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Diploma and Master Theses (authored and supervised):

G. Hinterndorfer:
"Simulationssoftware für ein Sekundärionen-Flugzeit-Massenspektrometer";
Supervisor: N. Kerö, K. Riedling, K. Varmuza; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2001.



English abstract:
The European Space Agency (ESA) is planning a space mission called Rosetta, which will start in 2003 and should arrive at the comet Writanen in 2011. One of the most important experiments will be the analysis of cometary dust particles for the existence of organic material.

For this purpose the orbiter will be equipped with COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyzer), a time-of-flight mass spectrometer for secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). To meet the short time frame for the design of the data analysis software it was compulsory to have measurement results at hand long before the assembly of the instrument was completed. As a consequence a numeric simulation package for mass spectra was designed in the scope of this thesis.

A TOF-SIMS accelerates secondary ions desorbed from a target, which are ionized using a primary ion beam. The total flight time of the secondary ion through an accelerating and a subsequent drift region is inversely proportional to the square root of its mass. Several side effects are responsible for reducing the mass resolution of the instrument. To minimize the impact of varying initial kinetic energy on the flight time, the instrument possess a reflector which compensates this effect, thus reaching a sufficient mass resolving power to resolve the substances of interest.

The model for the software SimTof (Simulate TOF-SIMS) was realized using a series of linear elec-trical field sections. For the numeric simulation the well-known Monte-Carlo method was chosen. This highly flexible method relies on a sequence of flight time processing operations for single ions. For every calculation all relevant parameters are randomly varied according to user definable distribution functions. To facilitate any future extensions of the set of distribution functions available within SimTof a dedicated random number generator has been designed. SimTof supports the definition of both device (voltages, dimensions, ...) and experimental parameters (number of ions to simulate, target, time channel width, ...).

The COSIMA model of SimTof was compared with this of Simion. The software Simion was used to design the ion optics of COSIMA, so its model is very close to the reality. For relative flight times of ions (means flight time differences between ions without and with initial kinetic energy) the differences to the Simion model are high, but it can be tolerated for simulating mass spectra efficient.

A graphical simulation analysis package called IntTof (interpret TOF-SIMS) was custom designed for viewing the simulated spectra. The two programs communicate via ASCII text files; the software kernel is written in standard C++. The user interface is implemented using MSŪ Visual C++ 6.0 in conjunction with MFC.

Aside from contributing to the successful preparation of the COSIMA project the software shall facilitate academic education for students in mass spectrometric courses.


German abstract:
Die europäische Raumfahrtorganisation (ESA) plant eine Weltraummission namens Rosetta, die 2003 starten und 2011 den Kometen Wirtanen erreichen soll. Eines der Experimente wird die Suche nach organischen Substanzen im Kometenstaub sein. Dazu wird an Board von Rosetta COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyzer), ein Sekundärionen-Flugzeit-Massenspektrometer (Time-Of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometer - TOF-SIMS) mitgeführt werden. Parallel zum Bau dieses Messgeräts sollen bereits im Vorfeld Arbeiten zur Messdatenauswertung durchgeführt werden. Hauptaufgabe vorliegender Arbeit ist die Simulation von Massenspektren dieses Instruments mit der Möglichkeit, sowohl stochastische als auch systematische Meßfehler effizient modellieren zu können.

Die im TOF-SIMS eingebaute Ionenquelle beschießt die Probe mit Primärionen und schlägt dabei wenige Sekundärionen aus dieser heraus. In einem konstanten elektrischen Feld werden die Sekundärionen beschleunigt, durchfliegen anschließend eine feldfreie Zone und werden schließlich detektiert und in Zeitkanälen aufsummiert. Die Masse der Ionen ist proportional zum Quadrat der Flugzeit. Aufgrund störender Einflüsse, wie unterschiedliche Anfangsgeschwindigkeiten der herausgeschlagenen Sekundärionen, besitzen Ionen mit gleicher Masse unterschiedliche Flugzeiten und somit scheinbar verschiedene Massen. Daher werden nicht alle Ionen gleicher Masse in einem Kanal registriert, wodurch eine Verbreiterung des Peaks entsteht und somit eine zuverlässige Unterscheidung der wichtigsten organischen Substanzen nicht möglich ist. Dieser Effekt wird in COSMIA durch den Einbau eines Reflektors stark reduziert, der die Ionen auf halber Flugstrecke abbremst und in die entgegensetzte Richtung wieder beschleunigt. Mit der Simulationssoftware (SimTof) wurde ein Modell entwickelt, dass ein TOF-SIMS durch einzelne homogene Feldabschnitte beschreibt. Auf Grund ihrer großen Flexibilität wurde zur Berechnung des Massespektrums die Monte-Carlo-Methode verwendet. Für eine große Anzahl von Einzelionen wird dabei die Gesamtflugzeit getrennt berechnet, wobei alle Systemparameter jeweils zufällig, jedoch gemäß vorgebbarer Verteilungsfunktionen variiert werden können. Zur Erzeugung der erforderlichen Zufallszahlen wurde ein eigener sogenannter linearer Kongruenz-Generator implementiert.

SimTof (Simulate TOF-SIMS) ermöglicht es, alle Geräte- (Spannungen, Abmessungen, ...) und experimentelle Parameter (Anzahl der zu simulierenden Ionen, Definition der Probe, Breite eines Zeitkanalfensters, ...) frei zu definieren. Jedem Parameter kann je nach Wunsch eine Verteilungsfunktion oder ein konstanter Wert zugeordnet werden.

Das Modell von SimTof für das COSIMA Instrument wurde mit dem von Simion verglichen. Die Software Simion diente zur Dimensionierung der Ionenoptik von COSIMA und besitzt daher ein sehr gutes Abbild der Realität. Simion ist ein Tool für Ionenoptiker und daher ungeeignet für die Generierung von Massenspektren. Die Ergebnisse von SimTof unterliegen vor allem bei den relativen Flugzeiten (Flugzeitdifferenz zwischen Ionen mit und ohne kinetische Anfangsenergie) größeren Abweichungen, was aber für eine effiziente Simulation von Spektren tolerierbar ist.

Um die simulierten Spektren anzeigen zu können, wurde ein weiteres Programm namens IntTof (Interpret TOF-SIMS) erstellt. Als Schnittstellen zwischen den Programmen werden ASCII-Text-files verwendet. Der Kern der Software wurde in Standard C++ entwickelt, das User Interface mithilfe der MFC unter MSŪ Visual C++ 6.0 realisiert.

Die Software soll neben dem Beitrag zum COSIMA Projekt auch als Lehr- und Demonstrations-programm für das bessere Verstehen von TOF-SIMS Geräten dienen.



Electronic version of the publication:
http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-et_833.pdf


Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.
 
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