 300 bildet einen Strahlteiler, der die geladenen Teilchen 11 simultan in einen entlang des ersten Teilpfades 21 propagierenden ersten Teil und in einen entlang des zweiten Teilpfades 22 propagierenden zweiten Teil aufspaltet. An die Gleichspannungselektroden 120 der einzelnen Elektrodenreihen 320, 330, 340 sind in der longitudinalen Richtung 101 jeweils abwechselnd eine erste Elektro denspannung + f/DC und eine entgegengesetzt polarisierte zweite Elektrodenspan nung -UDC angelegt. Zudem liegt an den in der transversalen Richtung 102 ne beneinander angeordneten Gleichspannungselektroden 120 der einzelnen Elekt rodenanordnungen 110 ebenfalls abwechselnd die erste und zweite Elektroden spannung +UDC, -UDC, an, so dass in der transversalen Richtung 102 benachbar te Gleichspannungselektroden 120 jeweils unterschiedliche Elektrodenspannung aufweisen. The fork 300 forms a beam splitter which splits the charged particles 11 simultaneously into a first part propagating along the first partial path 21 and into a second part propagating along the second partial path 22. Denspannung to the DC electrodes 120 of the individual electrode rows 320, 330, 340 are in the longitudinal direction 101 alternately a first electric + f / DC, and an oppositely polarized second electrode clamping voltage -U DC applied. In addition, the first and second electrode voltages + U DC , -U DC , are alternately applied to the DC voltage electrodes 120 of the individual electrode arrangements 110, which are arranged next to one another in the transverse direction 102, so that in the transverse direction 102 adjacent DC voltage electrodes 120 are each different Have electrode voltage.
Fig. 19 zeigt einen transversalen Schnitt senkrecht zur longitudinalen Richtung 101 durch eine der Elektrodenanordnungen 110 der Gabelung 300. Die Gabelung 300 umfasst eine ebene zweite Leiterschicht 222, welche in einem Abstand 201 von 1 mm parallel zu der ersten Leiterschicht 212 angeordnet ist. Die Elektroden struktur der zweiten Leiterschicht 222 entspricht der an der Mittenebene 108 ge spiegelten Elektrodenstruktur der ersten Leiterschicht 212. 19 shows a transverse section perpendicular to the longitudinal direction 101 through one of the electrode arrangements 110 of the fork 300. The fork 300 comprises a flat second conductor layer 222, which is arranged parallel to the first conductor layer 212 at a distance 201 of 1 mm. The electrode structure of the second conductor layer 222 corresponds to the electrode structure of the first conductor layer 212 mirrored at the center plane 108.
In der ersten Leiterschicht 212 bilden die Gleichspannungselektroden 120 der ers ten äußeren Elektrodenreihe 330 jeweils erste äußere Elektroden 331 und die Gleichspannungselektroden 120 der zweiten äußeren Elektrodenreihe 340 bilden jeweils zweite äußere Elektroden 341. Zwischen den äußeren Elektroden 331, 341 sind jeweils innere Elektroden 321 der inneren Elektrodenreihe 320 angeordnet. In der zweiten Leiterschicht 222 sind erste äußere Gegenelektroden 332 angeordnet, welche den ersten äußeren Elektroden 331 der ersten Leiterschicht 212 gegen überliegen, zweite äußere Gegenelektroden 342, welche den zweiten äußeren Elektroden 341 der ersten Leiterschicht 212 gegenüberliegen, und innere Gegen elektroden 322, welche den inneren Elektroden 321 der ersten Leiterschicht 212 gegenüberliegen. In the first conductor layer 212, the direct voltage electrodes 120 of the first outer electrode row 330 each form first outer electrodes 331 and the direct voltage electrodes 120 of the second outer electrode row 340 Second outer electrodes 341 in each case. Inner electrodes 321 of the inner electrode row 320 are arranged between the outer electrodes 331, 341. In the second conductor layer 222, first outer counter-electrodes 332 are arranged, which are opposite the first outer electrodes 331 of the first conductor layer 212, second outer counter-electrodes 342, which are opposite the second outer electrodes 341 of the first conductor layer 212, and inner counter-electrodes 322, which are the inner electrodes 321 of the first conductor layer 212 are opposite.
Bei der Gabelung 300 weisen die Gleichspannungselektroden 321, 331, 341 der ersten Leiterschicht 212 und die den einzelnen Gleichspannungselektroden 321, 331, 341 jeweils gegenüberliegenden Gegenelektroden 322, 332, 342 unter schiedliche Elektrodenspannungen auf. Weisen beispielsweise die beiden äuße ren Elektroden 331, 341 der ersten Leiterschicht 212 die erste Elektrodenspan nung + UDC und die innere Elektrode 321 die zweite Elektrodenspannung -UDC auf, so liegen die beiden äußeren Gegenelektroden 332, 342 auf der zweiten Elektrodenspannung -UDC und die innere Gegenelektroden 322 auf der ersten Elektrodenspannung +UDC. Bei longitudinal benachbart zu einer derartigen Elekt rodenanordnung 110 angeordneten Elektrodenanordnungen 110 weisen dann die beiden äußeren Elektroden 331, 341, sowie die innere Gegenelektroden 322 die zweite Elektrodenspannung -UDC und die innere Elektrode 321, sowie die beiden äußeren Gegenelektroden 332, 342 die erste Elektrodenspannung +f/DC auf. At the fork 300, the DC electrodes 321, 331, 341 of the first conductor layer 212 and the counter electrodes 322, 332, 342 opposite the individual DC electrodes 321, 331, 341 have different electrode voltages. For example, if the two outer electrodes 331, 341 of the first conductor layer 212 have the first electrode voltage + U DC and the inner electrode 321 has the second electrode voltage -U DC , then the two outer counter-electrodes 332, 342 are at the second electrode voltage -U DC and the inner counter electrodes 322 at the first electrode voltage + U DC . In the case of electrode arrangements 110 arranged longitudinally adjacent to such an electrode arrangement 110, the two outer electrodes 331, 341 and the inner counter-electrodes 322 then have the second electrode voltage -U DC and the inner electrode 321 and the two outer counter-electrodes 332, 342 have the first electrode voltage + f / DC on.
Auf den Leiterschichten 212, 222 abgewandten Seiten der Trägerstrukturen 210, 220 weist die Gabelung300 jeweils zwei die erste Elektrodenspannung +f/DC füh rende erste Zuleitungen 215 und zwei die zweite Elektrodenspannung -UDC füh rende zweite Zuleitungen 216 auf, wobei die ersten und zweite Zuleitungen 215,On the sides of the carrier structures 210, 220 facing away from the conductor layers 212, 222, the fork 300 has two first leads 215 carrying the first electrode voltage + f / DC and two second leads 216 carrying the second electrode voltage -U DC , the first and second Supply lines 215,
216 jeweils entlang der longitudinalen Richtung 101 verlaufen und in der transver salen Richtung 102 abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Analog zu den Zuleitungen 215, 216 der Elektrodenstruktur 100 gemäß der zweiten Ausführungs- form, verlaufen die Zuleitungen 215, 216 der Gabelung300 meanderförmig entlang der longitudinalen Richtung 101. Dabei kontaktieren die auf der ersten Trä gerstruktur 210 innenliegend angeordneten Zuleitungen 215, 216 jeweils abwech selnd entweder eine der äußeren Elektroden 331 , 341 oder die innere Elektrode 321, 322, während die beiden außenliegend angeordneten Zuleitungen 215, 216 in longitudinaler Richtung 101 abwechselnd an jede zweite erste bzw. zweite äu ßere Elektrode 331 , 341 angeschlossen sind. Die Kontaktierung der Gegenelekt roden 322, 332, 342 erfolgt auf der zweiten Trägerstruktur 220 in analoger Weise. 216 each run along the longitudinal direction 101 and are arranged alternately next to one another in the transverse direction 102. Analogous to the leads 215, 216 of the electrode structure 100 according to the second embodiment shape, the feed lines 215, 216 of the fork 300 run meander-shaped along the longitudinal direction 101. The feed lines 215, 216 arranged on the inside of the first carrier structure 210 each contact either one of the outer electrodes 331, 341 or the inner electrode 321, 322 alternately , while the two externally arranged supply lines 215, 216 are alternately connected in the longitudinal direction 101 to every second first or second outer electrode 331, 341. The counterelectrodes 322, 332, 342 are contacted on the second carrier structure 220 in an analogous manner.
Wie in Fig. 18 dargestellt ist, verbreitern sich die Gleichspannungselektroden 120 der inneren Elektrodenreihe 320 entlang der longitudinalen Richtung 101 kontinu ierlich. An der Eingangsseite 150 haben die inneren Elektroden 321, 322 eine transversale Breite 325 von 300 pm und an der Ausgangsseite 152 eine transver sale Breite 325 von 2,2 mm. Die äußeren Elektroden 331, 332, 341, 342 weisen entlang der longitudinalen Richtung 101 jeweils eine konstante transversale Breite 335 von 1 ,4 mm auf. As shown in FIG. 18, the DC voltage electrodes 120 of the inner electrode row 320 widen continuously along the longitudinal direction 101. On the input side 150, the inner electrodes 321, 322 have a transverse width 325 of 300 μm and on the output side 152 a transverse width 325 of 2.2 mm. The outer electrodes 331, 332, 341, 342 each have a constant transverse width 335 of 1.4 mm along the longitudinal direction 101.
Die Gabelung 303 ist dazu ausgebildet, in an der Eingangsseite 150 gelegenen transversalen Ebenen 310 ein Multipolfeld mit einem dominanten Quadrupolanteil zu erzeugen. Das entsprechende ponderomotorische Potential 44 ist in einem transversalen Schnitt in Fig. 20a dargestellt und weist ein einzelnes Minimum am Ort des longitudinalen Pfades 20 auf. Im Zentrum der Gabelung 300 erzeugen die Elektrodenanordnungen 110 aufgrund der Verbreiterung der mittleren Elektroden 321 , 32 in einer transversalen Ebene 311 ein Multipolfeld mit einem dominanten Flexapolanteil. Das zugehörige ponderomotorische Potential 44 ist in Fig. 20b dar gestellt und weist zwei entlang der transversalen Richtung 102 beabstandete Mi nima am Ort der beiden Teilpfade 21 , 22 auf. An der Ausgangsseite 152 erzeugt die Gabelung 300 in einer transversalen Ebene 312 ein Multipolfeld, dessen domi nante Anteile zwei Quadrupolfelder mit zwei entlang der transversalen Richtung 102 beanstandeten Zentren am Ort der Teilpfade 21 , 22 sind. Das zugehörige ponderomotorische Potential 44 ist in Fig. 20c dargestellt und weist zwei Minima am Ort der beiden Teilpfade 21 , 22 auf, welche einen deutlich größeren transver salen Abstand zueinander haben als die beiden Minima des in Fig. 20b dargestell ten Potentials. The fork 303 is designed to generate a multipole field with a dominant quadrupole component in the transverse planes 310 located on the input side 150. The corresponding ponderomotive potential 44 is shown in a transverse section in FIG. 20 a and has a single minimum at the location of the longitudinal path 20. In the center of the fork 300, the electrode arrangements 110 generate a multipole field with a dominant flexapole portion due to the widening of the central electrodes 321, 32 in a transverse plane 311. The associated ponderomotive potential 44 is shown in FIG. 20b and has two minima spaced apart along the transverse direction 102 at the location of the two partial paths 21, 22. At the output side 152, the fork 300 generates a multipole field in a transverse plane 312, the dominant components of which are two quadrupole fields with two centers spaced apart along the transverse direction 102 at the location of the partial paths 21, 22. The associated The ponderomotive potential 44 is shown in FIG. 20c and has two minima at the location of the two partial paths 21, 22, which have a significantly greater transverse distance from one another than the two minima of the potential shown in FIG. 20b.
Die in den Figuren 20a, 20b, 20c dargestellten ponderomotorischen Potentiale 44 wurden jeweils für einen Elektronenstrahl mit einer longitudinalen Energie von 800 eV und für eine Spannungsamplitude von UDC = 210V berechnet. Fig. 21a zeigt ein entsprechendes Detektorsignal mit einem in einen ersten Teil 12 und in einen zweiten Teil 14 aufgespalteten Elektronenstrahl. Zum Vergleich zeigt Fig. 21a ein experimentelles Detektorsignal bei geerdeten Gleichspannungselekt roden 120, welches lediglich einen einzelnen ungeführten Strahl 15 von Elektro nen nachweist. The ponderomotive potentials 44 shown in FIGS. 20a, 20b, 20c were each calculated for an electron beam with a longitudinal energy of 800 eV and for a voltage amplitude of U DC = 210V. 21 a shows a corresponding detector signal with an electron beam split into a first part 12 and a second part 14. For comparison, Fig. 21a shows an experimental detector signal with grounded DC voltage electrodes 120, which only detects a single unguided beam 15 of electrons.
Mit der vorstehend beschriebenen Spannungsbelegung spaltet die Gabelung300 den eintretenden Strahl 10 geladener Teilchen simultan in den ersten und zweiten Teil 12, 14 auf. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Gabe lung 300 auch dazu ausgebildet sein, den eintretenden Strahl 10 geladener Teil chen selektiv entweder in den entlang des ersten Teilpfades 21 propagierenden ersten Teil 12 oder in den entlang des zweiten Teilpfades 22 propagierenden zweiten Teil 14 aufzuspalten, so dass die Gabelung als Weiche fungiert. With the voltage loading described above, the fork 300 splits the entering beam 10 of charged particles simultaneously into the first and second parts 12, 14. According to an alternative embodiment, the fork treatment 300 can also be designed to selectively split the incoming beam 10 of charged particles either into the first part 12 propagating along the first partial path 21 or into the second part 14 propagating along the second partial path 22, so that the fork acts as a switch.
Ein selektives Aufspalten ist beispielsweise dann möglich, wenn die Gabelung 300 dazu ausgebildet ist, an die einzelnen inneren Elektroden 321 und die korrespon dierenden Gegenelektroden 322 wahlweise die Elektrodenspannung der transver sal benachbarten ersten äußeren Elektroden 331, 332 oder die Elektrodenspan nung der transversal benachbarten zweiten äußeren Elektroden 341 , 342 anzule gen. Wird an die inneren Elektroden 321 , 322 die Elektrodenspannung der trans versal benachbarten ersten äußeren Elektroden 331 , 332 angelegt, so folgen die geladenen Teilchen dem entlang der zweiten äußeren Elektroden 341, 342 verlau- fenden zweiten Teilpfad 22. Wird an die inneren Elektroden 321, 322 dagegen die Elektrodenspannung der transversal benachbarten zweiten äußeren Elektroden 341, 342 angelegt, so folgen die geladenen Teilchen dem entlang der ersten äu ßeren Elektroden 331, 332 verlaufenden ersten Teilpfad 21. A selective splitting is possible, for example, if the fork 300 is designed to supply either the electrode voltage of the transversely adjacent first outer electrodes 331, 332 or the electrode voltage of the transversely adjacent second outer electrodes to the individual inner electrodes 321 and the corresponding counter-electrodes 322 Electrodes 341, 342 to apply. If the electrode voltage of the transversely adjacent first outer electrodes 331, 332 is applied to the inner electrodes 321, 322, the charged particles follow the path along the second outer electrodes 341, 342. If, on the other hand, the electrode voltage of the transversely adjacent second outer electrodes 341, 342 is applied to the inner electrodes 321, 322, the charged particles follow the first partial path 21 running along the first outer electrodes 331, 332.
Fig. 22 zeigt eine Kontaktierung der Gleichspannungselektroden 120 der ersten Leiterschicht 212 der Gabelung 300, mit welcher das beschriebene selektive Auf spalten des Strahls 10 entlang des ersten oder zweiten Teilpfades 21, 22 möglich ist. Die Gabelung 300 umfasst für jede der Elektrodenreihen 320, 330, 340 jeweils eine erste Zuleitung 351 und eine zweite Zuleitung 352, wobei die Zuleitungen 351, 352 in der weiteren Leiterschicht 214 angeordnet und in longitudinaler Rich tung 101 alternierend über Durchkontaktierungen 218 mit den Gleichspannungs elektroden 120 der einzelnen Reihen 320, 330, 340 verbunden sind. 22 shows a contacting of the direct voltage electrodes 120 of the first conductor layer 212 of the fork 300, with which the described selective splitting of the beam 10 along the first or second partial path 21, 22 is possible. The fork 300 includes a first lead 351 and a second lead 352 for each of the electrode rows 320, 330, 340, the leads 351, 352 being arranged in the further conductor layer 214 and alternating in the longitudinal direction 101 via vias 218 with the direct voltage electrodes 120 of the individual rows 320, 330, 340 are connected.
Die ersten Zuleitungen 351 der äußeren Elektrodenreihen 330, 340 führen jeweils die erste Elektrodenspannung und die zweiten Zuleitungen 352 der äußeren Elekt rodenreihen 330, 340 führen jeweils die zweite Elektrodenspannung. Bei der inne ren Elektrodenreihe 320 kann wahlweise die erste Zuleitung 351 mit der ersten Elektrodenspannung und die zweite Zuleitung 352 mit der zweiten Elektroden spannung oder aber die erste Zuleitung 351 mit der zweiten Elektrodenspannung und die zweite Zuleitung 352 mit der ersten Elektrodenspannung beaufschlagt werden. Im erstgenannten Fall liegen die inneren Elektroden 321 und die ersten äußeren Elektroden 331 auf der gleichen Elektrodenspannung und die geladenen Teilchen folgen dem zweiten Teilpfad 22 entlang der zweiten äußeren Elektroden reihe 340. Im zweitgenannten Fall liegen die inneren Elektroden 321 und die zwei ten äußeren Elektroden 341 auf der gleichen Elektrodenspannung und die gela denen Teilchen folgen dem ersten Teilpfades 21 entlang der ersten äußeren Elekt rodenreihe 330. Eine Kontaktierung der Gegenelektroden erfolgt in analoger Wei se derart, dass einander in der Höhenrichtung 103 gegenüberliegende Elektroden unterschiedliche und entgegengesetzte Elektrodenspannungen aufweisen. Fig. 23 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Gabelung300, mit dem ein entlang des Pfades 20 eintretender Strahl geladener Teilchen selektiv entlang des ersten oder zweiten Teilpfades 21 , 22 geführt werden kann. Soweit sich keine Unterschiede aus den Figuren oder der Beschreibung ergeben, ist die in Fig. 23 dargestellte weitere alternative Ausführungsform der Gabelung300 ausgeführt wie die in den Figuren 18, 19 und 22 dargestellte alternative Ausführungsform und umgekehrt. The first leads 351 of the outer rows of electrodes 330, 340 each carry the first electrode voltage and the second leads 352 of the outer rows of electrodes 330, 340 each carry the second electrode voltage. In the inner row of electrodes 320, either the first lead 351 can be supplied with the first electrode voltage and the second lead 352 with the second electrode voltage or the first lead 351 with the second electrode voltage and the second lead 352 with the first electrode voltage. In the first-mentioned case, the inner electrodes 321 and the first outer electrodes 331 are at the same electrode voltage and the charged particles follow the second partial path 22 along the second row of outer electrodes 340. In the second-mentioned case, the inner electrodes 321 and the second outer electrodes 341 are located on the same electrode voltage and the charged particles follow the first partial path 21 along the first outer row of electrodes 330. The counter electrodes are contacted in an analogous manner such that electrodes opposite one another in the height direction 103 have different and opposite electrode voltages. 23 shows a further alternative embodiment of the fork 300, with which a beam of charged particles entering along the path 20 can be guided selectively along the first or second partial path 21, 22. Insofar as there are no differences from the figures or the description, the further alternative embodiment of the fork 300 shown in FIG. 23 is designed like the alternative embodiment shown in FIGS. 18, 19 and 22 and vice versa.
Die in Fig. 23 dargestellte Gabelung300 weist eine erste Gruppe 115 von Elektro denanordnungen 110 auf, welche entlang des ersten Pfades 21 angeordnet sind und eine zweite Gruppe 116 von Elektrodenanordnungen 110, welche entlang des zweiten Teilpfades 22 angeordnet sind. Dabei sind in Fig. 23 jeweils nur die in der ersten Leiterschicht 212 angeordneten Gleichspannungselektroden der Elektro denanordnungen 110 dargestellt. Die Elektrodenanordnungen 110 der ersten Gruppe 115 und die Elektrodenanordnungen 110 der zweiten Gruppe 116 sind jeweils abwechselnd entlang der longitudinalen Richtung 101 angeordnet. Die Ga belung 300 ist dazu ausgebildet, selektiv entweder die Gleichspannungselektro den der ersten Gruppe 115 von Elektrodenanordnungen 110 mit der ersten und zweiten Gleichspannung zu beaufschlagen, um die geladenen Teilchen entlang des ersten Teilpfades 21 zu führen, oder aber die Gleichspannungselektroden 120 der zweiten Gruppe 116 von Elektrodenanordnungen 110 mit der ersten und zwei ten Gleichspannung zu beaufschlagen, um die geladenen Teilchen entlang des zweiten Teilpfades 22 zu führen. The fork 300 illustrated in FIG. 23 has a first group 115 of electrode arrangements 110 which are arranged along the first path 21 and a second group 116 of electrode arrangements 110 which are arranged along the second partial path 22. In this case, only the DC voltage electrodes of the electrode arrangements 110 arranged in the first conductor layer 212 are shown in FIG. 23. The electrode arrangements 110 of the first group 115 and the electrode arrangements 110 of the second group 116 are each arranged alternately along the longitudinal direction 101. The fork 300 is designed to selectively apply either the direct voltage electrodes of the first group 115 of electrode arrangements 110 with the first and second direct voltage in order to guide the charged particles along the first partial path 21, or the direct voltage electrodes 120 of the second group 116 to apply the first and second direct voltage of electrode arrangements 110 in order to guide the charged particles along the second partial path 22.
Gegenüber der in Zusammenhang mit Fig. 22 beschriebenen alternativen Ausfüh rungsform der als Weiche ausgebildeten und kontaktierten Gabelung, erfordert es die in Fig. 23 dargestellte weitere alternative Ausführungsform nicht, Zuleitungen zu ein und derselben Gleichspannungselektrode 120 wahlweise mit der ersten oder zweiten Gleichspannung zu beaufschlagen. Stattdessen reicht es bei der in Fig. 23 dargestellten weiteren alternativen Ausführungsform aus, alle Gleichspan nungselektroden lediglich mit einer einzelnen Spannungsquelle zu verbinden, de ren Ausgang wahlweise mit einer einzelnen Elektrodenspannung oder mit Masse verbindbar ist. Compared to the alternative embodiment, described in connection with FIG. 22, of the fork formed as a switch and contacted, the further alternative embodiment shown in FIG. 23 does not require supply lines to one and the same DC voltage electrode 120 to be optionally applied with the first or second DC voltage. Instead, the in Fig. 23 further alternative embodiment shown, all DC voltage electrodes to be connected only to a single voltage source, whose output can be optionally connected to a single electrode voltage or to ground.
Fig. 24 zeigt eine Verwendung der im Zusammenhang mit den Figuren 18 bis 21 beschriebenen und als Strahlteiler ausgebildeten Gabelung 300 in einem Elektro nenmikroskop 500. Das Elektronenmikroskop 500 umfasst eine Beschleunigungs vorrichtung 60, welche einen Elektronenstrahl 10 erzeugt und mit der Beschleuni gungsspannung UA beschleunigt. Nach Austritt aus der Beschleunigungsvorrich tung 60 wird der Elektronenstrahl 10 mittels einer Strahloptik 510, welche mehrere Elektronenlinsen 512 umfasst, auf der Ausgangsseite 152 der Gabelung 300 auf den Ausgang des ersten Teilpfades 21 abgebildet, sodass die Elektronen trans versal eingeschlossen entlang des ersten Teilpfades 21 zur Eingangsseite 150 der Gabelung 300 propagieren. 24 shows a use of the fork 300 described in connection with FIGS. 18 to 21 and designed as a beam splitter in an electron microscope 500. The electron microscope 500 comprises an acceleration device 60 which generates an electron beam 10 and accelerates it with the acceleration voltage UA. After exiting the acceleration device 60, the electron beam 10 is imaged on the output side 152 of the fork 300 on the output of the first partial path 21 by means of beam optics 510, which comprise several electron lenses 512, so that the electrons are enclosed transversely along the first partial path 21 to the Propagate entrance side 150 of fork 300.
An der Eingangsseite 150 der Gabelung 300 ist ein Elektronenspiel 513 angeord net, welcher die entlang des Pfades 20 propagierenden Elektronen in die Gabe- Iung300 zurück reflektiert. Innerhalb der Gabelung300 wird der Elektronenstrahl 10 anschließend in einen entlang des ersten Teilpfades 21 propagierenden ersten Anteil und einen entlang des zweiten Teilpfades 22 propagierenden zweiten Teil strahl aufgespalten. Der erste Anteil wird von der Strahloptik 510 zurück in Rich tung Beschleunigungsvorrichtung 60 abgebildet, der zweite Anteil auf ein Mikro skopieobjekt 520. On the input side 150 of the fork 300, an electron game 513 is arranged, which reflects the electrons propagating along the path 20 back into the gift 300. Within the fork 300, the electron beam 10 is then split into a first component propagating along the first partial path 21 and a second partial beam propagating along the second partial path 22. The first part is imaged by the beam optics 510 back in the direction of the acceleration device 60, the second part onto a microscope object 520.
Bei einer derartigen Anordnung kann die Gabelung 300 die quantenmechanischen Wellenfunktionen der Elektronen nach Reflexion an dem Elektronenspiegel 513 kohärent in transversale Quantenzustände des ersten und zweiten Teilpfades 21, 22 aufspalten. Diese kohärenten Quantenzustände können dann genutzt werden, um das Mikroskopieobjekt 520 nach Art des Quanten-Zeno-Effektes mit lediglich minimaler Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl 10 und dem Mikrosko pieobjekt 520 abzubilden. Die Messmethode basiert dabei darauf, dass die Anwe senheit des Mikroskopieobjekts 520 eine Ausbreitung der Elektronen in dem zwei ten Teilpfad 22 verhindert. Aufgrund der Kohärenz der Wellenfunktionen kann dies dann dadurch detektiert werden, dass ein höherer Anteil des Elektronenstrahls 10 von dem Elektronenspiegel 513 in den ersten Teilpfad 21 zurückrückflektiert wird, als es in Abwesenheit des Mikroskopieobjekts 520 der Fall wäre. With such an arrangement, the fork 300 can coherently split the quantum mechanical wave functions of the electrons after reflection at the electron mirror 513 into transverse quantum states of the first and second partial paths 21, 22. These coherent quantum states can then be used to only use the microscope object 520 in the manner of the quantum Zeno effect image minimal interaction between the electron beam 10 and the Mikrosko pieobjekt 520. The measurement method is based on the fact that the presence of the microscope object 520 prevents the electrons from spreading in the second partial path 22. Due to the coherence of the wave functions, this can then be detected in that a higher proportion of the electron beam 10 is reflected back from the electron mirror 513 into the first partial path 21 than would be the case in the absence of the microscope object 520.
Bezuqszeichenliste Reference list
1 System 1 system
10 Strahl 10 beam
11 geladenes Teilchen 11 charged particle
12 erster Teil 12 first part
14 zweiter Teil 14 part two
15 ungeführter Strahl 15 unguided beam
16 longitudinale Geschwindigkeit 16 longitudinal speed
20 longitudinaler Pfad 20 longitudinal path
21 erster Teilpfad 21 first partial path
22 zweiter Teilpfad 22 second partial path
30 transversale Ebene 30 transverse plane
44 ponderomotorisches Potential 44 ponderomotive potential
51 erste Elektrodenspannung 51 first electrode voltage
52 zweite Elektrodenspannung 52 second electrode voltage
60 Beschleunigungsvorrichtung 60 Accelerator
62 Beschleunigungsspannung 62 Accelerating Voltage
70 Steuervorrichtung 70 control device
73 Beschleunigungsspannungsquelle 73 Accelerating voltage source
75 Gleichspannungsquelle 75 DC voltage source
80 Intensität 80 intensity
100 Elektrodenstruktur 100 electrode structure
101 longitudinale Richtung 101 longitudinal direction
102 transversale Richtung 102 transverse direction
103 Höhenrichtung 103 Altitude Direction
105 Länge 105 length
106 Pfadabstand 106 Path spacing
108 Mittenebene 108 middle level
110 Elektrodenanordnungen 111 longitudinaler Abstand 110 electrode arrangements 111 longitudinal distance
112 Periodenlänge Lp 115 erste Gruppe 112 period length L p 115 first group
117 zweite Gruppe 117 second group
120 Gleichspannungselektroden120 DC voltage electrodes
121 erste Gleichspannungselektrode121 first DC voltage electrode
122 zweite Gleichspannungselektrode122 second DC voltage electrode
123 erste Gegenelektrode 123 first counter electrode
124 zweite Gegenelektrode 124 second counter electrode
125 Massefläche 129 Isolierspalt 125 ground plane 129 insulating gap
131 erste Gleichspannungselektrode131 first DC voltage electrode
132 zweite Gleichspannungselektrode132 second DC voltage electrode
133 dritte Gleichspannungselektrode133 third DC voltage electrode
134 vierte Gleichspannungselektrode134 fourth DC voltage electrode
135 erste Zuleitung 135 first lead
136 zweite Zuleitung 136 second supply line
137 dritte Zuleitung 137 third supply line
138 vierte Zuleitung 138 fourth feed line
140 Elektrodenbreite 140 electrode width
141 Elektrodenlänge 141 electrode length
142 Spaltbreite 142 gap width
150 Eingangsseite 152 Ausgangsseite 201 Abstand 150 Entry side 152 Exit side 201 Distance
210 erste Trägerstruktur 210 first support structure
211 erste Fläche 211 first surface
212 erste Leiterschicht 212 first conductor layer
214 weitere Leiterschicht 214 additional conductor layer
215 erste Zuleitungen 216 zweite Zuleitungen 215 first leads 216 second supply lines
217 erste Kontaktfläche 217 first contact surface
218 Durchkontaktierung 218 via
219 zweite Kontaktfläche 219 second contact surface
220 zweite Trägerstruktur 220 second support structure
221 zweite Fläche 221 second surface
222 zweite Leiterschicht 222 second conductor layer
224 weitere Leiterschicht 224 further conductor layer
251 erste Reihe 251 first row
252 zweite Reihe 252 second row
300 Gabelung 300 fork
310 transversale Ebene 310 transverse plane
311 transversale Ebene 311 transverse plane
312 transversale Ebene 312 transverse plane
320 innere Elektrodenreihe 320 inner row of electrodes
321 innere Elektrode 321 inner electrode
322 innere Gegenelektrode 322 inner counter electrode
325 transversale Breite 325 transverse width
330 erste äußere Elektrodenreihe330 first outer row of electrodes
331 erste äußere Elektrode 331 first outer electrode
332 erste äußere Gegenelektrode332 first outer counter electrode
335 transversale Breite 335 transverse width
340 zweite äußere Elektrodenreihe340 second outer row of electrodes
341 zweite äußere Elektrode 341 second outer electrode
342 zweite äußere Gegenelektrode342 second outer counter electrode
351 erste Zuleitung 351 first feed line
352 zweite Zuleitung 352 second supply line
400 Stabilitätsdiagramm 400 stability diagram
401 erster Stabilitätsparameter401 first stability parameter
402 zweiter Stabilitätsparameter 405 Stabilitätsbereich 402 second stability parameter 405 stability area
407 erste Stabilitätsgrenze 407 first stability limit
408 zweite Stabilitätsgrenze 408 second stability limit
409 Scheitelpunkt 410 Arbeitslinie 409 vertex 410 working line
411 erster Arbeitspunkt 411 first working point
412 zweiter Arbeitspunkt 415 Durchlassbereich 412 second working point 415 pass band
421 Maximalwert des ersten Stabilitätsparameters 422 Maximalwert des zweiten Stabilitätsparameters 421 Maximum value of the first stability parameter 422 Maximum value of the second stability parameter
423 dem Maximalwert des zweiten Stabilitätsparameters zugeordneter Wert des ersten Stabilitätsparameters 500 Elektronenmikroskop 505 Strahlquelle 510 Strahloptik 423 the value of the first stability parameter 500 associated with the maximum value of the second stability parameter. Electron microscope 505 beam source 510 beam optics
512 Elektronenlinse 512 electron lens
513 Elektronenspiegel 520 Mikroskopieobjekt 513 electron mirror 520 microscope object

Claims

Ansprüche Expectations
1. Elektrodenstruktur (100) zum Führen eines Strahls (10) geladener Teilchen1. Electrode structure (100) for guiding a beam (10) of charged particles
(11), beispielsweise eines Elektronenstrahls, entlang eines longitudinalen Pfades (20), wobei die Elektrodenstruktur (100) entlang des longitudinalen Pfades (20) voneinander beabstandete mehrpolige Elektrodenanordnungen (110) mit Gleichspannungselektroden (120) aufweist, welche dazu eingerichtet sind, in senkrecht zu dem longitudinalen Pfad (20) orientierten transversalen Ebenen (30) um den Pfad (20) zentrierte statische Multipolfelder zu erzeu gen, wobei Feldstärken der statischen Multipolfelder in den transversalen Ebe nen (30) jeweils ein lokales Minimum am Ort des Pfades (20) aufweisen und mit zunehmender Entfernung vom Ort des Pfades (20) ansteigen, wobei Feldrichtungen der statischen Multipolfelder entlang des Pfades (20) mit einer Periodenlänge (112) periodisch variieren, so dass die entlang des Pfades (20) propagierenden Teilchen (11) aufgrund ihrer Eigenbewegung einem inhomogenen elektrischen Wechselfeld ausgesetzt sind und im zeit lichen Mittel eine transversale Rückstellkraft in Richtung des longitudinalen Pfades (20) erfahren. (11), for example an electron beam, along a longitudinal path (20), wherein the electrode structure (100) along the longitudinal path (20) has mutually spaced multipole electrode arrangements (110) with direct voltage electrodes (120), which are set up vertically to the longitudinal path (20) oriented transverse planes (30) around the path (20) to generate centered static multipole fields, the field strengths of the static multipole fields in the transverse planes (30) each having a local minimum at the location of the path (20) have and increase with increasing distance from the location of the path (20), field directions of the static multipole fields along the path (20) vary periodically with a period length (112), so that the particles (11) propagating along the path (20) due to their Self-movement are exposed to an inhomogeneous alternating electric field and a transverse restoring force on average over time t in the direction of the longitudinal path (20).
2. Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 1 , wobei die Elektrodenstruktur (100) als Gabelung (300) ausgebildete Elekt rodenanordnungen (110) umfasst, wobei die Elektrodenanordnungen (110) der Gabelung (300) entlang des Pfades (20) derart variieren, dass der Pfad (20) in einen ersten Teilpfad (21) und in einen zweiten Teilpfad (22) aufspaltbar ist, so dass ein erster Teil (12) der geladenen Teilchen (11) entlang des ersten Teilpfades (21) und ein zweiter Teil (14) der geladenen Teilchen (11) entlang des zweiten Teilpfades (22) geführt werden kann. 2. Electrode structure (100) according to claim 1, wherein the electrode structure (100) as a fork (300) comprises Electrode arrangements (110), wherein the electrode arrangements (110) of the fork (300) vary along the path (20) in such a way that the path (20) into a first partial path (21) and can be split into a second partial path (22), so that a first part (12) of the charged particles (11) along the first partial path (21) and a second part (14) of the charged particles (11) along the second partial path (22) can be performed.
3. Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 2, wobei an einer Eingangsseite (150) des Pfades (20) und/oder an jeweiligen Ausgangsseiten (152) der Teilpfade (21, 22) in den transversalen Ebenen (30) ein dominanter Multipolanteil der statischen Multipolfelder der Elektro denanordnungen (100) durch einen Quadrupolanteil gebildet wird. 3. Electrode structure (100) according to claim 2, wherein on an input side (150) of the path (20) and / or on respective output sides (152) of the partial paths (21, 22) in the transverse planes (30) a dominant multipole component of the static Multipole fields of the electrode arrangements (100) is formed by a quadrupole component.
4. Elektrodenstruktur (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Elektrodenanordnungen (110) der Gabelung (300) jeweils drei in einer transversalen Richtung (102) nebeneinander angeordnete Gleich spannungselektroden (120) mit einer inneren Elektrode (321, 322) und zwei beidseits der inneren Elektrode (321, 322) angeordneten äußeren Elektro den (331 , 332, 341 , 342) umfassen, wobei die inneren und äußeren Elektroden (321, 322, 331, 332, 341, 342) der einzelnen Elektrodenanordnungen (110) drei entlang des longitudinalen Pfades (20, 21, 22) verlaufende Elektrodenreihen (320, 330, 340) bilden, wobei sich eine transversale Breite (325) der inneren Elektroden (321, 322) entlang des longitudinalen Pfades (20) vergrößert. 4. Electrode structure (100) according to one of claims 2 to 3, wherein the electrode arrangements (110) of the fork (300) each have three DC voltage electrodes (120) arranged next to one another in a transverse direction (102) with an inner electrode (321, 322) and two outer electrodes (331, 332, 341, 342) arranged on both sides of the inner electrode (321, 322), the inner and outer electrodes (321, 322, 331, 332, 341, 342) of the individual electrode arrangements (110 ) form three rows of electrodes (320, 330, 340) running along the longitudinal path (20, 21, 22), a transverse width (325) of the inner electrodes (321, 322) increasing along the longitudinal path (20).
5. Elektrodenstruktur (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Gabelung (300) dazu eingerichtet ist, die eintretenden geladenen Teilchen (11) simultan in den ersten und zweiten Teil (12, 14) geladener Teilchen (11) aufzuspalten und gleichzeitig den ersten Teil (12) geladener Teilchen (11) entlang des ersten Teilpfads (21) und den zweiten Teil (14) geladener Teilchen (11 ) entlang des zweiten Teilpfads (22) zu führen. 5. The electrode structure (100) according to any one of claims 2 to 4, wherein the fork (300) is configured to split the incoming charged particles (11) simultaneously into the first and second parts (12, 14) of charged particles (11) and simultaneously to guide the first part (12) of charged particles (11) along the first partial path (21) and the second part (14) of charged particles (11) along the second partial path (22).
6. Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 5, wobei ein dominanter Multipolanteil der statischen Multipolfelder der Elekt rodenanordnungen (110) der Gabelung (300) in mindestens einer transver salen Ebene (30) durch einen Hexapolanteil gebildet wird. 6. Electrode structure (100) according to claim 5, wherein a dominant multipole component of the static multipole fields of the Electrode arrangements (110) of the fork (300) in at least one transversal plane (30) is formed by a hexapole component.
7. Elektrodenstruktur (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Gabelung (300) dazu eingerichtet ist, die eintretenden geladenen Teilchen (11) selektiv entweder als den ersten Teil (12) entlang des ersten Teilpfades (21) oder als den zweiten Teil (14) entlang des zweiten Teilpfa des (22) zu führen. 7. The electrode structure (100) according to any one of claims 2 to 4, wherein the fork (300) is set up to selectively accept the incoming charged particles (11) either as the first part (12) along the first partial path (21) or as the to lead the second part (14) along the second Teilpfa of (22).
8. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durch die Elektrodenanordnungen (110) erzeugten statischen Multipolfelder entlang des Pfades (20) derart variieren, dass lediglich erste geladene Teilchen (11 ) und nicht zweite geladene Teilchen (11 ) einen stabilen Einschluss entlang des Pfades (20) erfahren, wobei die ersten geladenen Teilchen (11 ) eine erste longitudinale Ge schwindigkeit und die zweiten geladenen Teilchen (11) eine von der ersten longitudinalen Geschwindigkeit verschiedene zweite Geschwindigkeit auf weisen. 8. The electrode structure (100) according to any one of the preceding claims, wherein the static multipole fields generated by the electrode arrangements (110) vary along the path (20) such that only first charged particles (11) and not second charged particles (11) have a stable one Experience inclusion along the path (20), the first charged particles (11) having a first longitudinal velocity and the second charged particles (11) having a second velocity different from the first longitudinal velocity.
9. Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 8, wobei die Multipolfelder entlang des Pfades (20) um ein von null verschie denes mittleres Multipolfeld alternieren, so dass die entlang des Pfades (20) geführten Teilchen (11) zusätzlich zu dem inhomogenen elektrischen Wechselfeld einem durch das mittlere Multipolfeld definierten inhomogenen statischen Überlagerungsfeld ausgesetzt sind und lediglich die ersten gela denen Teilchen (11 ) und nicht die zweiten geladenen Teilchen (11 ) stabile transversale Oszillation entlang des Pfades (20) ausführen. 9. The electrode structure (100) according to claim 8, wherein the multipole fields along the path (20) alternate by a mean multipole field different from zero, so that the particles (11) guided along the path (20) in addition to the inhomogeneous alternating electrical field are exposed to inhomogeneous static superimposition field defined by the central multipole field and only the first charged particles (11) and not the second charged particles (11) perform stable transverse oscillation along the path (20).
10. Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 9, wobei ein aus dem Wechselfeld abgeleiteter erster Stabilitätsparameter (401) und ein aus dem Überlagerungsfeld abgeleiteter zweiter Stabilitätspa rameter (402) für die ersten geladenen Teilchen (11) einen Betriebspunkt innerhalb des Stabilitätsbereichs (405) einer linearen Multipolfalle und für die zweiten geladenen Teilchen (11) einen Betriebspunkt außerhalb des Stabilitätsbereichs (405) der linearen Multipolfalle definieren. 10. The electrode structure (100) according to claim 9, wherein a first stability parameter (401) derived from the alternating field and a second stability parameter (402) derived from the superimposed field for the first charged particles (11) have an operating point within the stability range (405) linear multipole trap and define an operating point for the second charged particles (11) outside the stability range (405) of the linear multipole trap.
11. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Periodenlänge (112) der longitudinalen Variation der Feldrichtun gen der statischen Multipolfelder kleiner als 60 mm, beispielsweise kleiner als 10 mm, 6 mm, 1 mm oder 0,1 mm ist. 11. Electrode structure (100) according to one of the preceding claims, wherein the period length (112) of the longitudinal variation of the field directions of the static multipole fields is less than 60 mm, for example less than 10 mm, 6 mm, 1 mm or 0.1 mm.
12. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein longitudinaler Abstand (111) zwischen den einzelnen Elektro denanordnungen (110) kleiner als 10 mm, beispielsweise kleiner als 1 mm, 0,5 mm, 0,1 mm, 0,05 mm oder 0,01 mm ist. 12. Electrode structure (100) according to one of the preceding claims, wherein a longitudinal distance (111) between the individual electrode arrangements (110) is less than 10 mm, for example less than 1 mm, 0.5 mm, 0.1 mm, 0, 05 mm or 0.01 mm.
13. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenanordnungen (110) entlang des longitudinalen Pfades (20) direkt aneinander anschließend angeordnet sind. 13. The electrode structure (100) according to any one of the preceding claims, wherein the electrode arrangements (110) are arranged directly adjacent to one another along the longitudinal path (20).
14. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenanordnungen (110) entlang des longitudinalen Pfades (20) gleiche Abstände (111) zueinander aufweisen. 14. Electrode structure (100) according to one of the preceding claims, wherein the electrode arrangements (110) along the longitudinal path (20) have the same distances (111) from one another.
15. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine longitudinale Länge (105) der Elektrodenstruktur (100) entlang des Pfades (20) zwischen 1 mm und 1000 mm, beispielsweise zwischen 10 mm und 500 mm beträgt. 15. Electrode structure (100) according to one of the preceding claims, wherein a longitudinal length (105) of the electrode structure (100) along the path (20) is between 1 mm and 1000 mm, for example between 10 mm and 500 mm.
16. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungselektroden (120) in mindestens einer parallel zu dem Pfad (20) orientierten und entlang des Pfades (20) strukturierten Lei terschicht (221, 222) ausgebildet sind. 16. Electrode structure (100) according to one of the preceding claims, wherein the DC voltage electrodes (120) are formed in at least one parallel to the path (20) oriented and structured along the path (20) Lei terschicht (221, 222).
17. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungselektroden (120) in zwei beabstandet voneinan der angeordneten Leiterschichten (212, 222) ausgebildet sind, wobei die Leiterschichten (212, 222) beispielsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. 17. Electrode structure (100) according to one of the preceding claims, wherein the DC voltage electrodes (120) are formed in two spaced voneinan the conductor layers (212, 222), the conductor layers (212, 222) being aligned, for example, parallel to one another.
18. Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 17, wobei die Gleichspannungselektroden (120) in den beiden Leiterschichten (212, 222) spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind, wobei einander in den beiden Leiterschichten (212, 222) gegenüberliegen de Gleichspannungselektroden (120) beispielsweise entgegengesetzte Po laritäten aufweisen. 18. Electrode structure (100) according to claim 17, wherein the DC voltage electrodes (120) in the two conductor layers (212, 222) are mirror-symmetrical to each other, wherein each other in the two conductor layers (212, 222) opposite de DC voltage electrodes (120), for example opposite Po show larities.
19. Elektrodenstruktur (100) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die strukturierte Leiterschicht (221 , 222) auf einer parallel zu dem longitudinalen Pfad (20) verlaufenden durchgehenden Fläche (211, 221) angeordnet ist, wobei die Fläche (211 , 221 ) beispielsweise eine ebene Fläche oder eine um den longitudinalen Pfad (20) gekrümmte Fläche ist. 19. The electrode structure (100) according to one of claims 16 to 18, wherein the structured conductor layer (221, 222) is arranged on a continuous surface (211, 221) running parallel to the longitudinal path (20), the surface (211, 221) is, for example, a flat surface or a surface curved around the longitudinal path (20).
20. Elektrodenstruktur (100) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die strukturierte Leiterschicht (212, 222) auf einer Trägerstruktur (210, 220) angeordnet ist, beispielsweise auf einer Trägerplatte oderTrä- gerfolie. 20. Electrode structure (100) according to one of claims 16 to 19, wherein the structured conductor layer (212, 222) is arranged on a carrier structure (210, 220), for example on a carrier plate or carrier. gerfolien.
21. Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 20, wobei eine Zuleitung (215, 216, 135, 136, 137, 138), welche einzelne Gleichspannungselektroden (120) der Elektrodenanordnungen (110) kon taktiert, in einer parallel zu der Leiterschicht (212, 222) verlaufenden weite ren Leiterschicht (214, 224) der Trägerstruktur (210, 220) ausgebildet und mit den Gleichspannungselektroden (120) über durch die Trägerstruktur (210, 220) verlaufende Durchkontaktierungen (218) verbunden ist. 21. The electrode structure (100) according to claim 20, wherein a lead (215, 216, 135, 136, 137, 138), which contacts individual DC voltage electrodes (120) of the electrode arrangements (110), in a parallel to the conductor layer (212, 222) extending further conductor layer (214, 224) of the carrier structure (210, 220) and is connected to the DC voltage electrodes (120) via vias (218) extending through the carrier structure (210, 220).
22. Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 21 , wobei mehrere Zuleitungen ((215, 216, 135, 136, 137, 138) in der weiteren Leiterschicht (214, 224) entlang des longitudinalen Pfades (20) parallel zu einander verlaufen und beispielsweise alternierend mit den Gleichspan nungselektroden (120) der einzelnen Elektrodenanordnungen (110) ver bunden sind. 22. The electrode structure (100) according to claim 21, wherein a plurality of leads ((215, 216, 135, 136, 137, 138) in the further conductor layer (214, 224) run parallel to one another along the longitudinal path (20) and, for example, alternately with the DC voltage electrodes (120) of the individual electrode assemblies (110) are connected.
23. Elektrodenstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungselektroden (120) der einzelnen Elektrodenano rdnungen (110) jeweils mit zwei entgegengesetzt polarisierten Gleichspan nungen (50, 52) beaufschlagbar sind. 23. Electrode structure (100) according to one of the preceding claims, wherein the direct voltage electrodes (120) of the individual electrode structures (110) can each be acted upon with two oppositely polarized direct voltages (50, 52).
24. System (1 ) mit einer Elektrodenstruktur (100) gemäß einem der vorherge henden Ansprüche und einer Beschleunigungsvorrichtung (60), wobei die Beschleunigungsvorrichtung (60) dazu eingerichtet ist, die gela denen Teilchen (11) mit einer vorgegebenen Beschleunigungsspannung (62) zu beschleunigen und anschließend entlang des longitudinalen Pfades (20) in die Elektrodenstruktur (100) einzuspeisen, wobei die Beschleunigungsspannung (62) und an die mehrpoligen Elektro denanordnungen (110) angelegte Elektrodenspannungen (50, 52) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die beschleunigten geladenen Teilchen (11) im zeitlichen Mittel stabile transversale Oszillation um den Ort des lon gitudinalen Pfades (20) ausführen. 24. System (1) with an electrode structure (100) according to one of the preceding claims and an acceleration device (60), wherein the acceleration device (60) is set up to supply the charged particles (11) with a predetermined acceleration voltage (62) accelerate and then feed along the longitudinal path (20) into the electrode structure (100), the acceleration voltage (62) and electrode voltages (50, 52) applied to the multi-pole electrode arrangements (110) in such a way are coordinated so that the accelerated charged particles (11), on average over time, execute stable transverse oscillation around the location of the longitudinal path (20).
25. System (1 ) nach Anspruch 24, wobei die Beschleunigungseinrichtung (60) dazu eingerichtet ist, mehrere Arten geladener Teilchen (11), beispielsweise gleichzeitig, auf die Be schleunigungsspannung (62) zu beschleunigen und entlang des longitudi nalen Pfades (20) in die Elektrodenstruktur (100) einzuspeisen. 25. System (1) according to claim 24, wherein the acceleration device (60) is configured to accelerate several types of charged particles (11), for example simultaneously, to the acceleration voltage (62) and along the longitudinal path (20) in feed the electrode structure (100).
26. System (1 ) nach einem der Ansprüche 24 bis 25, wobei das System (1) als Elektronenmikroskop (500) ausgebildet ist und der Strahl geladener Teilchen (11) ein Elektronenmikroskopiestrahl zum Bestrahlen eines Mikroskopieobjekts (520) ist. 26. System (1) according to one of claims 24 to 25, wherein the system (1) is designed as an electron microscope (500) and the charged particle beam (11) is an electron microscope beam for irradiating a microscope object (520).
27. Verfahren zum Führen eines Strahls (10) geladener Teilchen (11 ) entlang eines longitudinalen Pfades (20) umfassend die folgenden Schritte: 27. A method for guiding a beam (10) of charged particles (11) along a longitudinal path (20) comprising the following steps:
Bereitstellen einer Elektrodenstruktur (100) gemäß einem der An sprüche 1 bis 23; Providing an electrode structure (100) according to one of claims 1 to 23;
Beaufschlagen der Gleichspannungselektroden (120) der Elektro denanordnungen (110) mit entlang des longitudinalen Pfades (20) perio disch variierenden Elektrodenspannungen (50, 52), so dass entlang des Pfades (20) propagierende geladene Teilchen (11) aufgrund ihrer Eigenbe wegung einem oszillierenden inhomogenen elektrischen Wechselfeld aus gesetzt sind und im zeitlichen Mittel eine transversale Rückstellkraft in Rich tung des longitudinalen Pfades (20) erfahren; Applying the DC voltage electrodes (120) of the electrode arrangements (110) with electrode voltages (50, 52) which vary periodically along the longitudinal path (20), so that charged particles (11) propagating along the path (20) cause an oscillating one due to their own movement inhomogeneous alternating electric field are set and, on average over time, experience a transverse restoring force in the direction of the longitudinal path (20);
Einspeisen der geladenen Teilchen (11 ) entlang des longitudinalen Pfades (20) in die Elektrodenstruktur (100); und Feeding the charged particles (11) along the longitudinal path (20) into the electrode structure (100); and
Führen der geladenen Teilchen (11 ) entlang des longitudinalen Pfa- des (20) mittels der transversale Rückstellkraft. Guiding the charged particles (11) along the longitudinal path des (20) by means of the transverse restoring force.
EP21722192.8A 2020-04-30 2021-04-27 Electrode structure for guiding a charged particle beam Pending EP4143856A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020111820.1A DE102020111820A1 (en) 2020-04-30 2020-04-30 Electrode structure for guiding a charged particle beam
PCT/EP2021/060958 WO2021219621A1 (en) 2020-04-30 2021-04-27 Electrode structure for guiding a charged particle beam

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4143856A1 true EP4143856A1 (en) 2023-03-08

Family

ID=75728847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21722192.8A Pending EP4143856A1 (en) 2020-04-30 2021-04-27 Electrode structure for guiding a charged particle beam

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230170177A1 (en)
EP (1) EP4143856A1 (en)
DE (1) DE102020111820A1 (en)
WO (1) WO2021219621A1 (en)

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101416271B (en) 2006-05-22 2010-07-14 株式会社岛津制作所 Apparatus and process for disposing parallel plate electrode
US20090283674A1 (en) 2006-11-07 2009-11-19 Reinhold Pesch Efficient Atmospheric Pressure Interface for Mass Spectrometers and Method
GB2451239B (en) 2007-07-23 2009-07-08 Microsaic Systems Ltd Microengineered electrode assembly
US7952070B2 (en) 2009-01-12 2011-05-31 Thermo Finnigan Llc Interlaced Y multipole
US8193489B2 (en) 2009-05-28 2012-06-05 Agilent Technologies, Inc. Converging multipole ion guide for ion beam shaping
WO2013098613A1 (en) * 2011-12-30 2013-07-04 Dh Technologies Development Pte. Ltd. Creating an ion-ion reaction region within a low-pressure linear ion trap
US8507848B1 (en) * 2012-01-24 2013-08-13 Shimadzu Research Laboratory (Shanghai) Co. Ltd. Wire electrode based ion guide device
WO2016000726A1 (en) 2014-06-30 2016-01-07 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Electron beam splitter
GB201608476D0 (en) * 2016-05-13 2016-06-29 Micromass Ltd Ion guide
WO2019030475A1 (en) * 2017-08-06 2019-02-14 Anatoly Verenchikov Multi-pass mass spectrometer
US11205568B2 (en) * 2017-08-06 2021-12-21 Micromass Uk Limited Ion injection into multi-pass mass spectrometers
WO2019030471A1 (en) * 2017-08-06 2019-02-14 Anatoly Verenchikov Ion guide within pulsed converters

Also Published As

Publication number Publication date
US20230170177A1 (en) 2023-06-01
DE102020111820A1 (en) 2021-11-04
WO2021219621A1 (en) 2021-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0396019B1 (en) Ion cyclotron resonance spectrometer
DE112007000146B4 (en) Concentrating ionic conductor of a mass spectrometer, spectrometer and method
DE112013004685B4 (en) High frequency (RF) ion guidance for improved performance in mass spectrometers at high pressure
DE112011103924B4 (en) Process for the mass separation of ions and mass separators
EP0876677B1 (en) Ion source for an ion beam arrangement
DE69123105T2 (en) Device for irradiating surfaces with atomic and molecular ions using two-dimensional magnetic scanning
DE68926923T2 (en) Microwave ion source
DE112010001856B4 (en) CURVED ION GUIDANCE WITH VARIATING ION DISTRIBUTION AND METHOD
DE69018018T2 (en) Method and device for generating an elliptically distributed ion beam.
EP3309815B1 (en) Plasma treatment device with two microwave plasma sources coupled together and method for operating such a plasma treatment device
DE112011100403B4 (en) Ultrafast electron diffraction device and ultrafast electron diffraction method
DE69916241T2 (en) ION IMPLANTING DEVICE DESIGNED FOR THE FILTERING OF NEUTRAL IONS FROM THE ION BEAM AND METHOD
DE3841715A1 (en) IMAGING CORRECTOR VIENNA TYPE FOR ELECTRONIC MICROSCOPE
DE112016005070B4 (en) MASS SPECTROMETRY
DE102021114934B4 (en) Method for analytically measuring sample material on a sample carrier
DE3688860T2 (en) Ion beam source excited by electron beam.
EP4143856A1 (en) Electrode structure for guiding a charged particle beam
DE19629545B4 (en) Mass selective notch filter with quadrupole excision fields
WO2018193637A1 (en) Ion guide device with dc field and associated methods
EP3161852B1 (en) Electron beam splitter
DE2048862C3 (en) Apparatus for spectrophotometric analysis
DE4322101C2 (en) Ion source for time-of-flight mass spectrometers
EP3245675A1 (en) Device for guiding charge carriers and use thereof
DE112022001144T5 (en) High-pressure ion-optical devices
DE112022001120T5 (en) High-pressure ion-optical devices

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20221128

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)