Ionenoptische Linsen und Ablenker

Als optische Elemente zur Strahlablenkung und Fokussierung von Ionen (und Elektronen) werden Linsen sowie Ablenker eingesetzt. Zunächst wird beschrieben, wie die elektrostatischen bzw. magnetischen Felder dieser Elemente die Ionenbahnen beeinflussen.

Wirkung ionenoptischer Elemente 401
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Wirkung ionenoptischer Elemente

Die erläuterten Ablenkwirkungen der Felder werden in der Rohrlinse zur Energieerhöhung benutzt. Die elektrostatische Kraft auf ein Ion, das den Potentialunterschied DU durchläuft, erhöht die Energie des Ions um den Betrag q DU.Die Form der Potentiallinien zwischen den Elektroden der Linsen sorgt wie die Krümmung der optischen Linse außerdem für eine Fokussierung des Ionenstrahls.Die Krümmung der Ionenbahn in einem magnetischen Feld wird im unteren Teil  illustriert. Ist das Magnetfeld auf den angedeuteten Sektor begrenzt, wird der von der Quelle ausgehende Strahlenkegel abgelenkt und auf den Auffänger fokussiert.

Einzellinse 402
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Einzellinse

Eine Einzellinse besteht aus drei Rohrelektroden. Die mittlere Elektrode wird mit der Linsen- spannung beaufschlagt. Es bildet sich der dargestellte Verlauf der Potenzialverteilung zwischen den Elektroden aus (Bild oben). Die Krümmung der Potenziallinien ruft die Fokussierung des Ionenstrahls hervor.Wie die Fokussierungsspannung der Linse die Fokussierungswirkung der Linse beeinflusst, illustriert das Bild unten.Die Krümmung der Potentiallinien und somit die Brechkraft von elektrostatischen Linsen kann im Gegensatz zur Brechkraft der Glaslinse verändert werden.

Einzellinse 403
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Abbildung eines Spalts mittels Einzellinse

Das Bild illustriert, wie ein von Ionen 'ausgeleuchteter' Spalt mit Hilfe einer Einzellinse abgebildet wird. Das Bild des Spalts muss nicht an der Stelle des Fokuspunkts entstehen, der auch Crossover genannt wird, sondern die Abbildung wird durch die Formel in Bild 204 beschrieben.

Einzellinse 404
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Bildfehler der Einzellinse

Auch bei der Abbildung mit elektrostatischen Einzellinse treten Bildfehler auf. Das Bild oben zeigt, dass ein dünner Strahl wesentlich schärfer fokussiert werden kann, als ein Strahl, der den Querschnitt der Linse ausfüllt. Die Ursache hierfür ist die deutlich schwächere Krümmung der Potentiallinien in der Nähe der optischen Achse.Im unteren Teil des Bildes wird der chromatische Bildfehler der Einzellinse erläutert. Bei festgelegter Brechkraft der Linse werden Ionenstrahlen mit geringerer Anfangsenergie stärker gebrochen. Dadurch entsteht ein unscharfes Bild von Ionenstrahlen, die mit unterschiedlicher Energie in die Linse eintreten.

Neben Rohrlinsen werden zur Strahlformung auch elektrostatische sowie magnetische Quadrupollinsen verwendet. 

Quadrupollinse 405
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Quadrupollinsen

Die vier gleichförmigen Pole dieses Linsentyps haben eine Längenausdehnung in Strahlrichtung (senkrecht zur Zeichenebene), die etwa den Quermaßen der Anordnung entspricht. Zwei sich gegenüberstehende Pole haben die gleiche Polarität. Elektrostatische und magnetische Qudrupollinsen fokussieren den einfallenden Ionenstrahl nur in einer Richtung. Dieses Verhalten illustriert das Bild anhand der Ablenkwirkung der jeweiligen Felder. Strahlfokussierung in der Horizontalen wird im Bild nur erreicht, wenn der Ionenstrahl in beide Quadrupole aus der Zeich- enebene kommend eintritt und die Anordnungen der Pole zueinander um 45° gedreht sind.

Fokussierungswirkung 406
Foto: Andreas Kolitsch
 

Fokussierungswirkung von magnetischen Quadrupollinsen

Das Bild zeigt im oberen Teil die fokussierende und defokussie- rende Wirkung des  Qudrupol-Singletts: aus einem Parallelstrahl wird ein Strich. Schaltet man in der angegebenen Weise einen zweiten Quadrupol nach, entsteht ein Quadrupol- Duplett. Mit dieser Anordnung lässt sich bei entsprechender Wahl der Stärke der beiden Singletts wahlweise ein runder oder gestreckter Strahlfleck einstellen (unterer Teil der Abbildung).

Die Wirkung des magnetischen Ablenkers auf einen Ionenstrahl illustriert Bild 407. Zwischen den Polen des Magnets wird die Flussdichte B erzeugt.

Magnetischer Ablenker 407
Foto: Andreas Kolitsch
 

Magnetischer Ablenker

Ein Ablenker mit homogenem Magnetfeld fokussiert den Strahl nur in der Dispersionsebene. Sind die Polkanten in der angegebenen Weise gegen den Strahl geneigt, wird durch die Wirkung des Randfelds des Magneten neben der Ablenkung eine Fokussierung in x- und in y-Richtung erreicht (Bild rechts). Enthält der einlaufende Strahl Ionen mit unterschiedlicher Massenzahl A, Energie E und/oder Ladungszahl q, werden diese Strahlkomponenten gemäß der Formel im unteren Teil des Bildes getrennt. Dispersion und Fokussierung werden  bei festem Ablenkradius für unterschiedliche Teilchenarten gemäß der angeführten Gleichung bei entsprechender Flussdichte erreicht.

Weiterführende Literatur zu den Kapiteln 3 und 4 findet man unter[Mie1970], [MvA1956], [Gro1983], [RyRu1978] im Literaturverzeichnis.