Ionenbeschleuniger

Die in der ionengestützten Materialforschung benötigten Eindringtiefen der Ionen liegen im Bereich von einigen Mikrometern bis zu einigen Atomlagen, d.h bis zu einem Nanometer. Die kinetischen Ionenenergien, die diese Tiefe zu erreichen gestatten liegen - auch in Abhängigkeit des Atomgewichts der Ionen - im Energiebereich von einigen 10 MeV bis 10 eV (s. Literaturverzeichnis [RyRu1978]).

Vorwiegend ist die Ioneneinwirkung auf ein bestimmtes Tiefenintervall sowie mit einer bestimmten Teilchenart erwünscht.

Ionenbeschleuniger müssen daher den erwähnten Energiebereich überstreichen sowie einen Teilchenanalyser zur Abtrennung unerwünschter Ionenarten besitzen. Der Energiebereich von einigen 10 MeV bis herab etwa zu 30 keV wird üblicherweise mit Hilfe von Elektrostatischen Beschleunigern erreicht.

Funktionselemente dieses Beschleunigers sind Ionenquelle, Ionenstrahlformierung, Beschleunigung, q/A-Analyser, Strahlformung und schließlich Targetstationen. Im Bild 901 ist die Funktionsweise elektrostatischer Ionenbeschleuniger dargestellt.


Funktionsweise von elektrostatischen Beschleunigern

Die Beschleuniger im Bild linsks nutzen positive Ionen. Da die Targetstationen auf Erdpotential betrieben werden, befindet sich die Ionenquelle auf  positiven Potential. In der ersten Variante bestimmt die Extraktionsspannung die Gesamtenergie. 

Höhere Ionenenergien werden durch den Einsatz der Nachbeschleunigung und/oder durch die Verwendung mehrfach geladener Ionen erreicht.

Rechts im Bild wird der Tandembeschleuniger gezeigt. Der Einsatz negativer Ionen sowie des Ionenstrippers ermöglichen hier eine weitere Steigerung der kinetischen Energie der Ionen.


Zahlenbeispiel:

Da bei der Ionenumladung im Stripper auch n-fach positiv geladene Ionen erzeugt werden, kann die kinetische Energie der Ionen z. B. den Wert Ek = 25.030 MeV  in der Targetposition erreichen, wenn die Extraktionsspannung 30 kV und die Nachbeschleunigungsspannung  5 MV beträgt sowie 4-fach geladene Ionen nach dem Stripper vorliegen. Werden kinetische Energien wesentlich unter 10 keV benötigt, kommt man nicht umhin, Ionenerzeugung, Ionenextraktion und A/q-Analyse entsprechend Bild 901 oben links zur effektiven Erzeugung eines Ionenstrahls zu benutzen und die ausgewählte Ionenart mit einer in umgekehrter Richtung betriebener Nachbeschleunigung - der Ionenbremse - wieder abzubremsen.