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Funktionsprinzip der Elektronenvervielfacher-Kanäle

Elektronenvervielfacher-Kanäle (engl. Channel Electron Multipliers, CEMs) eignen sich zum Nachweis von geladenen Teilchen (Ionen und Elektronen), harter und weicher Röntgenstrahlung und ultraviolettem Licht (EUV).

Die aktive CEM-Oberfläche hat einen hohen Widerstand. Wenn eine elektrische Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines CEM angelegt wird, fungiert diese Oberfläche (das schwarze Bleiglas) als kontinuierliche Dynode. Eine Dynode hat die Eigenschaft, sekundäre Elektronen zu emittieren, wenn es von einem primären Teilchen getroffen wird (Abb. 2). Diesen Prozess nennt man Sekundärelektronen-Emissivität. Dadurch ist ein CEM in der Lage, einzelne Partikel oder Photonen nachzuweisen, die in die Eingangsöffnung gelangen. Diese primären Partikel erzeugen sekundäre Elektronen, die durch die positive Hochspannung in das Innere des Kanals beschleunigt werden. Nach dem Auftreffen auf die innenliegende Kanaloberfläche erzeugen diese Elektronen weitere Sekundärelektronen. Der resultierende Lawineneffekt kann leicht als Ausgangspuls mit einer Ladung aus 10e8 Elektronen und einer Dauer von 8 Nanosekunden (FWHM) nachgewiesen werden.

Wenn diese Elektronenwolke mit einer metallischen Anode aufgefangen wird, wird ein Ausgangssignal erzeugt, das auf dem Oszilloskopschirm wie in Abb. 3 erscheint. Für ein einzelnes einfallendes Primärteilchen wird also eine ausgehende Elektronenwolke aus 100 Millionen Elektronen erzeugt. Dieser Ausgangspuls kann leicht mit einem Vorverstärker/Diskriminator und einem elektronischen Zähler bzw. als Analogsignal nachgewiesen werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 4 Vom Primärteilchen zur Zählerregistrierung

Dies ermöglicht den Nachweis von bis zu 5 Mio Partikeln/Sekunde (engl. counts per second, cps) mit den Standard-CEMs und über 15 Millionen Partikeln/Sekunde mit den Extended Dynamic Range-Modellen. Wegen der sehr niedrigen Dunkelpulsrate von < 0.02 cps, die durch kosmische Strahlung erzeugt wird, beträgt der Dynamikbereich dieser Detektoren 8 Größenordnungen. Abb. 1 zeigt einen Schnitt durch ein CEM Modell KBL210. Die Keramik ist Träger der Struktur und das schwarze Bleiglas bildet die kontinuierliche Dynode mit der elektronenemittierenden Oberfläche. Die Elektronenlawine, die durch ein primäres Teilchen ausgelöst wird, folgt dem Kanal zum positiv geladenen Kanalende und wird durch eine Anode aufgefangen. Die Krümmung des Kanals ist notwendig, um Ionenrückkopplungen zu vermeiden, die durch die hohe Elektronendichte im hinteren Teil des Kanals ausgelöst werden können. In einem geradlinigen Kanal würden durch Elektronen erzeugte Ionen aus dem neutralen Restgas zuviel Energie aufnehmen können, ihrerseits Sekundärelektronen erzeugen und zu einem instabilen Betrieb des Detektors führen.

         
  Anwenderbericht  

Mit frdl. Genehmigung von J. Schwieters

 
ThermoFisher Scientific GmbH, Bremen
         
         
  Warum Multi-Ionen-Zählung?  
         
 
Niedrige Signalintensitäten werden durch Laserablation erzeugt, wenn eine hohe räumliche Auflösung erforderlich, wenn die Probenmenge gering und/oder wenn der U- und Pb-Anteil des Zirkons niedrig ist. Das Signal/Rausch-Verhältnis eines Faradaydetektors ist zu gering, um eine hohe Präzision zu erreichen. Dies ist illustriert in Abb. 5, die einen simultanen Probenscan der 206Pb und 207Pb Isotope des
 
Größenordnungen zu erhöhen. Zudem ist die statische Multikollektion ein absolutes Muss, weil Laserablationssampling ein erratisches transientes Signal erzeugen kann, wenn eine hohe Präzision erreicht werden soll. Dies führt zum Einsatz von flexiblen Multikollektoren aus Ionenzähl- detektoren anstelle von Faradaycups.

Beispielsweise können die Isotopen von U und Pb in einzelnen Zirkonkörnchen gemessen werden, um den Gehalt an 207Pb und 206Pb zu bestimmen, der sich in der Zirkonsilikat-Matrix aus natürlichem radioaktiven Zerfall von 235U und 238U akkumuliert hat. Daten wurden über 70 s aufgenommen. Sechs unterschiedliche Stellen auf dem 91500 Zirkonstandard wurden analysiert. Das durchschnittliche 207Pb/206Pb-Verhältnis hat eine Standard- abweichung von ± 0.22 %.

 
     
 
       
 
Multikollektorarrays der ThermoFisher NEPTUNE- und TRITON-Serie arbeiten mit Elektronen-vervielfacher-Kanälen Model 0210P von Sjuts
   
 
   
 
SRM 981 Standards zeigt. Die Intensitäten beider Isotope ist etwa 1 mV, im Vergleich zum Faradaydetektor ist das Rauschen in den Zählkanälen signifikant reduziert. Ionenzähler werden eingesetzt um die Empfindlichkeit der Instrumente um einige
 
Die Ergebnisse der Laserablations-Multi-Ionen- zählung eines einzelnen Zirkonkörnchens (siehe Abb. 6).
 
         
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Abb. 1 Schnitt durch ein CEM Modell KBL210
 
 
Abb. 2 Sekundärelektronenemission
 
 
Abb. 3 Typischer Ausgangspuls eines Elektronenvervielfacher-Kanals
 
 
Abb. 5 Multikollektor-Messungen der Isotopen 206Pb und 207Pb eines SRM 981 Standards bei 200 ppt Konzentration. Die Signalintensitäten beider Isotope sind ähnlich und erzeugen 1.2 mV im Faradaycup L4 (blau), beziehungsweise 65.000 cps im Ionenzähler IC2 (rot). (J.Schwieters)
 
 
 
Abb. 6 Foto eines 91500 Zirkonkörnchens
(J.Schwieters)
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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