Techniklexikon

Ionenquelle

Atom- und MolekülphysikPlasmaphysik, MagnetohydrodynamikKernphysik, Anlage zur Erzeugung eines Ionenstrahls, die ihre Anwendung in der Kernfusion, in Massenspektrometern und Implantations-Anlagen, in Ionen-Mikrosonden sowie in Raketenantrieben findet. Eine Ionenquelle besteht im allgemeinen aus zwei Komponenten, einer Kammer zur Erzeugung der Ionen (meist als Bestandteil eines Plasmas), Plasmagenerator oder auch Plasmakammer genannt, und dem Extraktionssystem, das der Extraktion der Ionen aus dem Plasma und der Strahlformierung dient. Grundsätzlich können sowohl positive als auch negative sowie einfach und mehrfach geladene Ionen der verschiedensten chemischen Elemente erzeugt und, unter Verwendung einer entsprechend gepolten Beschleunigungsspannung, zu einem Ionenstrahl formiert werden.

Verschiedene Methoden der Plasmaerzeugung kennzeichnen unterschiedliche Typen von Ionenquellen. In der Elektronenstossionenquelle wird das Plasma durch eine Gasentladung gezündet. Die zu ionisierenden Atome müssen als (molekulares) Gas oder Dampf vorliegen (siehe Abb. 1). Grundsätzlich gilt, dass die Elektronenenergie grösser als die Ionisationsenergie des gewünschten Ladungszustands sein muss. Eine Elektronenstossionenquelle kann schnell und einfach gebaut werden und eignet sich daher zu Testzwecken. Die Energieverteilung der Ionen ist sehr schmal. Allerdings liefern solche Ionenquellen nur einen geringen Ionenstrom. Die Effizienz solcher Quellen lässt sich durch Anlegen eines Magnetfeldes verbessern, das die Elektronen länger im Plasmabereich hält (Penning-Ionenquelle, Freeman-Ionenquelle, Plasmatron-Ionenquelle).Metallionenquellen arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien, abhängig von Siedepunkt und Ionisierungspotential des Metalls. Metallionen können durch Sputtern der Kathode erzeugt und in das Plasma überführt werden. Aus Metallen mit niedrigem Dampfdruck kann leicht Metalldampf erzeugt werden, der dann in eine herkömmliche Ionenquelle eingeleitet wird. In sog. MEVVA-Quellen (MEtal Vapor Vacuum Arc) wird das Plasma in einer Bogenentladung im Vakuum erzeugt. Metalle mit niedrigem Ionisierungspotential können durch Oberflächenionisation ionisiert werden, wobei die Oberflächentemperatur 2 500-3 300 °C betragen sollte. Bei Radiofrequenz-Ionenquellen (RF-Ionenquellen) wird das Plasma mittels einer Radiofrequenz-Wechselspannung im MHz-Bereich erzeugt. Das Gas wird entweder über eine Gasentladung zwischen zwei parallelen Platten, zwischen denen eine Wechselspannung anliegt, oder eine Gasentladung durch eine Induktionsspule angeregt. RF-Ionenquellen können aus sämtlichen Gasarten Ionenstrahlen von hoher Reinheit erzeugen. Deshalb werden sie oft in der Halbleiterindustrie eingesetzt.

Die Mikrowellen-Ionenquelle zur Erzeugung hoher Ströme einfach geladener Ionen benutzt Mikrowellen mit Frequenzen ausserhalb der Plasmafrequenz, die in das Plasma eingestrahlt werden. Bei der Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle (EZR-Ionenquelle) wird eine Mikrowelle in Resonanz mit der Zyklotronfrequenz in das Plasma eingestrahlt (siehe Abb.2). Der Vorteil beider Quellen ist, dass sie keine Heizwendel besitzen und somit auch mit agressiven Gasen betrieben werden können. Mit der Elektronenstrahl-Ionenquelle (Electron Beam Ion Source, EBIS) und der Elektronenstrahl-Ionenfalle (Electron Beam Ion Trap, EBIT) lassen sich höchste Ladungszustände bei ausgezeichneter Strahlqualität erzeugen (Abb. 3). Diese Quellen sind sehr komplex und teuer; oft werden die notwendigen Magnetfeldstärken mit supraleitenden Magneten (Supraleitung) erreicht.

Zur Erzeugung von negativen Ionen gibt es drei Mechanismen: Volumenproduktion, Ladungsaustausch, Sekundärionenemission. Bei der Volumenproduktion wird das negative Ion durch Stösse langsamer Elektronen mit Atomen oder Molekülen erzeugt, bei denen sich das Elektron an das Atom anlagert oder es zu einem dissoziativen Anlagerungsprozess beim Stoss kommt. Beim Ladungsaustausch werden negative Ionen bei Stössen zwischen positiven Ionen und neutralen Atomen, die ihre Elektronen leicht abgeben (meist Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle), erzeugt. Die Sekundärionenemission durch Teilchenbeschuss von Oberflächen mit niedriger Austrittsarbeit führt zur Emission von negativ geladenen Ionen aus der Oberfläche.

Ionenquelle 1: Prinzip.

Ionenquelle 2: Oben: Schema einer EZR-Ionenquelle. Unten: Axiale Magnetfeldverteilung.

Ionenquelle 3: Oben: Schema einer EBIS/EBIT-Ionenquelle. Unten: Axiale (elektrische) Potentialverteilung während der Ionisationsphase bzw. während der Ionenextraktion.