Licht- und Ionenquelle

Bevor erläutert wird, welche Gesetzmäßigkeiten und Vorrichtungen zur Ionenerzeugung benutzt werden, wird im Bild 501 eine Licht- einer Ionenquelle gegenübergestellt. Beide Quellen liefern einen kegelförmigen Strahl mit  räumlicher Begrenzung, der in den vorangehenden Bildern verwendet wurde.

Licht- und Ionenquelle 501
Foto: Andreas Kolitsch
 

Licht- und Ionenquelle

Die Lichtquelle benötigt z.B. eine elektrische Leistung von 15 Watt, um eine Wolframwendel so stark zu erhitzen, dass diese weiß glüht und Licht in den gesamten Raum emittiert. Ein Teil des Lichts wird ausgeblendet und von einer Linse zu einem Strahl gebündelt.Die Ionenquelle benötigt bei- spielsweise eine elektrische Leistung von 2 kW, um ein verdünntes Gas bzw. den Dampf einer Einsatzsubstanz in ein Plasma zu verwandeln. Wie aus diesem Plasma im Extraktionsspalt ein Ionenstrahl entsteht, wird im Kapitel 6 beschrieben.

Ein Plasma kann durch Elektronenstoß  folgendermaßen erzeugt werden:Im oberen Teil des Bildes 502 wird ein Elektron auf ein Gasatome geschossen. Ist die Bewegungsenergie des Geschosses höher als die Bindungsenergie eines Elektrons im Gasatom, kann dieses beim Zusammenstoß aus der äußeren Schale entfernt werden. Das neutrale (q=0) Gasatom wird zum einfach positiv geladenen (q=1) Ion, ein zusätzliches Elektron wird erzeugt.Die Grafik unten links im Bild  502 zeigt, wie die Ionisierungswahrscheinlichkeit für einfach bzw. dreifach positiv geladene Ionen im beschriebenen Stoßprozeß von der Bewegungsenergie der Elektronen abhängt.Sind im Entladungsgefäß genügend Gasatome (Dichte N0) und Elektronen - aus einer  Glühkatode - vorhanden, entwickelt sich der Einzelstoß zu einer Lawine.

Plasma 502
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Plasmaerzeugung durch Elektronenstoß

Zur Lawinenbildung tragen die bei jedem Einzelstoß zusätzlich erzeugten Elektronen bei. Das ist möglich, wenn ausreichende Anodenspannung und geringer Gasdruck dafür sorgen, dass die neu erzeugten Elektronen genügend kinetische Energie aus einem äußeren elektrostatischen Feld aufnehmen können. Die Ionendichte N+ ist durch die Elektronenstromdichte je,  die Ionisierungswahrscheinlichkeit s und die Wechselwirkungszeit t von Elektronen und Gasatomen sowie die Gasdichte N0 bestimmt.

In den meisten Anwendungen sind große Ionenströme erwünscht. Deshalb wurden  Ionenquellen entwickelt, die auf unterschiedliche Weise hohe Ionendichten zu erzeugen gestatten. Bild 503 zeigt zwei oft genutzte Varianten.Der Heizfaden im Bild links emittiert Elektronen in Abhängigkeit der Fadentemperatur in eine Zwischenschicht. Über dieser fällt der größte Teil der Anodenspannung ab und die Elektronen erhalten die benötigte kinetische Energie. Der größte  Teil des Entladungsgefäßes füllt sich mit Plasma. In der Entladung kann die Bewegungsenergie der Elektronen solange auf die Ionen übertragen werden, bis sich die Temperaturen beider Teilchenarten angleichen. Das Plasma ist durch eine weitere Zwischenschicht von der Anode getrennt.

Elektronenstoss 503
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Technische Realisierung der Elektronenstoßionisation

Die Ionenkonzentration im Plas- ma wird in der Penningentladung durch ein magnetisches Längsfeldfeld (oben rechts) erhöht. Die Elektronen bewegen sich auf Spiralbahnen in Richtung Anode (vergl. Bild 302). In der Hohlkatodenentladung werden die Elektronen auf die Anode in der Achse der Anordnung fokussiert. Die Ladungsträgerdichte wird durch diese Maßnahmen so weit gesteigert, dass Ionenstromdich- ten von 1A/cm2 in der Nähe der Achse der Entladung erreicht werden. Ionenaustrittsöffnungen befinden sich  daher in der Achse der Entladung.

Sollen Ionen einer festen Einsatzsubstanz erzeugt werden, muß diese Substanz zunächst verdampft werden. Es ist nicht ausreichend, die Verdampfungstemperatur - z. B. T=550 K für Arsen - in einem speziellen Öfchen einzustellen. Es muß verhindert werden, dass der Materialdampf auf seinem Weg vom Öfchen bis in das Entladungsgefäß sowie an 'kalten' Stellen des Gefäßes selbst kondensiert.Das Temperaturregime und die chemische Technologie einer Ionenquelle entscheiden deshalb im gleichen Maße wie gute Wirkprinzipien über den praktischen Wert einer Quelle.

Plasma-Ionenquelle 504
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Plasmaionenquelle nach G. Sidenius

In der Ionenquelle nach Sidenius wurden diese Merkmale erfolgreich vereint. Hohlkatode und temperaturbeständiges Konstruktionsmaterial wie Wolfram und Bornitrid ermöglichten den sehr kompakten Aufbau, der mit vergleichsweise geringem Material- und elektrischem Leistungsaufwand hohe Ionenströme liefert.  Die Betriebtemperatur der Quelle kann 2000° erreichen und Ionenströme von > 0.1 mA fast aller chemischen Elemente können bei stabilen Betriebsbedingungen erzeugt werden.

Heizwendel und zugehörige Isolatoren sind Schwachstellen von Ionenquellen, sie reduzieren die Standzeit der Quelle.

Hochfrequenzanregung 505
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Hochfrequenzanregung

Diese Schwachstellen können beseitigt werden, wenn man eine Hochfrequenzwelle in das Entladungsgefäß einkoppelt. Die Hochfrequenzwelle kann im Entladungsgefäß befindliche Elektronen auf ausreichende Energien beschleunigen, um Neutralgas zu ionisieren, das ebenfalls im Entladungsgefäß vorhanden ist. Stimmt man die Gefäßdimensionen mit der Wellenlänge der Welle gemäß den Formeln im Bild ab, kann erreicht werden, daß die Elektronen auf einer stehenden Welle bewegt werden. Mit dieser Resonanzionisierung ist eine sehr effektive Plasmaerzeugung möglich.

Das Prinzip der Resonanzionisierung eines Ionenquellenplasmas wird mit Hilfe der magnetischen Flasche verwirklicht. Dazu werden rotationssymmetrische Magnetfelder erzeugt, die im Zentrum des Feldes einen Minimalwert besitzen. Eine zylindersymmetrische Anordnung wird mit einem Paar von Helmholtzspulen erhalten (Bild 506 links), eine sphärische Flussdichteverteilung gemäß Bild 506 oben rechts enthält zusätzliche, weitere Magneten.

Magnetische Flasche 506
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Magnetische Flasche

Die Lorentzkraft (vergl. Bild 302) zwingt die Flugbahn der von der Hochfrequenzwelle angetriebenen Elektronen an einem bestimmten Wert der Flussdichte zur Umkehr (links unten im Bild). Resonanzfrequenz und Umkehr- flussdichte gehorchen der angegebenen Formel. Enthält das Entladungsgefäß Gasmoleküle, kann - wiederum nach Ausbildung einer Lawine - eine sehr intensive Entladung ereicht werden, mit deren Hilfe Ionenströme von 100 mA oder mehrfach geladene Ionen erzeugt werden.

Dieses Wirkprinzip wird in Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen angewendet. Das Schema sowie konstruktive Einzelheiten der in der Rossendorfer Ionenbremse (vergl. Bild 104) eingesetzten 7.5 GHz-ECR-Quelle zeigt Bild 507.

ECR-Ionenquelle 507
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ECR-Ionenquelle

Die Flussdichteverteilung (Bild oben links) wird mit Hilfe von vier Spulen sowie sternförmig um die Achse der Spulen angeordneten Permanentmagneten erreicht.  Die Größe der magnetischen Flasche kann aus den Schnittpunkten der Geraden w=7.5 GHz mit der Longitudinalverteilung der Flussdichte abgelesen werden. In der Nähe der Längsachse von ECR-Quellen werden so hohe Elektronenstromdichten erzeugt, dass die erzeugten Ionen vorübergehend eingeschlossen werden. Das bewirkt eine schrittweise Weiterionisation der Ionen (q, q+1, q+2,...) und damit die Erzeugung sehr hoher Ladungszustände. (vergl. A/q-Spektrum Bild 805.)

 Gelingt es mit den beschriebenen Quellenvarianten nicht, die Einsatzsubstanz zu verdampfen, werden Sputter-Ionenquellen gemäß Bild 508 angewendet.Diese Quellen können negative Ionen von schwerschmelzenden Einsatzsubstanzen erzeugen. Links im Bild ist die komplette Quelle dargestellt, in der Mitte das Funktionsschema und rechts eine formale Darstellung der Vorgänge in der Ionenquelle.

Sputter-Ionenquelle 508
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Sputter-Ionenquelle

Im Kontakt mit dem auf 1000 K erhitzten kalottenförmigen Wolframionisierer werden in der Quelle zunächst positive Cäsiumionen aus Cäsiumdampf durch Oberflächenionisation (vergl. Bild 509) erzeugt.Mit Hilfe elektrostatischer Felder (s. Bildmitte) werden die Ionen von der Ionisiereroberfläche abgesammelt und daraus ein Cäsiumionenstrahl formiert. Dieser wird auf das Substrat geschossen. Dadurch wird das Substrat zerstäubt (sputtering). Die abgestäubten Materialatome übernehmen vom umgebenden Cäsiumdampf Elektronen. Vorzeichen und Betrag der Spannung am Extraktor sowie die Elektrodengeometrie formen einen Strahl negativer Substrationen.

 Oberflächen-Ionisation wird mit Vorteil zur Erzeugung von Cäsiumionen sowie einer Reihe anderer Ionen eingesetzt,  beispielsweise, wenn nur geringe Mengen der Einsatzsubstanz vorhanden sind, wie bei der Trennung von radioaktiven Isotopen oder bei der Durchführung von Materialanalysen. Die Ionenausbeute, d.h. der in Ionenform N+ überführte Anteil der Einsatzsubstanz N0 ergibt sich gemäß der Formel in Bild 509 aus der Austrittsarbeit für Elektronen des Ionisierers und der Energie I des äußersten Elektrons des Substrats. Die Bedeutung der beiden Größen ist in Bild 509 unten erläutert.

Oberflächen-Ionisations-Ionenquelle 509
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Oberflächen- Ionisations- Ionenquelle 

Das Substratatom und die heiße Ionisatoroberfläche bilden einen Verband, wenn das Atom die Oberfläche fast erreicht hat. Jetzt wird das Elektron, das bei Abwesenheit des Substratatoms thermisch vom Ionisierer emittiert würde, vom Substrat abgegeben. Der Verband wird im Zuge der weiteren Bewegung des Atoms wieder gelöst, es fliegt als Ion weiter. An den Zahlenwerten erkennt man, daß eine hohe Ionisationsausbeute für Cs erhalten wird. Die Ausbeute verringert sich drastisch, wenn I>F wird. Gute Ausbeuten sind aber z.B. für die Elemente der Seltenen Erden (SE) möglich, wenn die Wechselwirkung von Atom und Oberfläche in einem geschlossenem Volumen (Cavity) wiederholt abläuft.

Die Ausbeute wächst um einen Faktor, der vom Verhältnis der Oberfläche F der Cavität zur Ionenlochfläche f  abhängt. In der praktischen Anwendung wurden Ionisationsausbeuten von 50% bei der Trennung von Isotopen der Seltenen Erden erreicht. Allerdings muss durch einen entsprechend geringen Neutralteilchenstrom dafür gesorgt werden, dass die innere Oberfläche der Cavität 'sauber' bleibt. 

Mehr Information zu Ionenquellen ist unter [Alt1981], [BeHeTy1977], [FreSid1972], [MatPfe1986] und [Val1977] im  Literaturverzeichnis  zu finden.