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Die Erfindung betrifft einen energie- und raumwinkelfokussierenden Reflektor für
Flugzeitmassenspektrometer.
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Die Erfindung besteht darin, eine einstellbare Raumwinkelfokussierung zu erzeugen, indem
kein voll homogenes elektrisches Reflektionsfeld verwendet wird, sondern ein Feld, das am
Ende des Reflektors ein schwächeres Feld mit gekrümmten Äquipotentiallinien aufweist.
Stand der Technik
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Durch die Arbeiten von B. A. Mamyrin, V. I. Karatzev und D. V: Shmikk (US 4 072 862)
sind zweistufige Reflektoren mit Gittern bekannt. Diese erlauben eine
geschwindigkeitsfokussierende Reflektion von Ionen mit einstellbarer Fokuslänge. Dabei wirkt ein erstes, starkes
Gegenfeld abbremsend auf die Ionen, während ein zweites, gut homogenes Feld die Ionen
reflektiert und dabei eine Geschwindigkeitsfokussierung bewirkt. Durch die Einstellung des
Feldstärkenverhältnisses von Brems- und Reflektionsfeld lässt sich die Fokuslänge der
Energiefokussierung einstellen. Dieser Reflektor besitzt keine Raumwinkelfokussierung.
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Statt zweistufiger Reflektoren können auch einstufige Reflektoren mit nur einem Gitter im
Eingangsbereich verwendet werden; diese haben eine feste, relativ kurze Fokuslänge für die
Energiefokussierung und nehmen einen großen Teil der Gesamtflugstrecke des
Flugzeitmassenspektrometers ein.
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Die Arbeiten von R. Frey und E. W. Schlag (EP 0 208 894, US 4,731,532) haben gitterfreie,
zweistufige Reflektoren bekannt gemacht, die neben einer Geschwindigkeitsfokussierung
auch eine Raumwinkelfokussierung besitzen. Die Raumwinkelfokussierung ergibt sich von
selbst durch das gitterfreie Bremsfeld, das wie eine Ionenlinse wirkt. Die Fokuslängen der
Geschwindigkeitsfokussierung und die der Raumwinkelfokussierung sind aber nicht
unabhängig voneinander einzustellen; es gibt nur eine bestimmte geometrische Anordnung, die einen
von einer Quelle stammenden, leicht divergenten Ionenstrahl sowohl
geschwindigkeitsfokussierend wie auch raumwinkelfokussierend auf einen Ionendetektor abbildet.
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Der gitterfreie Reflektor wird aus einer Anzahl von metallischen Ringblenden und einer
abschließenden Blende aufgebaut. Diese Abschlussblende ist für gewöhnlich ein Gitter, um
das Spektrometer auch im nichtreflektierenden, linearen Modus mit einem Ionendetektor
hinter der Abschlussblende betreiben zu können. Die ersten beiden Ringblenden können einen
kleineren Innendurchmesser haben, zwischen ihnen wird durch Anlegen einer hohen
Potentialdifferenz ein hohes Bremsfeld aufgebaut. Die aus dem Zwischenraum durch die
Blendenöffnungen herausquellenden Äquipotentiallinien bilden die raumwinkelfokussierende
Ionenlinse. Die weiteren Ringblenden haben gleiche Innendurchmesser, gleiche Abstände und
gleiche Potentialdifferenzen: sie bilden ein homogenes Reflektionsfeld auf, das durch
verschieden große Eindringtiefen (und daher verschiedenen Flugstrecken) für Ionen
verschiedener Energien die Energiefokussierung erzeugt. Die Fokuslänge der Energiefokussierung wird
wie beim Gitterreflektor durch das Verhältnis der Feldstärken in Bremsfeld und
Reflektionsfeld eingestellt. Damit ist eine starr gekoppelte Fokuseinstellung der Raumwinkelfokussierung
verbunden, deren Fokuslänge normalerweise nicht mit der der Energiefokussierung
übereinstimmt.
Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen einfach konstruierten Reflektor zu finden, der eine
Einstellung der Fokuslänge der Raumwinkelfokussierung unabhängig von der Fokuslänge der
Energiefokussierung erlaubt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung besteht darin, das Feld im letzten Abschnitt des Reflektorfeldteils schwächer
auszubilden. Dadurch kommt es zu einem Durchgriff der etwas stärkeren Felder in den
vorausgehenden Abschnitten, und durch den Felddurchgriff zu leicht gekrümmten
Äquipotentialflächen im Bereich der letzten Ringblende. Werden nun eingeschossene Ionen in diesem
Bereich zum Stoppen gebracht, bevor sie in rückwärtiger Richtung wieder beschleunigt
werden, so ergibt sich durch die gekrümmten Potentialflächen eine Richtungsablenkung
während der Reflektion. Für Randstrahlen, die nicht in der Achse fliegen, ergibt sich eine
Ablenkung zur Achse hin und damit eine Raumwinkelfokussierung. Die Stärke der
Ablenkung und damit die Fokuslänge der Raumwinkelfokussierung lässt sich durch die Stärke der
Krümmung der Äquipotentialflächen einstellen. Bei fest vorgegebener Krümmung der
Äquipotentialflächen lässt sich die Fokuslänge der Raumwinkelfokussierung durch die
Gesamtspannung am Reflektor, also durch die Eindringtiefe der Ionen in den Bereich der zunehmend
gekrümmten Äquipotentialflächen hinein einstellen.
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Das schwächere Feld im letzten Abschnitt lässt sich durch eine geringere Potentialdifferenz
bei gleichem Abstand der Blenden, durch einen größeren Abstand zwischen letzter
Ringblende und Abschlussblende bei gleicher Potentialdifferenz, durch eine Kombination aus beiden,
oder auch durch eine ausgebeulte Abschlussblende erreichen. Die ausgebeulte
Abschlussblende zieht die gekrümmten Äquipotentialflächen bis zur Abschlussblende hin. Die Ausbeulung
muss nicht gekrümmt sein, es genügt auch ein einfacher Rezess.
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Die Erfindung kann sowohl in einstufigen Reflektoren wie auch in zweistufigen Reflektoren,
jeweils mit oder ohne Gitter im Eingangsbereich, verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Abb. 1 zeigt einen zweistufigen Reflektor nach Mamyrin et al. mit vollkommen
homogenen Feld nach dem Stand der Technik.
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Abb. 2 gibt einen zweistufigen Reflektor nach Frey et al. wieder, dessen fehlende Gitter
im Eingangsbereich bewirken, dass sich eine Ionenlinse bildet. Diese Anordnung ist ebenfalls
Stand der Technik. Die Fokuslänge der Raumwinkelfokussierung ist nicht getrennt von der
Fokuslänge der Energiefokussierung zu verändern. Es gibt nur eine geometrische Anordnung
für das Flugzeitmassenspektrometer, bei der beide Fokuslängen übereinstimmen.
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Abb. 3 zeigt eine von prinzipiell vielen möglichen Ausführungsformen der Erfindung.
Hier ist die Potentialdifferenz im letzten Abschnitt des Reflektors kleiner als in der
vorhergehenden; das Feld der vorhergehenden Abschnitte greift in den letzten Abschnitt über und
bildet gekrümmte Äquipotentialflächen aus, die eine Raumwinkelfokussierung bewirken.
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Abb. 4 stellt eine weitere Ausführungsform dar: hier ist die Abschlussblende ausgebeult,
wodurch wiederum gekrümmte Äquipotentialflächen für eine Raumwinkelfokussierung erzeugt
werden. Diese unterstützt die Raumwinkelfokussierung der Ionenlinse im Eingang.
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Abb. 5 ist eine besonders preiswert herzustellende und daher besonders bevorzugte
Ausführungsform dieser Erfindung. Zwischen den Bremsfeldblenden (1) und (2) wird durch einen
hohen Potentialteilerwiderstand (10) ein hohes Bremsfeld aufgebaut, das durch die
beidseitigen Felddurchgriffe eine linsenförmige Anordnung (6) der Äquipotentialflächen aufbaut (wie
auch schon in den Abb. 2 und 4 gezeigt). Diese Linse wirkt relativ schwach, da die
Energie der Ionen beim Durchtritt durch diese Linse relativ hoch ist, die Ionenbahnen sind
daher sehr "steif". Die 11 Ringblenden (3) bilden durch gleiche Potentialteilerwiderstände (9)
ein homogenes Feld (7), dessen Äquipotentialflächen erst im Bereich (8) der letzten
Ringblenden durch Felddurchgriff leicht gekrümmt sind. Der Felddurchgriff wird hier dadurch
erzeugt, dass das Gitter (5) der Abschlussblende (4) nicht in der Vorderebene der
Abschlussblende (4) angebracht ist, sondern auf der Rückseite der dick gehaltenen Blende, so dass das
Gitter gegenüber der Vorderseite der Abschlussblende (4) einen Rezess aufweist. Dieser
Rezess schwächt das Feld im letzten Anschnitt und bewirkt die Krümmung der
Äquipotentialflächen. Die preiswerte Herstellung rührt daher, dass hier ein ebenes Gitter in einer etwas
dicker gewählten Abschlussblende verwendet wird, und nicht ein schwer reproduzierbares
ausgebeultes Gitter wie in Abb. 4. Alle Ringblenden haben hier gleiche Abstände
voneinander, es können also für die hier nichtgezeigten Halteelemente für die Blenden die
gleichen isolierenden Abstandsstücke verwendet werden. Auch die Widerstände (9) des
Potentialteilers sind, bis auf den Widerstand (10) für das Bremsfeld, alle gleich. Diese
Widerstände müssen mit engen Toleranzen gefertigt werden, exakt gleiche Widerstände für alle
Blenden des Reflektionsfeldes erleichtern die Herstellung. Die Eingangsblende (1) befindet
sich auf Grundpotential, an die Abschlussblende wird ein einstellbares, hohes
Reflektionspotential angelegt. Leichte Veränderungen dieses Potentials verändern die Eindringtiefe der
Ionen im Bereich (8), damit die Krümmung der Äquipotentialflächen im Umkehrpunkt der
Ionen und damit die Fokuslänge der Raumwinkelfokussierung.
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Die Krümmung der Äquipotentialflächen im Bereich der Abschlussblende ist in den
Abb. 3, 4 und 5 sehr stark gezeichnet, um die Wirkung deutlich zu machen. In der Realität
sind diese Krümmungen nur sehr schwach, um nicht zu einer Überfokussierung zu kommen.
Bevorzugte Ausführungsformen
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Eine besonders einfach herstellbare Ausführungsform eines energiefokussierenden Reflektors
mit Raumwinkelfokussierung getrennt einstellbarer Fokuslänge ist in Abb. 5
wiedergegeben. Hier sind alle Abstände zwischen den Blenden einschließlich der Abschlussblende
gleich groß und können daher bei der Montage, bei der die Abstände mit präzise auf Maß
geschliffenen Keramikisolatoren erzeugt werden, einfach und verwechslungsfrei aufgebaut
werden. Auch die als Potentialteiler verwendeten Widerstände sind, bis auf den Widerstand
für das Bremspotential, alle gleich. Da diese Widerstände sehr eng toleriert sein müssen und
entsprechend teuer sind, ist auch die Beschränkung auf nur zwei Widerstandswerte hilfreich
zur Kosteneinsparung. Die Erfindung ist hier nur durch die Form der Abschlussblende
realisiert. Diese ist dicker als die übrigen Blenden, und hat das metallische Gitternetz auf der
Rückseite statt auf der Vorderseite angepunktet. Durch den Rezess ergibt sich hier im letzten
Abschnitt eine Feldschwächung, die zu einer Ausbildung von gekrümmten
Äquipotentialflächen führt.
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Werden in diesen Reflektor durch die Eingangsblende (1) hindurch leicht konvergente
Ionenstrahlen eingeschossen, so wird die Divergenz bereits beim Durchtritt durch die
Eingangslinse, die aus den gekrümmtem Äquipotentialflächen im Eingangsbereich (6) gebildet wird,
etwas gemindert. Die Wirkung dieser Linse ist jedoch nicht besonders stark, da die Ionen hier
noch ihre volle Energie haben. Selbst eine starke Abbremsung in diesem Gebiet auf etwa R
ihrer Energie (also S Geschwindigkeit) trägt nur relativ wenig zur Linsenwirkung bei. Nach
bisheriger Technik wird aus einem sehr schwach divergenten Strahl im Inneren des Reflektors
nunmehr praktisch ein paralleler Strahl. Wird dieser Parallelstrahl im homogenen Teil des
Reflektionsfeldes reflektiert, so kehrt der Strahl wieder als praktisch paralleler Strahl zur
Eingangslinse zurück und wird hier durch die Linsenwirkung zu einem schwach konvergenten
Strahl geformt, mit relativ weiter Fokuslänge. So weit funktioniert diese Ausführungsform
nach dem bisherigen Stand der Technik. Die Fokuslänge lässt sich hier nicht einstellen.
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Nach dieser Erfindung kann man aber auch stärker divergente Ionenstrahlen einstellbar
fokussieren; ein stärker divergent eintretender Strahl besitzt im Reflektor immer noch eine
restliche Divergenz Lässt man diesen Ionenstrahl so weit eintreten, dass er erst im
gekrümmten Potentialbereich (8) zur Umkehr gelangt, so erleben die Randstrahlen eine zusätzliche
Ablenkung zur Achse des Reflektors hin. Diese Ablenkung ist auch bei geringer Krümmung
der Äquipotentialflächen beträchtlich, da hier die Ionen einmal vollständig zur Ruhe kommen
und dabei nur noch die Feldkomponente zur Achse hin erleben. Anders gesprochen: Die
Wirkung ist hier besonders stark, da die Ionen hier sehr langsam sind, und die
Energieübertragung vom elektrischen Feld auf die Ionen von der Zeitdauer der Einwirkung abhängt. Diese
zusätzliche Raumwinkelfokussierung verkürzt die Fokuslänge.
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Diese zusätzliche Raumwinkelfokussierung kann in ihrer Fokuslänge eingestellt werden. Es
ist dazu nur notwenig, die Gesamtspannung am Reflektor geringfügig zu ändern. Der
Ionenstrahl dringt dann entweder etwas weiter oder etwas weniger weit in den Bereich (8) der
zunehmend gekrümmten Äquipotentialflächen ein, trifft daher im Umkehrpunkt auf mehr oder
weniger gekrümmte Äquipotentialflächen und erlebt daher mehr oder wenige Ablenkung.
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Macht man nun die Linse im Eingangsbereich (6) durch konstruktive Maßnahmen wie
Abstand zwischen den Blenden (1) und (2), Innendurchmesser dieser Blenden, und
Bremsspannung relativ schwach, so kann man mit der erfindungsgemäßen Fokussierung im Bereich (8)
gewünschte Fokuslängen in einem weiten Bereich überstreichen. Reflektoren mit gleichen
Abständen zwischen den Blenden und gleichen Innendurchmessern der Blenden haben sehr
schwache Linsenwirkungen im Eingangsbereich.
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Ist die Linse im Eingangsbereich des Reflektors sehr stark, so kann man auch durch eine
Verstärkung des Feldes vor der Abschlussblende und eine streuende Reflektion in diesem
Bereich zu einer Einstellung der Fokuslänge für die Raumwinkelstreuung kommen. Es ist
jedoch schwer, die Linse im Eingangsbereich bei gegebenem Bremsfeld so stark zu machen.
Für Reflektoren mit Gittern im Eingangsbereich ist diese Art der Fokussierung überhaupt
nicht anzuwenden.
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Man benutzt diese Fokuseinstellung für die Raumwinkelfokussierung, um den Ionenstrahl, der
in der Regel von einer kleinflächigen Ionenquelle stammt, auf einen relativ kleinflächigen
Ionendetektor abzubilden. Je kleiner dieser Ionendetektor gewählt werden kann, umso
einfacher wird seine Justierung quer zum Ionenstrahl. Diese Justierung ist maßgebend für das
erreichbare Auflösungsvermögen.
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Durch diese Art der Raumwinkelfokussierung tritt noch ein weiterer, unerwarteter Effekt auf:
Es wird die Auflösung des Flugzeitmassenspektrometers nochmals verbessert. Es scheint so,
dass die Randstrahlen im Verhältnis zur Energie der achsial fliegenden Ionen eine geringfügig
niedrigere kinetische Energie in achsialer Richtung haben. Das führt bei gleicher Eindringtiefe
in den Reflektor zu einer geringfügigen Flugzeitdifferenz. Da die Randionen durch die
Formung des Feldes nach dieser Erfindung nicht so weit in den Reflektor eindringen müssen wie
die Achsialstrahlen, wird diese Flugzeitdifferenz hier kompensiert.
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Aus der Beschreibung der Wirkung dieser bevorzugten Anordnung geht auch die
Wirkungsweise der anderen Anordnungen nach Abb. 3 und 4 hervor.