Zum Rasen gebracht
Wie kommt ein Ionenstrahl eigentlich zustande?
Tuning
Oder: Ionisierung von Gasen.
Seinen Anfang hat der Ionenstrahl in der Ionenquelle. Beispiel: Stickstoffatome. Die Stickstoffatome strömen durch die Düse in die Kammer und verteilen sich gleichmäßig. Nun wird der Raum auf über 1400°C erhitzt, wodurch die thermische Bewegung der Atome zunimmt und die Verbindung zwischen Atomkern und Elektronen immer schwächer wird. Aus der beheizten Kathode treten, wegen der hohen Temperatur, Elektronen aus (Glühemmission). Auf der anderen Seite der Kammer wird die Anode positiv geladen und dadurch zieht sie die negativ geladenen Elektronen an. Die Kammer ist mit starken Magneten ausgekleidet, welche die Elektronen in eine spiralförmige Bewegung versetzen. So wird die Wahrscheinlichkeit maximiert, dass ein beschleunigtes Elektron ein Elektron aus der äußeren Schale eines Stickstoffatoms herausschlägt und hiermit positiv ionisiert. Haben die Elektronen ihren Dienst getan treffen sie die Anode und verschwinden somit aus dem System. Hinter der Anode befindet sich ein Spannungsfeld, dass die Ionen focussiert, so durch das Loch leitet und beschleunigt.
Aber im Tandem-Beschleuniger sind die Ionen zuerst negativ geladen und werden im Stripper umgepolt. Die gewünschten Atome werden ebenfalls erhitzt und mit Caesium vermischt. Caesium hat die Eigenschaft Elektronen sehr leicht abzugeben und tut das auch, es gibt ein Elektron an das andere Atom ab und macht es dadurch zum Ion.
Fertig machen
Oder die Ionisierung von Festkörpern.
Im Prinzip funktioniert das wie die Ionisierung von Gasen. Zuerst wird das Gas erhitzt und ionisiert, dann schießen die Ionen auf das Target, denn es steht unter Hochspannung. Das Target besteht jedoch aus dem gewünschten Material, welches ionisiert werden soll. Die Ionen sputtern die Atome vom Festkörper ab und diese hinterlassen einige ihrer Elektronen im Gitter und sind damit positiv geladen. Im Massentrenner werden dann die gewünschten bzw. unerwünschten Ionen heraussortiert.
Die guten ins Töpfchen die schlechten ins Kröpfchen
Hinter den Targets befindet sich der Massentrenner, der die Ionen aufgrund ihrer unterschiedlichen Verhältnissen von Masse zu Ladung sortiert. Dafür gibt es eine Formel:
| Q/m~R |  |
Der Massentrenner baut ein starkes elektromagnetisches Feld auf, auf welchem verschiedene Massen verschieden weit umgelenkt werden.
Denn ein Magnetfeld lenkt je nach Verhältnis zwischen Ladung und Masse die Ionen auf verschiedenen Radien aus. Das wird genutzt um die Ionen zu trennen.
Der Winkel zur Massentrennung beträgt ungefähr 90°. Leichtere Ionen werden stärker ausgelenkt und treffen auf die Innenseite des gekrümmten Rohrs, schwere werden nicht so weit ausgelenkt und treffen auf die Außenseite des Magneten.
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Von 0 auf 100
Nach dem Massentrenner werden die Elektronen erst richtig beschleunigt. Die Ionen sind positiv geladen und lassen sich durch starke Elektrische Felder anziehen und bzw. abstoßen.
Ionen werden in starken Spannungsfeldern, der entgegengesetzten Ladung, beschleunigt.
Je höher die Spannung vom Feld ist umso mehr werden die Ionen beschleunigt.
Die Ionen kommen in einen Kanal, in dem abschnittsweise die Spannung erhöht wird. Die Ionen Fliegen hindurch und werden immer vom nächsten Abschnitt angezogen, bis sie die volle Geschwindigkeit haben und der Kanal zu Ende ist. Jetzt bewegen sie sich nur noch aufgrund der eigenen Trägheitskraft.
Deshalb gibt es unterschiedliche Arten von Beschleunigern, die aber meistens das gleiche Prinzip nutzen, werden wir hier nur die Beschleuniger des FZR auszählen:
Die Ionen kommen aus der Quelle und werden von der dort aus gehenden negativen Spannung auf etwa 30 keV beschleunigt, denn die negative Spannung stößt die negativ geladenen Teilchen ab. Danach laufen die Ionen durch den Massentrenner und fliegen dann auf den Abschnitt zu der die Ionen eigentlich beschleunigt. In das Keramikrohr sind in kurzen Abständen Metallringe eingebaut, die unter Spannung stehen. Diese Spannung steigert sich von Ring zu Ring. Dadurch fliegen die Ionen von Ring zu Ring und werden dabei immer schneller, weil die positiv geladenen Ringe die negativ geladenen Ionen anziehen oder anders herum. Das passiert bis zum Mittelpunkt der Keramikröhre. Dort fliegen die Ionen durch den Stripper, dieser lädt die Ionen um sodass sie auf einmal positiv geladen sind. Dadurch werden sie von den positiv geladenen Ringen abgestoßen. Weil die positive Spannung auf einen Bereich begrenzt und weil die Ionen schon eine hohe Geschwindigkeit haben fliegen sie durch den positiv geladenen Ring und werden abgestoßen. Im zweiten Teil des Tandembeschleunigers werden die Ionen also abgestoßen. Die Spannung der Metallringe baut bis auf Erdpotential von Ring zu Ring ab . Danach werden die Ionen nicht mehr beschleunigt; es wird nur noch die Bahn durch Magnetische Felder verändert. Doch dadurch das im Stripper manche Ionen einmal mehr oder weniger geladen werden, beschleunigen die Ionen unterschiedlich. Deshalb trennt ein Massentrenner die Ionen noch einmal damit die Homogenität des Ionenstrahls gesichert ist. Wie oben beschrieben kommen die Ionen negativ geladen aus der Ionen Quelle und beschleunigen bis zum mit Gas gefüllten Stripper. Dort werden sie umgeladen, doch wenn die Ionen so umgepolt werden, dass sie zweifach, dreifach oder mehrfach geladen sind, dann können sie die bereitgestellte Energie mehrmals nutzen und werden deshalb so stark beschleunigt. Das funktioniert aber nur im Tandem-Beschleuniger. In anderen Beschleunigern kommen die Ionen aus der Quellen und sind sie nur einmal geladen. Anders lässt sich das physikalisch nicht vereinbaren. Sind die Ionen also mehrmals geladen dann können 3fach positivgeladene Ionen im alten Tandem Beschleuniger auf bis zu 20 MeV beschleunigt werden.
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