EBIT-Quelle

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Bei EBIT (Electron Beam Ion Trap) und EBIS (Electron Beam Ion Source) handelt es sich um spezielle Arten von Ionenfallen (EBIT) bzw. Ionenquellen (EBIS). Der Aufbau von EBIT und EBIS ist im Allgemeinen recht ähnlich, die unterschiedliche Bezeichnung eher historisch begründet. Daher wird die Bezeichnung EBIT hier für beide Typen benutzt.

Inhaltsverzeichnis 1 Wirkungsprinzip 2 Aufbau 3 Vorteile 4 Anwendung 5 Literatur 6 Weblinks

[Bearbeiten] Wirkungsprinzip

In einer EBIT werden Ionen durch Elektronenstoßionisation erzeugt. Dabei wird ein gebündelter Elektronenstrahl (ähnlich dem Elektronenstrahl in der Bildröhre des klassischen Fernsehers, nur ungleich stärker) im Vakuum auf neutrale Atome geschossen. Durch Stöße der Elektronen aus dem Strahl mit Hüllenelektronen werden letztere beschleunigt und so aus der Hülle des Atoms „herausgeschleudert“. Dadurch entsteht ein positiv geladenes Ion. Da der Elektronenstrahl stark gebündelt ist, werden in Bruchteilen von einer Sekunde nach und nach weitere Elektronen aus der Atomhülle entfernt. Dadurch entstehen letztlich sogenannte hoch geladene Ionen (Highly Charged Ions). Diese werden von der negativen Ladung des Elektronenstrahls in radialer Richtung immer stärker angezogen und bleiben daher in enger Überlagerung mit diesem. Dadurch wird ein schneller Fortschritt der Ionisation bewirkt, weil Stöße viel öfter stattfinden. Diese starke Anziehung der Ionen durch den Elektronenstrahl ist der primäre Einfangmechanismus dieses Typs von Ionenfalle. Die Wechselwirkung findet innerhalb einer Anordnung länglicher, ringförmiger Elektroden statt, an denen positive und negative Spannungen anliegen. Sie verhindern durch Abstoßung bzw. Anziehung der entstandenen Ionen deren Bewegung entlang der Elektronenstrahlachse, die sonst nahezu frei wäre, und schließen so die Ionenfalle vollständig ab. Damit die hoch geladenen Ionen nicht mit neutralen Atomen stoßen und dadurch teilweise wieder Elektronen einfangen können, wird in einer EBIT ein extrem gutes Vakuum (UHV – Ultra High Vacuum) von typischerweise Bruchteilen eines Billionstels des atmosphärischen Druckes benötigt.

Als Ausgangsmaterial verwendet man Atome, die in Form eines extrem verdünnten Atomstrahls in die Fallenmitte injiziert werden, wo sie zum ersten Mal den Elektronenstrahl durchkreuzen. Dabei werden sie mit hoher Wahrscheinlichkeit ionisiert und eingefangen. Man kann aber auch einfach geladene Ionen entlang der Elektronenachse durch geeignete elektrische Felder zur Fallenmitte führen. Man hat an EBITs hoch geladene Ionen von fast allen Elementen erzeugen können, sogar z. B. von seltenen wie Californium. Der maximale Ladungszustand eines hoch geladenen Ions, der an einer EBIT nachgewiesen werden konnte, ist vollständig „nacktes“, also 92-fach positiv geladenes Uran. So viele Elektronen zu entfernen ist ungleich schwerer als nur einige wenige, weil die letzten, innersten Elektronen eines Atoms bis zu 10000 mal stärker an den Kern gebunden sind als die äußersten, und weil der Wirkungsquerschnitt für ihre Entfernung sehr klein ist. Ein derart hoch geladenes Ion kann sonst nur an weltweit einigen wenigen Teilchenbeschleunigern produziert werden (wie z. B. bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung), indem Atome als Ionen zuerst auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht und dann durch eine dünne Metallfolie geschossen werden, an der die Elektronen sozusagen „hängenbleiben“ und nur der Atomkern als hoch geladenes Ion durchkommt.

Viele Experimente an EBITs sind mit sogenannten wasserstoffartigen Ionen durchgeführt worden, also Ionen mit nur noch einem einzigen Elektron.

Die Anzahl der in einer EBIT gespeicherten Ionen variiert im Bereich von wenigen Tausenden bis zu mehrere Milliarden. Dies ist eine sehr kleine Menge an Materie (weniger als ein billionstel Gramm).

Die gespeicherten Ionen werden andauernd durch Stöße mit dem Elektronenstrahl elektronisch angeregt. Die dabei von den gebundenen Elektronen kurzzeitig „gespeicherte“ Energie wird durch elektronische Übergange in den energetisch tiefsten, nicht angeregten elektronischen Grundzustand in Form von Photonen abgegeben. Ähnlich werden auch Photonen bei Rekombinationsprozessen erzeugt, wenn ein Ion ein freies Elektron einfängt. Diese Photonen können recht unterschiedliche Energien haben. Durch die hohe Elektronenstrahlenergie werden Röntgenphotonen emittiert, aber auch welche z. B. im ultravioletten oder sichtbaren Bereich.

[Bearbeiten] Aufbau

Die EBIT besteht im Wesentlichen aus nur wenigen, teilweise aber recht komplexen Komponenten. Zum ersten benötigt eine EBIT eine Elektronenkanone, welche den Elektronenstrahl erzeugt. Dieser wird durch die Driftröhren geleitet, wo die Ionisation stattfindet. Der Elektronenstrahl endet am anderen Ende der Apparatur an der Gegenelektrode (Anode), die hier als Kollektor bezeichnet wird.

Die gesamte Apparatur ist evakuiert, da der Elektronenstrahl bei Normaldruck stark mit den Gasmolekülen wechselwirken und seine Energie schnell verlieren würde.

Da der Elektronenstrahl auf Grund der elektromagnetischen Abstoßung gleich geladener Teilchen (hier Elektronen) auseinanderlaufen würde, muss er durch ein starkes axiales Magnetfeld zusammengehalten werden. Dieses Magnetfeld wird durch supraleitende Spulen oder durch Permanentmagneten erzeugt.

Die Driftröhren sind längliche, röhrenförmige Elektroden (Länge wenige Zentimeter, Durchmesser zwischen 2 und 50 mm). In der einfachsten Variante besteht eine EBIT aus drei Driftröhren, die gemeinsam auf einer positiven Spannung von einigen tausend Volt bezüglich der Elektronenkanone liegen. Die mittlere Driftröhre wird auf eine etwas (10–200 V) niedrigere Spannung gelegt. Die hohe Spannungsdifferenz zwischen der Kathode der Elektronenkanone, aus der die Elektronen emittiert werden, und den Driftröhren beschleunigt die Elektronen auf genügende kinetische Energie, um auch die am stärksten gebundenen Elektronen eines Atoms zu ionisieren.

Für die Elektronen stellt die kleine Spannungssenke zwischen der mittleren und der äußeren Driftröhren keine Hürde dar, aber für hoch geladene Ionen ergibt sich dadurch eine Potentialbarriere von x*10–200 V, wobei x angibt, wie vielfach das Ion geladen ist. Durch diese Barriere werden die Ionen im Bereich der mittleren Driftröhre (Falle – Trap) gehalten und können weiter ionisiert werden. Durch eine Absenkung der Spannung an der hintersten Driftröhre lassen sich die Ionen aus der Falle extrahieren.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil der EBIT ist der Kollektor. Der Kollektor ist auch eine röhrenförmige Elektrode, die Elektronen aus dem Elektronenstrahl auffängt und sich daher im Prinzip wie eine Anode verhält. Dazu liegt der Kollektor auf positivem Potential bezüglich der Kathode, das allerdings in der Regel niedriger ist als das der Driftröhren. Dies verursacht eine teilweise Abbremsung des Elektronenstrahls. Durch den Elektronenstrom mit hoher Energie und Stromstärke entsteht nämlich auf dem Kollektor eine thermische Belastung, so dass dieser gekühlt werden muss. Die Abbremsung vermindert die Wärmelast des Kollektors. Im Kollektorbereich ist das Magnetfeld wegen der Entfernung zur Fallenmitte wesentlich schwächer als bei den Driftröhren und hält den Elektronenstrahl nicht mehr zusammen. Dies ist erwünscht, um die Wärmebelastung auf eine größere Fläche zu verteilen. Die Elektronen werden an der Innenwand des Kollektors gestoppt.

Um dafür zu sorgen, dass die negativ geladenen Elektronen auf den Kollektor treffen, aber dass die positiv geladenen Ionen durch dessen Mittelachse ungehindert passieren, bedarf es einer weiteren röhrenförmigen Elektrode, des Extraktors. Dieser wird am hinteren Ende des Kollektors angebracht. Einige tausend Volt negative Spannung werden an den Extraktor gelegt. Somit „saugt“ er die positiv geladenen Ionen aus dem Kollektor, bildet dagegen für den Elektronenstrahl eine unpassierbare Potentialbarriere, die alle Elektronen in Richtung der Innenwände des Kollektors reflektiert. Die hoch geladenen Ionen passieren den Extraktor und können dann durch Vakuumleitungen mit Hilfe von elektrischen und magnetischen Feldern in andere Apparaturen geführt werden, in denen Experimente mit ihnen stattfinden.

[Bearbeiten] Vorteile

EBITs sind kompakte Apparate, die zum Teil auf einem Tisch aufgestellt werden könnten, und im Vergleich zu den sonst zur Erzeugung hoch geladener Ionen nötigen Teilchenbeschleunigern eine für die meisten Experimente kostengünstige Alternative.

Bei einer Anordnung mit Permanentmagneten entfallen außerdem noch aufwendige Kühlverfahren (flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium), was die Anlage leicht handhabbar macht. Jedoch erreichen solche EBITs noch nicht die Leistungen der mit supraleitenden Magneten arbeitenden Geräte, weil deren bis zu zehnfach stärkeres Magnetfeld eine wesentlich stärkere Fokussierung des Elektronenstrahls bewirkt. Darüber hinaus erzeugen kryogen arbeitende EBITs ein besseres Vakuum, wodurch die Rekombination der Ionen durch Ladungsaustausch verlangsamt wird. Dies führt zur Möglichkeit der Produktion von höchsten Ladungszuständen, wie z. B. nacktes U, also 92-fach positiv geladene Uran-Ionen.

[Bearbeiten] Anwendung

Die hoch geladenen Ionen in einer EBIT ermöglichen es, für kleinste Mengen von Materie Bedingungen im Labor zu realisieren, welche natürlicherweise z. B. in Sternatmosphären, aktiven galaktischen Kernen (active galactic nuclei – AGN) oder Supernovae bei Temperaturen von z. T. vielen Millionen Grad vorkommen. Vorgänge, die im Plasma der Fusionsreaktoren wie Tokamaks oder Stellaratoren eine wichtige Rolle spielen, können in EBITs detailliert untersucht werden, weil die Ionisationsbedingungen gut kontrolliert werden können. Dadurch spielen EBITs eine immer stärkere Rolle in der Spektroskopie von Plasmen bei hohen Temperaturen.

Ein hoch geladenes Ion mit einem schweren Kern und nur wenigen Elektronen ist ein durch elektromagnetische Wechselwirkung gebundenes System mit extrem hohen Bindungsenergien. Weil es aber nur wenige, im manchen Fällen bloß ein einziges Elektron enthält, lässt sich ein solches Gebilde leichter theoretisch beschreiben als ein neutrales Atom, bei dem die gegenseitigen Wechselwirkungen der vielen gebundenen Elektronen schwer zu behandeln sind (Dreikörperproblem). In diesen durch Entfernen der meisten Elektronen vereinfachten Gebilden können also extrem hohe Bindungskräfte an einem einzigen Elektron wissenschaftlich untersucht werden. Dadurch werden Experimente möglich, bei denen die Quantenelektrodynamik gebundener relativistischer Elektronen in einem Bereich erforscht wird, in dem diese Theorie (die sonst in ihren theoretischen Vorhersagen sehr hohe Genauigkeit aufweist) noch unter mathematischen Schwierigkeiten leidet.

Die Wechselwirkungen von hoch geladenen Ionen mit Atomen in der Gasphase sowie auf Oberflächen sind ein sehr aktives Forschungsgebiet. Bei der Annäherung eines hoch geladenen Ions an eine Oberfläche entsteht kurzzeitig ein sogenanntes Hohlatom (hollow atom), da das Ion versucht, seinen Elektronenmangel durch Ansaugen von an der Oberfläche reichlich vorhandenen Elektronen sehr schnell zu kompensieren. Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik verhindern das sofortige Entstehen eines neutralen Atoms und lassen für sehr kurze Zeiten diese hoch angeregten Systeme bestehen. Untersuchungen dieser Hohlatome haben zur Klärung einiger Fragen der Dynamik der Elektronen an Oberflächen beigetragen.

Die in einer EBIT erzeugten Ionen können auch z. B. in der Massenspektrometrie im Time-of-flight Secondary Ion Mass Spectroscopy-(TOF-SIMS)-Verfahren eingesetzt werden, also für die Materialanalyse.

Durch die wirtschaftliche Erzeugung von hoch geladenen Kohlenstoffionen erscheint die EBIT auch für zukünftige medizinische Anwendungen einsetzbar (Bestrahlung von Krebstumoren in der Ionentherapie).

HCI lassen sich auch in der Nanotechnologie zur Erzeugung von Oberflächenstrukturen im Nanometerbereich einsetzen. Verschiedene Anwendungen in diesem Bereich werden zur Zeit erprobt.

[Bearbeiten] Literatur

• Roscoe E. Marrs, Peter Beiersdorfer, and Dieter Schneider, Physics Today, 27 (October 1994)

keywords: The Electron Beam Ion Trap

• Levine, M. A. et al.: The Electron Beam Ion Trap: A New Instrument for Atomic Physics Measurements. In: Physica Scripta. T22. 1988, S. 157

• R. E. Marrs, M. A. Levine, D. A. Knapp, J. R. Henderson, Phys. Rev. Lett. 60, 1715 (1988)

keywords: First EBIT atomic spectroscopy measurement

• R. E. Marrs, S. R. Elliott, D. A. Knapp, Phys. Rev. Lett. 72, 4082 (1994)

keywords: Production of bare uranium

• P. Beiersdorfer, A. L. Osterheld, J. Scofield, J. R. Crespo López-Urrutia, and K. Widmann, Physical Review Letters 80, 3022 (1998)

keywords: Measurement of QED and Hyperfine Splitting in the 2s1/2-2p3/2 X-Ray Transition in 209Bi80+

• J. R. Crespo López-Urrutia, P. Beiersdorfer, D. W. Savin, and K. Widmann, Physical Review Letters 77, 826 (1996)

keywords: Direct Observation of the Spontaneous Emission of the Hyperfine Transition F=4 to F=3 in Ground State Hydrogenlike 165Ho66+ in an Electron Beam Ion Trap

• P. Beiersdorfer, A. L. Osterheld, J. Scofield, B. Wargelin, and R. E. Marrs, Phys. Rev. Lett. 67, 2272 (1991)

keywords: Observation of Magnetic Octupole Decay in Atomic Spectra

• X-Ray Velocimetry of Solar Wind Ion Impact on Comets, P. Beiersdorfer, C. M. Lisse, R. E. Olson, G. V. Brown, and H. Chen, Astrophysical Journal Letters 549, L147 (2001).

• Trapped-Ion Based Technique for Measuring the Nuclear Charge Radii of Highly Charged Radioactive Isotopes, S. R. Elliott, P. Beiersdorfer, M. H. Chen, Phys. Rev. Lett. 76 1031 (1996).

• Observation of Visible and UV Magnettic Dipole Transitions in Highly-Charged Xenon and Barium, C. A. Morgan, F. G. Serpa, E. Takacs, et al., Phys. Rev. Lett. 74, 1716 (1995)

• Nanoscale modification of silicon surfaces via Coulomb explosion, H. P. Cheng, J. D. Gillaspy, Phys. Rev. B 55, 2628 (1997)

• Emission-line intensity ratios in Fe XVII observed with a microcalorimeter on an electron beam ion trap

Author(s): J. M. Laming, I. Kink, E. Takacs, et al., Astrophysical Journal Letters 545, L161-L164 (2000)

• Masked ion beam lithography with highly charged ions, J. D. Gillaspy JD, D. C. Parks, L. P. Ratliff,

JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B, 16, 3294 (1998)

• A new versatile electron-beam ion trap, F. J. Currell, J. Asada, K. Ishii, et al., JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN, 65, 3186 (1996)

• A SCALING LAW OF CROSS-SECTIONS FOR MULTIPLE ELECTRON-TRANSFER IN SLOW COLLISIONS BETWEEN HIGHLY-CHARGED IONS AND ATOMS, M. KIMURA, N. NAKAMURA, H. WATANABE, et al., JOURNAL OF PHYSICS B-ATOMIC MOLECULAR AND OPTICAL PHYSICS, 28, L643 (1995)

[Bearbeiten] Weblinks

• kurze Einführung (engl.)
• Internet-Seite der EBIT am MPIK in Heidelberg mit kurzer Einführung
• eine Linkliste der weltweiten EBIT-Installationen findet sich in Englisch auf der EBIT-Seite des NIST