Forschung mit Strahlen hochgeladener Ionen

18.10.2022

Erzeugung höchster Ladungszustände mit Ultrahochvakuumtechnologie

In unserer Umgebung begegnen uns vorwiegend niedrig geladene Ionen, zum Beispiel in der Flamme einer Kerze oder bei Gewitterblitzen. Aber es gibt auch natürlich vorkommende hochgeladene Ionen, also Ionen mit einer hohen Zahl fehlender Elektronen in der Atomhülle. Diese erleben wir beispielsweise in exotischen Zuständen wie der Sonnenkorona oder bei Supernova-Ereignissen.

Aus diesem Grund spielt die Erforschung von hochgeladenen Ionen im Labor für die Astrophysik eine große Rolle. Aber auch in anderen Bereichen sind im Labor erzeugte hochgeladene Ionen äußerst wichtig. Mittels Spektroskopie an hochgeladenen Ionen werden Vorgänge in Fusionsplasmen untersucht. Die Grundlagenforschung über die Wechselwirkung von hochgeladenen Ionen mit Festkörperoberflächen liefert interessante Perspektiven, beispielsweise für zukünftige Quantencomputersysteme.

„Bis heute wurde die spektroskopische Vermessung der Atomradien nur an wasserstoffartigen Systemen mit einem einzelnen Elektron durchgeführt, denn nur dafür ist die Theorie ausreichend genau. Diese einfachen Atomsysteme besitzen experimentell aber den Nachteil, dass die zu verwendenden Wellenlängen weit im ultravioletten Bereich des optischen Spektrums liegen und dadurch nur schwer mit heutigen Lasersystemen zugänglich sind.“, erläutert Prof. Dr. Wilfried Nörtershäuser, Leiter der Arbeitsgruppe LaserSpHERe (Laser Spektroskopie an Hochgeladenen Ionen und Exotischen Radioaktiven Nukliden) am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt. „Gegenwärtig gibt es aber erfolgversprechende Bestrebungen, die erforderliche Genauigkeit auch für komplexere, heliumartige Systeme mit zwei Elektronen zu erreichen. Deren Wellenlängen sind mit Lasersystemen wesentlich besser zugänglich, und so können die Radien der Atomkerne von Helium bis Stickstoff künftig deutlich präziser bestimmt werden als derzeit möglich. Durch die Installation der Ionenstrahlanlage mit der Ionenquelle EBIS-A bietet die KOALA-Apparatur dafür die idealen Voraussetzungen.“ Prof. Dr. Nörtershäuser und sein Team führen mit Hilfe der Kollinearen Apparatur für Laserspektroskopie und Angewandte Wissenschaften (KOALA) Präzisionsexperimente im Grenzbereich der Atom-, Kern- und Teilchenphysik durch. Ihr Forschungsschwerpunkt ist die Laserspektroskopie an hochgeladenen Ionen und an exotischen kurzlebigen Isotopen, mit dem Ziel, die Ladungsradien von Atomkernen präzise zu bestimmen.

EBIS-Ionenquelle
EBIS-Ionenquelle

Technologien zur Erzeugung von hochgeladenen Ionen

Die in Darmstadt eingesetzte Elektronenstrahlionenquelle (engl. Electron Beam Ion Source, EBIS) ist nur eine von mehreren Technologien zur Erzeugung von hochgeladenen Ionen. Wie Laser und Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen (engl. Electron Cyclotron Resonance Ion Source, ECRIS) gilt die EBIS als direkte Quelle hochgeladener Ionen. Außerdem können niedrig geladene Ionen mittels Hochenergiebeschleuniger und Gas- oder Folienstrippertargets in hochgeladene Ionen umgewandelt werden.

Der für die Ionisation nötige Energieübertrag wird bei Laserionenquellen durch Strahlung realisiert. Allen weiteren Technologien ist gemein, dass der treibende Prozess für die Ionisation auf Elektronenstößen basiert. In Hochenergiebeschleunigern werden die einfachgeladenen Ionen bei hohen Energien auf quasi ruhende Elektronenstoßpartner geschossen. In Elektron-Zyklotron-Resonanz- und Elektronstrahlionenquellen ist der Prozess umgekehrt. Die zunächst gasförmigen neutralen Moleküle oder Atome befinden sich in Ruhe. Für die Elektronenstrahlionisation werden die Elektronen beschleunigt und treffen auf die Hüllenelektronen der Atome. Durch den Übertrag der kinetischen Energie der schnellen Elektronen auf die Hüllenelektronen erhalten diese ausreichend Energie, um die Bindung der Atomhülle zu verlassen.

Von allen direkten Quellen hochgeladener Ionen wurden die höchsten Ladungszustände mit Elektronenstrahlionenquellen erzeugt, weshalb sie die optimale Wahl für den Einsatz an KOALA in Darmstadt waren. Die Technologie bietet ideale Voraussetzungen für das Erreichen hoher Ladungszustände, solange die verwendete Vakuumtechnik für ausreichende Rahmenbedingungen sorgt.

Funktionsprinzip einer Elektronenstrahlionenquelle

Bei einer Elektronenstrahlionenquelle vom Typ Dresden-EBIS-A, wie sie an der TU Darmstadt eingesetzt wird, wird eine hochemittierende Kathode im Vakuum auf etwa 2200 K geheizt. Dies erzeugt einen Strahl aus freien Elektronen, die von der Elektronenkanone zum als Anode fungierenden Driftröhrenensemble hin beschleunigt werden. Dabei wird der Elektronenstrahl durch ein starkes magnetisches Feld komprimiert, wodurch die Elektronenstromdichten Werte von einigen 10 Ampere je cm² erreichen. Dieser hochdichte, schnelle Elektronenstrahl trifft im Bereich der Driftröhren auf thermische Gasatome und stößt mit deren Hüllenelektronen. Die dabei entstehenden Ionen werden durch ein elektrostatisches Feld im Bereich der Driftröhren eingefangen, in der für die Quelle namensgebenden Ionenfalle (engl. Electron Beam Ion Trap, EBIT).

Elektronenstrahlionenquelle
Elektronenstrahlionenquelle

So lange die Energie des Elektronenstrahls die Bindungsenergie übersteigt, werden durch fortlaufende Elektronenstoßionisation weitere Hüllenelektronen entfernt und das Ion in einen immer höheren Ladungszustand gebracht. Dies kann fortgeführt werden bis alle Hüllenelektronen entfernt sind und nur noch der nackte Atomkern vorhanden ist.

Die Elektronen werden nach dem Durchfliegen der Driftröhren elektrostatisch durch die Repeller-Spannung auf einen gekühlten Elektronenkollektor geleitet. Die hochgeladenen Ionen können die Ionenfalle verlassen und stehen für verschiedene Applikationen zur Verfügung.

Dies ist nur ein Auszug.
Den vollständigen Anwendungsbericht können Sie als PDF-Datei herunterladen.

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