Physik und Technik von Ionenquellen 1) Einführung Zur Physik der Ionenquellen gehören: • • • • •

Produktion geladener Teilchen (Elektronen, Ionen) Æ 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 Ionen (positive oder negative)

Æ Æ

Elektronenkanonen Ionenquellen

Arbeitsprinzip einer Plasma-Ionenquelle: • Plasmaerzeugung • Extraktion • Strahltransport O. Kester

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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) = 1.6022*10-19 J Die Masse des Elektrons beträgt me = 9.109*10-31 kg Die Masse des Protons beträgt mp = 1.672*10-27 kg Die atomare Masseneinheit ist 1 u = 1.6606*10-27 kg Ein Elektron mit der Energie von 1 eV bewegt sich mit der Geschwindigkeit von ca. 594 km/s. O. Kester

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Erzeugung von Elektronenstrahlen: ¾ thermionische Emission

⎛ φ ⎞ 2 j A T exp = ⋅ ⎜− ⎟ R Richardson-Dushman Beziehung für die Stromdichte: ⎝ kT ⎠ 4π ⋅ m e k 2 ⎡ A ⎤

Dabei ist die Konstante

A=

h3

⎡ A ⎤ ⎢⎣ cm 2 ⎥⎦

= 120,4 ⎢ 2 2 ⎥ ⎣ cm K ⎦

φ ist die Austrittsarbeit, kT die thermische Energie der Elektronen j wird nur messbar, wenn T >> Raumtemperatur ¾ Feldemission E-Felder in der Größenordnung von 107 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:

j FE =

K1U 2

φ

⎛ K φ⎞ exp⎜ − 2 ⎟ ⎝ U ⎠

⎡ A ⎤ ⎢⎣ cm 2 ⎥⎦

φ ist die Austrittsarbeit, U die angelegte Spannung und K1 und K2 Konstanten O. Kester

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¾ Photokathoden

u2 Ausnutzen des Photoeffekts (Einstein), hν = φ + m 2 , Betrieb mit Leistungslasern Anwendung von Elektronenstrahlen:

Schweißen, Lithographie, Elektronenbeschleuniger, Röntgenröhren, Klystrons, Ionenproduktion durch Elektronenstoß, Ionenstrahlkühlung

O. Kester

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Erzeugung von Ionenstrahlen: • positive Ionen werden durch Elektronenstoß, Photonen oder an heißen Oberflächen erzeugt

e − + X = X + + 2e −

(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) Æ exothermer Prozess durch Elektronenaffinität

O. Kester

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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:

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Die Klassifizierung geschieht über die Elektronenenergie und die Einschlusszeit und die Elektronen-

Highly charged ions Low current

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dichte im Plasma der Ionenquelle. 103 Die Elektronenenergie bestimmt den maximalen erreichbaren Ladungszustand,

Multiple charged ions Medium current

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der Parameter Dichte*Einschlusszeit die Zeitdauer wie schnell der Ladungszustand erreicht wird.

Singly charged ions High current

10 1 104

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1010

1012

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Elektronendichte*Einschlusszeit O. Kester

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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 U92+), jedoch geringen Intensitäten einfachste Quellen Æ Oberflächenquellen O. Kester

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Elektronenstoßquelle

Plasmatronquellen

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Magnetronquellen

Penningquellen

O. Kester

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

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Die Elektronenstrahl-Ionenquelle EBIS (Electron Beam Ion Source); Ionen werden im Elektronenstrahl eingeschlossen Solenoid Ionenbarriere

Elektronenrepeller

Ionen Elektronenstrahl

Kollektor Anode

U(z)

Driftröhre

Ionisation

Extraktion

Z

Anwendung von Ionenstrahlen: Sputtern, Plasmätzen, Ionenantriebe, Atomphysik, Implantation, Massenspektrometrie, Beschleunigern O. Kester

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