Ionenquellen und Sekundärstrahlung Seminar Kern- und Teilchenphysik Thorsten Erlen. VORTRAG am

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1 Ionenquellen und Sekundärstrahlung Seminar Kern- und Teilchenphysik Thorsten Erlen VORTRAG am

2 Gliederung Übersicht Ionen & Teilchen 1. Erzeugen von Elektronenstrahlen 2. Ionenquellen 3. Anti-Teilchen und Sekundärstrahlung durch Beschuss von Targets 2

3 Ionen & Teilchen Normale Teilchen Elektronen Positiv und negativ geladene Ionen (Proton als H+) Anti-Teilchen und Sekundärstrahlung Beispiel: Anti-Protonen 3

4 1. Quellen für Elektronenstrahlen...To produce electrons one simply heats up a piece of metal and they come boiling off... - David Griffiths 1.1 Glühemission 1.2 Elektronenkanone und Wehneltzylinder 1.3 Limitierungen der e-quellen 1.4 Weitere Effekte und Möglichkeiten 4

5 1.1 Glühemission Erhitztes Metall emittiert Elektronen (Glühemission, entdeckt 1873) Nötige Temperatur abhängig von Material und Oberflächenbeschaffenheit Ideal: Geringe Austrittsarbeit des Oberflächenmaterials (z.b. durch Metalloxid Beschichtung) => niedrige Betriebstemperatur Effizienter Betrieb erfordert Vakuum 5

6 1.1 Glühemission Die Richardson-Dushman Gleichung beschreibt (etwa) die temperaturabhängige Stromdichte j [A/cm²] bei Glühemission 6

7 1.1 Glühemission Mit Glühkathoden Erreichte Stromdichten 7

8 1.2 Elektronenkanone und Wehneltzylinder Elektronen aus Glühemission und ein E-Feld ergeben zusammen eine Elektronenkanone, Emission findet an der Glühkathode (Filament) statt 8

9 1.2 Elektronenkanone und Wehneltzylinder 9

10 1.3 Limitierungen der e-quellen Temperaturlimit des Kathodenmaterials Bildung eine Raumladungszone Maximale Spannung, maximal erreichbares Vakuum 10

11 1.3 Limitierungen der e-quellen Raumladungslimitierung Emittierte Elektronen schirmen das positive Anodenpotential ab An der Kathodenoberfläche wird das elektrische Feld kleiner Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, wenn das E-Feld nahe der Kathodenoberfläche verschwindet Die Child-Langmuir Gleichung beschreibt den erreichbaren Kathodenstrom Effekt kann durch höhere Anoden-Spannung ausgeglichen werden 11

12 Quellen für Elektronenstrahlen Raumladungslimitierung 12

13 1.4 Weitere Effekte und Möglichkeiten Schottky-Effekt: Ein äußeres E-Feld senkt die Austrittsarbeit Feld-Emission aus Metallspitze (Tunneleffekt) klarer Vorteil: Kalte Emission 13

14 2. Ionenquellen 2.1 Erzeugung und Eigenschaften von Plasmen 2.2 Plasmen in Ionenquellen 2.3 Nachträgliche Ladungserhöhung und Umladen von Ionen 2.4 Weitere (Plasma-)Ionenquellen 14

15 2.1 Erzeugung und Eigenschaften von Plasmen Wird einem Gas (bei niedrigem Druck) in geeigneter Art und Weise Energie zugeführt, führt dies zur Ionisation und Anregung der Atome/Moleküle Ionisierte Atome und ungebundene Elektronen bilden als freie Ladungsträger im Raum ein Plasma 15

16 2.1 Erzeugung und Eigenschaften von Plasmen Zu einer Gasentladung zwischen zwei Elektroden kommt es, wenn genügend freie Ladungsträger vorhanden sind Der Strom durch die Gasentladung führt durch Energiezufuhr zu mehr freien Elektronen und Ionen (Lawine) 16

17 2.2 Plasmen in Ionenquellen In Plasmen sind also ionisierte Atome einer bestimmten Sorte (abhängig vom verwendeten Gas) vorhanden Mit einem elektrischen Feld können Ionen extrahiert und beschleunigt werden 17

18 2.2 Plasmen in Ionenquellen Ionisierungsenergie zu jedem Ladungszustand muss aufgebracht werden (in Stufen) Maßgeblich durch Elektronenstoßionisation 18

19 2.2 Plasmen in Ionenquellen In Plasmen finden gleichzeitig Ionenproduktion und -vernichtung statt Es ergeben sich verschiedene Ratengleichungen für die Prozesse Der Ionisierungsfaktor : Abschätzen des Wirkungsquerschnitts, nach Lotz 1967: 19

20 2.2 Plasmen in Ionenquellen Folie aus (6) 20

21 2.2 Plasmen in Ionenquellen Zur idealen Ionen Produktion sollten im Plasma langsame Ionen/Atome und schnelle Elektronen vorhanden sein So erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für Stoßionisation, gleichzeitig sinkt die für den Elektroneneinfang Hohe Plasmadichte bedeutet auch hohe Elektronendichte Energiereiche Elektronen verlassen aber auch schnell den Einschlussbereich des Plasmas, während langsame verbleiben (nicht ideal!) Technisches Ziel: Hohe Plasmadichte mit schnellen Elektronen, Aussortieren von langsamen Elektronen und geschickte Ionen-Extraktion 21

22 Quellen für positiv geladene Ionen Magnetfelder dienen zum Einschluss (Confinement) des Plasmas Durch gespiegelte Felder kann man Plasmen verdichten Wird die Elektronendichte im Plasma durch ein äußeres BFeld erhöht, so erreicht man höhere Ionisationsraten Je höher die Energie der Elektronen, desto wahrscheinlicher wird die (weitere) Ionisation von Atomen/Ionen, oder erst möglich Ekin> Eion In besonders dichten Plasmen lassen sich Atome sehr hoch Ionisieren 22

23 Quellen für positiv geladene Ionen Eine hohe Dichte des Plasmas ist nicht unproblematisch: 23

24 2.2 Plasmen in Ionenquellen Beispiel: Duoplasmatron als p-quelle Protonen werden als positive Wasserstoffionen in Plasmaquellen ähnlich erzeugt wie andere Ionen 24

25 2.2 Plasmen in Ionenquellen Protonenquelle : Duoplasmatron am CERN 25

26 2.2 Einschub: CERN Experimente 26

27 2.2 Plasmen in Ionenquellen am CERN 27

28 2.2 Plasmen in Ionenquellen CERN Wasserstoff Fütterung : 0.1 mbar/s Resultat eines Lecks mit 10-4 mbar/s Lufteinstömung 28

29 2.3 Umladen von Ionen Ionisierung kann auch an Oberflächen stattfinden Nachträgliches Umladen ist möglich 29

30 2.3 Negative Ionen Penning Ion Gauge PIG 30

31 2.3 Ionen-Stripping Werden Ionen durch dünne Folien geschossen, streifen die schweren Kerne beim Durchgang die leichten Elektronen ab So kann z.b. am CERN aus einer ECR-Quelle stammendes 208 Pb29+ in mehreren Schritten Durch Kohlenstoff Stripping-Folien erst auf 52+, nach Beschleunigung und Durchgang einer weiteren Folie vollständig auf 82+ geladen werden Durch Stripping-Folien kann man auch negativ-geladene Ionen in positiv geladene Umwandeln 31

32 2.4 Weitere Ionenquellen Elektronen Zyklotron Resonanz (ECR) Volumen Quellen (z.b. MUCIS GSI, DESY H- Source) Electron Beam Ion Source (EBIS) 32

33 2.4 Weitere Ionenquellen Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) Mikrowellen zur Energieeinkopplung Mehrstufige Beschleunigung der freien Elektronen im Plasma, Energien bis 1MeV durch zirkularpolarisierte Wellen bei nur 100 V/m Feldstärke pro Halbwelle Unterschiedliche Elektronen/Ionen-Temperaturen Gepulste Extraktion im Afterglow-Mode möglich 33

34 2.4 Weitere Ionenquellen Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) 34

35 2.4 Weitere Ionenquellen Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) Beispiel : Die Pb208-Quelle am Cern: 35

36 2.4 Weitere Ionenquellen Volumen Quellen z.b. GSI 36

37 2.4 Weitere Ionenquellen Electron Beam Ion Source : BNL-RHICEBIS 37

38 3. Sekundärstrahlung Nachdem Elektronen, Protonen und Ionen erzeugt wurden kann man sie weiter beschleunigen Schießt man die Teilchen auf ein Target, so lassen sich Sekundärstrahlen erzeugen Je Höher die Energie, desto mehr Prozesse sind grundsätzlich möglich Durch Paarbildung können Anti-Teilchen entstehen 38

39 3. Sekundärstrahlung Beispiel p-produktion am Tevatron 150 GeV Protonen werden auf ein Nickeltarget geschossen Es entstehen 20 Antiprotonen pro 106 Protonen 39

40 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 40

41 Quellenverzeichnis (1) Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Chemie. 8. Auflage, Georg Thieme Verlag KG, 2007, ISBN , S (2) H. Wenck, K. Hörner: Ionenselektive Elektroden, Chemie in unserer Zeit, 23. Jahrg. 1989, Nr. 6, S. 207 (3) Ludwig Pohlmann: Elektrochemische Messmethoden: Mikroelektroden (4) : Formel/Tabelle RD-Gleichung (5) C.E. Hill ION AND ELECTRON SOURCES, CERN, Geneva, Switzerland Website mit Seminar (6) Vorlesung von Prof. Dr. Oliver Kester: Physik und Technik von Ionenquellen (WS13/14), Institut für Angewandte Physik, Goethe Universität Frankfurt (7) Vorlesung von Prof. Dr. Oliver Kester: Teilchenbeschleuniger (WS12/13), Institut für Angewandte Physik, Goethe Universität Frankfurt (8) David Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Zitat Folie 4 (9) CERN Linac4 Technical Design Report 2006 (10) CERN Linac2 Homepage, verschiedene Artikel mit Bildern (11) Christian Gerthsen: Physik, 6. Aufl., Heidelberg 1960, S (12) Website LHC-facts (13) Website der GSI, Abschnitt Ionenquellen 41