Physik und Technik von Ionenquellen

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1 Physik und Technik von Ionenquellen 1) Einführung Zur Physik der Ionenquellen gehören: Produktion geladener Teilchen (Elektronen, Ionen) Erzeugung von Plasmen Ionisation von Atomen (Elektronenstoßionisation, Photoionisation) Strahlextraktion aus Plasmen oder von Kathoden Strahlformierung und Transport der geladenen Teilchen Anwendungen in Grundlagenforschung, Industrie und Technik Produktion der geladenen Teilchen: Elektronen Elektronenkanonen Ionen (positive oder negative) Ionenquellen Arbeitsprinzip einer Plasma-Ionenquelle: Plasmaerzeugung Extraktion Strahltransport O. Kester 1

2 Wichtige Größen, die in der Vorlesung genutzt werden: Die kinetische Energie von geladenen Teilchen wird gewöhnlich in Elektronenvolt (ev) angegeben. 1 ev ist die Energie, welches ein einfach geladenes Teilchen gewinnt, wenn es eine Potentialdifferenz von 1 Volt durchläuft. 1 ev = e * (1 Volt) = 1.60*10-19 J Die Masse des Elektrons beträgt m e = 9.109*10-31 kg Die Masse des Protons beträgt m p = 1.67*10-7 kg Die atomare Masseneinheit ist 1 u = *10-7 kg Ein Elektron mit der Energie von 1 ev bewegt sich mit der Geschwindigkeit von ca. 594 km/s. O. Kester

3 Erzeugung von Elektronenstrahlen: thermionische Emission Richardson-Dushman Beziehung für die Stromdichte: Dabei ist die Konstante j R 4π m e k A A = = 10,4 3 h cm K φ ist die Austrittsarbeit, kt die thermische Energie der Elektronen j wird nur messbar, wenn T >> Raumtemperatur Feldemission E-Felder in der Größenordnung von 10 7 V/cm (z.b. an Spitzen, Nadelkathoden), dabei wird das Potential an der Festkörperoberfläche soweit abgesenkt, dass die Elektronen durch tunneln können. -> Fowler-Nordheim Gleichung: A T exp φ kt A cm = j FE K1U exp φ K φ U A cm = φ ist die Austrittsarbeit, U die angelegte Spannung und K 1 und K Konstanten O. Kester 3

4 Photokathoden Ausnutzen des Photoeffekts (Einstein), h ν = φ + m u, Betrieb mit Leistungslasern Anwendung von Elektronenstrahlen: Schweißen, Lithographie, Elektronenbeschleuniger, Röntgenröhren, Klystrons, Ionenproduktion durch Elektronenstoß, Ionenstrahlkühlung O. Kester 4

5 Erzeugung von Ionenstrahlen: positive Ionen werden durch Elektronenstoß, Photonen oder an heißen Oberflächen erzeugt + e + X = X + e (sukzessive Ionisation) negative Ionen Anlagern eines Elektrons an ein neutrales oder Umladen eines Ions das positiv geladen ist an einer heißen Oberfläche oder im Metalldampf (Alkalimetalle, vorzugsweise Cs) exothermer Prozess durch Elektronenaffinität O. Kester 5

6 Ist die Elektronenaffinität > 0, dann ist das negative Ion stabil (siehe Tabelle)! weitere Mechanismen: Moleküldissoziation Anregung e + XY = X + Y + e + XY = X + Y + e Klassifizierung von Ionenquellen: Die Klassifizierung geschieht über die Elektronenenergie und die Einschlusszeit und die Elektronendichte im Plasma der Ionenquelle. Die Elektronenenergie bestimmt den maximalen erreichbaren Ladungszustand, der Parameter Dichte*Einschlusszeit die Zeitdauer wie schnell der Ladungszustand erreicht wird Singly charged ions High current Multiple charged ions Medium current Highly charged ions Low current Elektronendichte*Einschlusszeit O. Kester 6

7 Neben Plasma-Ionenquellen ist die Erzeugung von Ionen über resonante Laserionisation möglich (RILIS resonant laser ionisation ion source) Ionisierung durch resonante Laseranregung in mehreren Schritten: Beispiel: ISOLDE RILIS Ionenquellentypen: Quellen mit Strömen bis zu mehreren Ampere, aber geringen Ladungszuständen Quellen mit hochgeladenen Ionen (bis U 9+ ), jedoch geringen Intensitäten einfachste Quellen Oberflächenquellen O. Kester 7

8 Elektronenstoßquelle Plasmatronquellen O. Kester 8

9 Magnetronquellen Penningquellen O. Kester 9

10 Multicusp-Quellen, HF-Quellen Hochladungs-Ionenquellen: EZR (Elektron Zyklotron Resonanz Ionenquelle); Mikrowellen geheiztes Plasma Magnetfeldeinschluß der Ionen O. Kester 10

11 Die Elektronenstrahl-Ionenquelle EBIS (Electron Beam Ion Source); Ionen werden im Elektronenstrahl eingeschlossen Solenoid Ionenbarriere Elektronenrepeller Elektronenstrahl Ionen Kollektor Anode Driftröhre U (z) Ionisation Extraktion Z Anwendung von Ionenstrahlen: Sputtern, Plasmätzen, Ionenantriebe, Atomphysik, Implantation, Massenspektrometrie, Beschleunigern O. Kester 11