Ionenquellen (in Arbeit)

Jeder Teilchenbeschleuniger braucht natürlich eine Quelle für die zu beschleunigenden Teilchen. Will man Ionen beschleuinigen braucht man folgerichtig eine Ionenquelle. Oft wird dazu eine Gasentladung verwendet. Durch die Gasentladung wird das Füllgas ionisiert, und die entstandenen Ionen können die Quelle verlassen und beschleunigt werden.

Eim Laufe der Zeit wurde für die verschiedsten Anwendungen ( Beschleuniger, Massenspektrometer, Sputtering, Ionenätzen) eine Vielfalt von Quellen entwickelt. Die wichtigsten Eigenschaften einer Ionenquelle sind: Strahlstrom, Betriebsdruck, Energiehomogenität und Anteil von Atomionen.

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Kanalstrahl-Ionenquelle:

Die Kanalstrahlionenquelle ist eine der ältesten Quellen überhaupt und wurde aus der Kanalstrahlröhre nach E. Goldstein entwickelt.
In dieser Röhre brennt eine Gasentladung bei niedrigem Druck. Die schnellen Elektronen in der Gasentladung ionisieren die Atome des Restgases. Die so gebildeten positiv geladenen Ionen werden zur Kathode beschleunigt. Durch Öffnungen in der Kathode können die Ionen aus der Entladungszone austreten und z.B. weiter beschleunigt werden.
Der Aufbau ist sehr einfach, der Entladungsraum ist durch die Anode und Kathode begrenzt. Die durch die Glimmentladung entstehenden Ionen können durch eine Bohrung aus der Quelle austreten.

Kanalstrahlröhre nach Eugen Goldstein


Dem Vorteil des einfachem Aufbaus steht der Nachteil des hohem Betriebsdrucks gegenüber, der im Bereich von 10^-3 bis 10^-2 mBar liegt. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Anteil an Molekülionen im Ausgangsstrahl

Bei der Hochfrequenz-Ionenquelle findet die Ionisation im einem elektrischen oder magnetischem hochfrequentem Feld statt. Die sich ständig ändernde Polarität des Feldes führt zu einer Pendelbewegung und damit zu einer Verlängerung des Weg der Elektronen. So wird die Ionisierungswahrscheinlichkeit erhöht.
Wird das HF-Feld mit einer Spule erzeugt muss die Kammer natürlich aus einem Isolator bestehen. Mit einer zusätzlichen, positiven Elektrode wird ein Gleichfeld erzeugt das die Ionen zum Ausgang der Kammer beschleunigt.

Ohne Hochfrequenzfeld arbeitet die Quelle wie eine Kanalstrahlröhre und der nutzbare Targetstrom aus der Quelle beträgt 30µA. Wird der Hf-Oszillator zugeschaltet erhöht sich die Ionendichte deutlich. Bei gleichem Gasdruck beträgt der Ausgangsstrom nun 100µA. Wird nur Generator ohne Gleichspannung an der positiven Elektrode eingeschaltet zündet zwar ein helles Plasma aber der Ausgangstrom bleibt nahe Null. Ohne das Gleichspannungsfeld finden nur wenige Ionen den Weg durch Ausgangskanal.

Der Generator ist ein Oszillator in Hartley-Schaltung und arbeitet mit einer PL36 Röhre die auf einer Frequenz von etwa 60 MHz schwingt. Die PL36 war einst die Standardröhre für die Zeilenablenkung in Fernsehgeräten, wurde in sehr großen Stückzahlen hergestellt, und ist deshalb immer noch billig bei Ebay zu bekommen.
Mit etwas Überlastung kann Röhre bei einer Anodenspannung von 700V etwa 20 bis 40 Watt HF-Leistung abgeben. Für mehr Leistung kann man auch die stärkere Zeilenröhre PL519 verwenden

Auch diese Ionenquelle arbeitet mit einem Hochfrequenzfeld, allerdings mit einer wesentlich höherer Frequenz. Meist wird mit 2,45 GHz gearbeitet. Für diese Frequenz gibt es leistungsstarke und dennoch billige Generatoren, sogenannte Küchenmagnetron, für den Einsatz in Mikrowellenöfen.
Die Mikrowellen werden von der Ausgangsantenne des Magentrons über einen Hohlleiter (60 x 45 Querschnitt) in die Quarzröhre der Ionenquelle gekoppelt. Mit drei Schrauben kann die Impedanz des Magnetrons an die der Entladungsröhre angepasst werden. Zwei Magnetringe, welche die Quarzröhre umschliesen verdichten das Plasma und gestatten einen niedrigen Arbeitsdruck. Der Hohlleiter ist aus Kupferblech gebogen und verlötet. Die beiden Magnetringe stammen aus einem alten Magnetron.


Nur mit Gleichspannung ist nur die bläuliche Fluoreszenz des Quarzrohrs zu sehen	Bei Einschaltung der Mikrowelle entsteht eine lichtstarke Entladung	Die Beschaltung des Magnetrons entspricht der eines Mikrowellenofens. Nur ist die Anodenspannung über einen Stelltrafo regelbar

Penning Ionenquelle

Die Penning-Ionenquelle benützt starke Magnetfelder um die Elektronen auf Spiralbahnen zu zwingen somit den Weg der Elektronen zu verlängern und die Stoßwahrscheinlichkeit mit Gasmolekülen zu erhöhen. Dadurch können diese Quellen auch bei kleinen Gasdrucken arbeiten. Eigentlich hat der Erfinder Penning mit diesem Prinzip ein Druckmessgerät gebaut. Aber es stellte sich bald heraus das die Anordnung auch eine hervoragende Ionenquelle darstellt.
Der Körper der Quelle ist aus Eisen gefertigt, nur die Anode ist aus unmagnetischem Material, hier aus Aluminium.

Im Gegensatz zu der Kanalstrahlquelle haben die erzeugten Ionen aufgrund der niedrigen Betriebsspannung eine geringe Anfangsenergie.

Elektronenstoß Ionenquelle

Bei dieser Quelle werden mit einer Glühkathode Elektronen erzeugt. Diese Elektronen werden durch eine Spannung von einigen Hundert Volt in eine röhrchenförmige Kathode beschleunigt. Treffen die Elektronen im Raum der Anode auf Gasatome, werden diese ionisiert. Die positive Ionen werden durch das Anodenpotential auf eine auf Masse liegende Austrittsblende beschleunigt. Der durch die Blende austrettende Ionenstrahl wird der weiteren Verwendung zu geführt. Im rechten Schema misst eine Kollektorplatte den Ionenstrom. Bei einem Emissionstrom der Kathode von z.B. 100µA erhält man einige 10 nA Ionenstrom. Da der Ionenstrom in einem weitem Bereich dem herrschendem Gasdruck proportional ist wird dieses Prinzip oft zur Druckmessung oder zur Restgasanalyse verwendet

Thermische Ionenquelle

Während die bisher besprochenen Quellen zur Erzeugung von Ionen gasförmiger Elemente gedacht sind, können thermische Quellen Ionen, z.B. von Alkali- und Erdalkalimetallen erzeugen. Das, zu ionisierende Metall wird in Form einer Verbindung (z.B. Chlorid) in dünner Schicht auf eine heizbare Unterlage aufgebracht. Im einfachsten Fall kann diese Unterlage z.B. der Glühwendel einer geöffneten Glühlampe sein, man könnte hier von einer Glühanode reden, das positive Gegenstück zu einer Glühkathode. Wichtig für die Funktion ist, dass das Material der Unterlage eine höhere Austrittsarbeit hat als die Ionisationsenergie des zu ionisierende Materials beträgt. Bei Glühkörpern aus Wolfram ( 4,6 eV), Platin (5,3 eV), Nickel (5,0 eV) ist das in manchen Fällen gegeben. Das rechte Schema zeigt den Testaufbau. Die ganze Anordnung muss natürlich im Vakuum (< 10^-4 mBar) betrieben werden. Mit einer Saugspannung von einigen Hundert Volt wird man je nach Material und Heizspannung Ionenströme im Nano- bis Mikroampere Bereich erzielen.

Der Testaufbau ist unten zu sehen. Als Testmaterial wurde Natrium verwendet, und dazu der Glühfaden in eine Kochsalzlösung( NaCl) getaucht. In der evakuierten Glasröhre ist links das Glühlampchen (6 Volt, 5 Watt), rechts der Auffänger zu sehen. Die Glühanode liegt auf einer positiven Spannung von 200 Volt.

Zur Messung des Ionenstroms wurde ein einfaches Digitalmultimeter verwendet. Die Messwerte sind die Spannungsabfälle am 10 Megaohm Eingangswiderstand des Gerätes, der zugehörige Strom kann leicht berechnet werden. Die Emission hängt stark vom Heizstrom ab. Bei einem Heizstrom von 300 mA beträgt der Ionenstrom 32 nA und der Heizfaden glüht orangefarben.

Thermische Ionenquellen eignen sich ganz gut für einfache >>Massenspektrometer<<. Die Energieverteilung der erhaltenen Ionen ist mit einigen eV sehr schmal. Folgende Substanzen eignen sich für diese Experimente.
Element	Ionisierungsenergie	natürliche Isotope, nur Isotope mit Anteil >= 0,1%
Lithium	5,39 eV	Li⁶ 7,4%, Li⁷ 92,6%
Natrium	5,14 eV	Na²³ 100 %
Kalium	4,34 eV	K³⁹ 93,26 %, K⁴¹ 6,73 %
Rubidium	4,18 eV	Rb⁸⁵ 72,16 %, Rb⁸⁷ 27,84 %
Cäsium	3,89 eV	Cs¹³³ 100 %
Calcium	6,11 eV	Ca⁴⁰ 96,94%, Ca⁴² 0,65%, Ca⁴³ 0,14%, Ca⁴⁴ 2,09%, Ca⁴⁸ 0,19%
Barium	5,21 eV	Ba¹³⁰ 0,11%, Ba¹³² 0,10 %, Ba¹³⁴ 2,42%, Ba¹³⁵ 6,59%, Ba¹³⁶ 7,85%, Ba¹³⁷ 11,23%, Ba¹³⁸ 71,7%
Strontium	5,7 eV	Sr⁸⁴ 0,56%, Sr⁸⁶ 9,86%, Sr⁸⁷ 7%, Sr⁸⁸ 82,58%

Das scheinbare Missverhältniss der Werte, Austrittsarbeit Wolfram 4,6 eV < Ionisierungsarbeit Natrium 5,1 eV.