DE3336810A1 - Electron-energy analyser having multi-channel detection, and a method for compensating for the non-linearity of the same - Google Patents
Electron-energy analyser having multi-channel detection, and a method for compensating for the non-linearity of the sameInfo
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Abstract
Description
Elektronenenergie-Analysator mit VielkanaldetektionElectron energy analyzer with multi-channel detection
und Verfahren zur Kompensation der Nichtlinearität desselben Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektronenenergie-Analysator mit einem Mikrokanalplatten-Detektor mit Widerstands-Anode zum ortsempfindlichen Nachweis der eintreffenden Elektronen durch Anstiegszeitdifferenzmessung der Elektronenimpulse am Ende der Widerstands-Anode oder Ladungsteilungsmessung sowie auf ein Verfahren zur Kompensation der Nichtlinearität der Beziehung zwischen der Energie der Elektronen und deren Ort am Ausgang eines Elektronenenergie-Analysators.and method of compensating for non-linearity thereof The invention refers to an electron energy analyzer with a microchannel plate detector With resistance anode for location-sensitive detection of the arriving electrons by measuring the rise time difference of the electron pulses at the end of the resistor anode or charge sharing measurement and a method to compensate for the non-linearity the relationship between the energy of electrons and their location at the exit of a Electron energy analyzer.
Elektronenenergie-Analysatoren mit Vielkanaldetektion werden in der Elektronen-Energie-Verlust-Spektroskopie und Photoelektronen-Spektroskopie zur Analyse von Gasen und Festkörperoberflächen verwendet (s. H.A. van Hoof, M. J. van der Wiel, J. Phys. E. Sci. Instrum., Band 13; 1980, Seite 409 f), wobei simultan verschiedene Energien oder Winkel der Elektronen bestimmt werden.Electron energy analyzers with multi-channel detection are used in the Electron energy loss spectroscopy and photoelectron spectroscopy for analysis used by gases and solid surfaces (see H.A. van Hoof, M. J. van der Wiel, J. Phys. E. Sci. Instrum., Volume 13; 1980, page 409 f), with simultaneously different Energies or angles of the electrons can be determined.
Eine typische Ausführungsform eines Elektronenenergie-Analysators ist in Figur 4 dargestellt.A typical embodiment of an electron energy analyzer is shown in FIG.
Elektronen verschiedener Energien werden bezüglich ihrer Energie in einem energiedispersiven Analysator mit den Elektroden 1 analysiert.Electrons of different energies are related of their Analyzed energy in an energy dispersive analyzer with the electrodes 1.
Im Ausführungsbeispiel ist ein 127 O-Zylinderanalysator gezeigt. Die vom Eingangsspalt 2 herkommenden Elektronen durchlaufen entsprechend ihrer Energie verschiedene Bahnen und stoßen auf dem Mikro-Kanalplattendetektor 3, 4 an Positionen, die mit ihrer Energie korrelieren.In the exemplary embodiment, a 127 O cylinder analyzer is shown. the electrons coming from the entrance slit 2 pass through according to their energy different tracks and abut on the micro-channel plate detector 3, 4 at positions that correlate with their energy.
Die Elektronen werden in den Mikro-Kanalplatten 3 (Tandem-Anordnung oder einstufige gekrümmte Mikro-Kanalplatten) vervielfacht und gelangen auf die Widerstands-Anode 4, wo sich die Elektronenwolke, dem Kirchhoffschen Gesetz folgend, bei einer eindimensionalen Ortsbestimmung in zwei Teile aufteilt, die dann an die Enden der Widerstands-Anode gelangen.The electrons are in the micro-channel plates 3 (tandem arrangement or single-stage curved micro-channel plates) multiplied and get on the Resistance anode 4, where the electron cloud, following Kirchhoff's law, is is divided into two parts in the case of a one-dimensional location determination, which are then sent to the Ends of the resistance anode.
Der Ort, an dem die Elektronenwolke auf die Widerstands-Anode auftrifft, wird dabei auf folgende Weise bestimmt (s. J.W. Wiza, Nucl.The place where the electron cloud hits the resistor anode, is determined in the following way (see J.W. Wiza, Nucl.
Instrum. and Meth., Band 162, 1979, S. 587): 1. Nach der Ladungsteilungsmethode: die Elektronenladungen an den Enden des Widerstands (gl und "q2") werden in zwei ladungsempfindlichen Vorverstärkern verstärkt und nach einer Impulsformung wird x/L = q1/(q1 + q2) berechnet, wobei "x" der Auftreffort und "L' die Länge der Widerstands-Anode ist.Instrum. and Meth., Volume 162, 1979, p. 587): 1. According to the charge sharing method: the electron charges at the ends of the resistor (gl and "q2") are split into two charge-sensitive preamplifiers are amplified and after a pulse shaping x / L = q1 / (q1 + q2) calculated, where "x" is the point of impact and "L 'is the length of the resistor anode is.
2. Nach der Anstiegszeitdifferenzmethode: Die Elektronenladungen an den Enden des Widerstands werden in Spannungstmpulse umgeformt, wobei deren Anstiegszeit von der Größe des Widerstands den die jeweiligen Teile der Elektronenwolke durchlaufen, abhängt. Die Differenz der Anstiegszeiten der Impulse an beiden Enden des Widerstands wird in Spannungsimpulse umgeformt, deren Amplitude (Impulshöhe) ein Maß für den Auftref fort der Elektronenladung ist. Mit einem Impulshöhenanalysator werden die Impulse je nach Amplitude in entsprechende Kanäle des Vielkanalanalysators gezählt.2. According to the rise time difference method: The electron charges on the ends of the resistor are converted into voltage pulses, with their rise time on the size of the resistance the respective parts of the electron cloud go through, depends. The difference in the rise times of the pulses at both ends of the resistance is converted into voltage pulses whose amplitude (pulse height) is a measure of the occurrence of the electron charge. With a pulse height analyzer Depending on the amplitude, the pulses are transferred to the corresponding channels of the multichannel analyzer counted.
Die Positionen der auftreffenden Elektronen sind über einen weiten Bereich des Ausgangs des Elektronenenergie-Analysators (Mikro-Kanalplattendetektors) linear von der Energie der Elektronen abhängig (s. Figur 5). Nähern sich jedoch die Elektronenbahnen den Elektroden 1 des Elektronenenergie-Analysators, so findet eine zusätzliche Krümmung der Elektronenbahnen statt, so daß die Beziehung zwischen der Energie der Elektronen und ihrem Auftref fort auf der Mikrokanalplatte nicht mehr linear ist.The positions of the impinging electrons are over a wide Electron Energy Analyzer (Micro Channel Plate Detector) Output Area linearly dependent on the energy of the electrons (see Figure 5). Approaching however the electron trajectories of the electrodes 1 of the electron energy analyzer, so finds an additional curvature of the electron orbits instead, so that the relationship between the energy of the electrons and their impact on the microchannel plate does not is more linear.
Die zusätzliche Krümmung der Elektronenbahnen in der Nähe der Elektroden des Analysators resultiert aus den Randfeldbedingungen des Elektronenenergie-Analysators.The additional curvature of the electron trajectories near the electrodes of the analyzer results from the boundary field conditions of the electron energy analyzer.
Figur 5 zeigt die Abhängigkeit des Auftrefforts der Elektronen "1" von der (relativen) Energie der zu messenden Elektronen "E/Eo". Man erkennt, daß die Energie der Elektronen in einem weiten Bereich linear mit dem Auftref fort und damit mit der Impulshöhe verknüpft ist. Außerhalb dieses Bereiches ist die Abhängigkeit nicht mehr linear. Die in Figur 5 gezeigte Abhängigkeit erhält man mittels eines ortsempfindlichen Mikrokanalplattendetektors mit einem "linearen Widerstand" (5. Figur 6) mit einer Widerstandsplatte von 38 x 38 mm mit linearem Widerstand in Abhängigkeit von "l", für einen Mikrokanalplatten-Detektor, dessen aktiver Durchmesser 25 mm beträgt. Ein Widerstand, der linear von dem Abstand "1" abhängt, ergibt auch für die Differenz a R = R1 - R2 (R1 bzw. R2 ist der Widerstand zwischen dem Auftref fort der Elektronen und dem einen bzw. anderen Ende der Widerstandsplatte) und somit auch für die Impulshöhe eine lineare Abhängigkeit von "1".Figure 5 shows the dependency of the point of impact of the electrons "1" on the (relative) energy of the electrons to be measured "E / Eo". You can see that the energy of the electrons continues linearly with the impact over a wide range and is thus linked to the pulse height. Outside of this area is the dependency no longer linear. The dependency shown in FIG. 5 is obtained by means of a location-sensitive microchannel plate detector with a "linear resistance" (5. Figure 6) with a resistance plate of 38 x 38 mm with linear resistance as a function of "l", for a microchannel plate detector, its active diameter 25 mm. A resistance that is linearly dependent on the distance "1" also results for the difference a R = R1 - R2 (R1 or R2 is the resistance between the impact away of the electrons and one or the other end of the resistance plate) and thus there is also a linear dependency of "1" for the pulse height.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nichtlinearität von Elektronenenergie-Analysatoren mit Mikrokanalplattendetektor zu unterdrücken.The invention is based on the object of this non-linearity of Suppress electron energy analyzers with microchannel plate detectors.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the features in the characterizing part of the claim 1 specified features solved.
Beim erfindungsgemäßen Analysator wird also eine Widerstands-Anode verwendet, deren Widerstand als eine nichtlineare Funktion längs der Elektronen-Auftrefforte der Widerstands-Anode ausgebildet ist. Diese Nichtlinearität des Widerstandes kann z.B. durch entsprechende Variation der Abmessungen der Widerstandsschicht erreicht werden oder auch durch eine entsprechende Variation der Schichtdicke oder Materialzusammensetzung der Anode.In the analyzer according to the invention, a resistance anode is used used their resistance as a non-linear function along the electron impact locations the resistance anode is formed. This non-linearity of the resistance can e.g. achieved by varying the dimensions of the resistance layer accordingly or by varying the layer thickness or material composition accordingly the anode.
Eine Kompensation dieser Nichtlinearität kann alternativ auch durch eine elektronische Schaltung realisiert werden, wobei zu den der Anstiegszeitdifferenz entsprechenden Spannungsimpulsen ein nichtlinearer Term (z.B. quadratischer Term) dazu addiert oder subtrahiert wird.Alternatively, this non-linearity can also be compensated by an electronic circuit can be implemented, with the rise time difference corresponding voltage pulses a non-linear term (e.g. quadratic term) is added or subtracted from it.
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen näher erläutert; es zeigen schematisch: Figur 1 eine Widerstandsplatte 38 x 38 mm mit einem nichtlinearen (quadratischen) Widerstand in Abhängigkeit von "l", für einen Mikrokanalplatten-Detektor mit einem aktiven Durchmesser von 25 mm; Figur 2 ein Blockschaltbild für die Anstiegseitdifferenz-Meßmethode; Figur 3 ein Blockschaltbild eines Linearisierers; und Figur 4 bis 6 erläutern den Stand der Technik (s.o.) Bei der in Figur 1 gezeigten Anode ist die Differenz d R = R1 - R2 eine nichtlineare Funktion des Abstands von der Signalabnahme, wobei durch spezielle Gestaltung des Widerstandes die durch Randfeldbedingungen erzeugte Nichtlinearität der Energieabhängigkeit der Elektronen-Auftrefforte kompensiert werden kann.For a better understanding, the invention is described below with reference explained in more detail on the attached drawings; it shows schematically: FIG. 1 a Resistance plate 38 x 38 mm with a non-linear (square) resistance depending on "l", for a microchannel plate detector with an active one Diameter of 25 mm; FIG. 2 is a block diagram for the rise time difference measurement method; FIG. 3 shows a block diagram of a linearizer; and Figures 4 to 6 explain the State of the art (see above) In the anode shown in Figure 1, the difference d R = R1 - R2 a nonlinear function of the distance from the signal decrease, where by special design of the resistor generated by boundary field conditions Non-linearity of the energy dependence of the electron impact points compensated can be.
Während die in Figur 6 angedeutete bekannte Widerstands-Anode mit linearer Widerstandsabhängigkeit durch homogenes Aufdampfen eines unmagnetischen Metallfilms (oder Kohlenstoff-Films) erhalten wird, ändert man bei der erfindungsgemäßen Anode im Meßbereich die Rechteckform der aufgedampften Schicht und erhält so einen nichtlinearen Widerstand als Funktion des Abstands "l". Figur 1 zeigt eine solche geometrische Form, wobei durch eine 38/(k1l + ks)-Abhängigkeit der Breite b eine quadratische Abhängigkeit des Widerstands von 1 erhalten wird. Die Parameter k1 und k2 werden dabei so bestimmt, daß man eine korrekte Kompensation (in diesem Falle eine quadratische) der Nichtlinearität des Elektronenenergie-Analysators erhält. Im Ausführungsbeispiel beträgt k2 = 0,87 und k1 = 0,02 für eine Kompensation der aus Figur 5 zu entnehmenden Nichtlinearität.While the indicated in Figure 6 known resistance anode with linear resistance dependence through homogeneous vapor deposition of a non-magnetic Metal film (or carbon film) is obtained, changes in the invention Anode in the measuring area the rectangular shape of the vapor-deposited layer and thus receives one non-linear resistance as a function of the distance "l". Figure 1 shows such geometric shape, whereby a 38 / (k1l + ks) -dependence of the width b is a quadratic dependence of the resistance of 1 is obtained. The parameters k1 and k2 are determined in such a way that correct compensation (in this case a quadratic) of the non-linearity of the electron energy analyzer. In the exemplary embodiment, k2 = 0.87 and k1 = 0.02 for compensation of the non-linearity to be taken from FIG.
Dabei muß berücksichtigt werden, daß eine Änderung der Fläche oder des Wertes des Widerstandes zu einer Änderung der Zeitkonstanten T0 = RC/Çt2 führt wobei R der maximale Wert des Widerstandes und C die Kapazität der Widerstandsplatte ist. Diese Zeitkonstante sollte zwischen 1 ps und 2 ps liegen, so daß eine Standard- NIM-Elektronik zur Auslese der Impulse verwendet werden kann.It must be taken into account that a change in the area or the value of the resistance leads to a change in the time constant T0 = RC / Çt2 where R is the maximum value of the resistance and C is the capacitance of the resistance plate is. This time constant should be between 1 ps and 2 ps, so that a standard NIM electronics can be used to read out the pulses.
Bei der Anstiegszeitmeßmethode zur Bestimmung des Auftrefforts kann die Nichtlinearität der Beziehung zwischen der Energie der Elektronen und ihrem Auftreffort am Ausgang des Analysators auch durch das elektronische Dazuaddieren oder Subtrahieren eines nichtlinearen Terms (z.B. quadratischer Term) zu den Ausgangssignalen realisiert werden, wie in Figur 2 und 3 angedeutet ist. Die üblicherweise verwendete Ausleseelektronik besteht aus drei ladungsempfindlichen Vorverstärkern (PRE AMP), drei Verstärkern (SHAPING AMPLIFIER), drei Einkanalanalysatoren (TIMING SCA) und einem Zeit-zu-Amplituden-Wandler (TAC; s. J.W. Wiza, Nucl. Instrum.In the rise time measurement method for determining the point of impact, the non-linearity the relationship between the energy of electrons and their point of impact at the output of the analyzer also by adding them electronically or subtracting a non-linear term (e.g. quadratic term) from the output signals can be implemented, as indicated in FIGS. 2 and 3. The one commonly used Readout electronics consist of three charge-sensitive preamplifiers (PRE AMP), three amplifiers (SHAPING AMPLIFIER), three single-channel analyzers (TIMING SCA) and a time-to-amplitude converter (TAC; see J.W. Wiza, Nucl. Instrum.
and Meth., Band 162, 1979, S. 587). Die Anstiegszeit der Ladungsimpulse an den beiden Enden der Widerstandsanode hängt vom Auftreffort der Ladung ab. Die Ausgangspulse der Vorverstärker werden in den bipolaren differenzierenden Verstärkern geformt mit dem Ergebnis, daß die Zeit der Null-Durchgänge der entstandenen bipolaren Pulse proportional zu der Anstiegszeit der Eingangspulse ist. In den Einkanalanalysatoren werden dann Pulse, zum Starten und Stoppen eines Zeit-zu-Amplituden-Wandlers, generiert. Der TAC-Ausgang kann über Pulse gestrobt werden, die von einer zur Widerstandsanode kapazitiv gekoppelten Platte 5 kommen.and Meth., Vol. 162, 1979, p. 587). The rise time of the charge pulses at the two ends of the resistance anode depends on where the charge hits. the Output pulses from the preamplifiers are fed into the bipolar differentiating amplifiers shaped with the result that the time of zero crossings of the resulting bipolar Pulse is proportional to the rise time of the input pulses. In the single-channel analyzers pulses are then generated to start and stop a time-to-amplitude converter. The TAC output can be strobed via pulses that go from one to the resistor anode capacitively coupled plate 5 come.
Die Differenz der Anstiegs zeiten der Impulse an beiden Enden der Widerstands-Anode wird im TAC (Time to Amplitude Converter) zu Spannungsimpulsen U" umgeformt. Zu diesen Spannungsimpulsen U" wird im Linearisierer (L) ein nichtlinearer Term (z.B. quadratischer Term 0,02 U2) dazuaddiert, so daß man eine scheinbare Verschiebung des Auftrefforts zu größeren Differenzwerten des Widerstands vortäuscht, d.h. also näher zu den Enden des Analysators hin, wo die Elektronen unter idealen (ohne Randfeldeffekte) Bedingungen auftreffen würden.The difference in the rise times of the pulses at both ends of the Resistance anode becomes voltage pulses in the TAC (Time to Amplitude Converter) U "is transformed. For these voltage pulses U", a non-linear one is added in the linearizer (L) Term (e.g. quadratic term 0.02 U2) added so that one an apparent shift in the point of impact to larger differential values of the resistance pretends, i.e. closer to the ends of the analyzer where the electrons would occur under ideal (without edge field effects) conditions.
Führt man nun eine Impulshöhenanalyse der Spannungsimpulse Ut = U + 0,02 U2 im Analysator PHA durch, so ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen Ut und der Energie der zu messenden Elektronen.If one now conducts a pulse height analysis of the voltage pulses Ut = U + 0.02 U2 in the PHA analyzer, there is a linear relationship between Ut and the energy of the electrons to be measured.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |