Transcript Ionisation
2. Ionisation - Elektronenstoß-Ionisation & Photoionisation - WS2011/12 2.1 Inhaltsübersicht 1. Atomare Prozesse in Plasmen 2. Ratengleichung Beispiel EBIT, Ladungsaustausch, Radiative Rekombination 3. Elektronenstoß-Ionisation Ionisationsmechanismen: Sukzessive Ionisation, Ionisationsfaktor, Abschätzung des Wirkungsquerschnitts (Lotz-Formel), Carlson-Korrektur, optimale Elektronenenergie, Anwendung 4. Photoionisation Grundlagen und Wirkungsquerschnitte, Anwendung (RILIS) 5. Zusammenfassender Überblick WS2011/12 2.2 2.1. Übersicht: Atomare Prozesse im Plasma In den meisten Ionenquellen werden Ionen in einem Plasma erzeugt. Die Elementarprozesse (Auswahl) in Plasmen sind: Stöße mit Elektronen (Three-Body-Recombination, TBR) A+Z: Atom der Sorte A im Ladungszustand Z e’ : ein Elektron mit veränderter Energie strahlungsloser Übergang Stöße mit Photonen Linienspektrum (Radiative recombination, RR) kontinuierliches Spektrum Das Elektron geht von einem freien Zustand in einen anderen freien Zustand geringerer Energie über. WS2011/12 2.3 2.2. Ratengleichung Aus diesen Prozessen ergeben sich folgende dynamische Gleichgewichtsgrößen: • Verteilung der Häufigkeiten aller Ionisationsstufen Z (=0...Zmax), Ionisationsgleichgewicht • Anzahl der Photonen, die pro Zeiteinheit emittiert und wieder absorbiert werden, Strahlungsgleichgewicht Die Dichten der Teilchenspezies werden aus sogenannten Ratengleichungen ermittelt: dn Quellen Senken dt Beispiel Stoßionisation: dnz 1 ne nz v e z z 1 ne nz 1 z 1,TBR dt ß z+1, TBR : Ratenkoeffizient für die Three-Body-Recombination (TBR) Die Ratenkoeffizienten sind oftmals nicht mit der erforderlichen Genauigkeit berechenbar; experimentelle Daten liegen nur in begrenztem Umfang vor. Daher wird versucht Aussagen über die thermodynamischen Gleichgewichte zu gewinnen. Mit abnehmender Elektronendichte sinkt die TBR-Rate, so dass die Stoßionisation mit der TBR nicht mehr im Gleichgewicht ist. Die RR-Rate sinkt auch, jedoch nicht so stark. Mit abnehmender ne wird auch die Photoionisation unwahrscheinlich, so dass nur noch Stoßionisation und RR überwiegen. Die Photonen verlassen das Plasma, ohne re-absorbiert zu werden WS2011/12 2.4 Beispiel EBIT: dni ion RR RR chex chex coll n e e iion 1 i n i 1 i i 1 i i 1 n i i 1 i n i 1 n o ion i i 1 n i i 1 i n i 1 i dt ion : mittlere thermische Ionengeschwindigkeit ion 2kTion Mion : Wirkungsquerschnitte für Stoßionisation, RR und Umladung durch Restgas-Stöße icoll : Kollisionsrate für sämtliche Coulomb-Stöße von Ionen mit Ladungszustand i UW : Tiefe des elektrostatischen Potentials (radial und axial), kTion : therm. Energie der durch Coulomb-Stöße geheizten Ionen nee : Dichte und Geschwindigkeit der Elektronen, no % ieU w exp kTion ni ieU w kTion 16 ARGON 0 log 80 60 8 40 20 : Dichte der Neutralteilchen, Löst man das lineare Gleichungssystem numerisch, so erhält man die Ladungszustandsentwicklung in Abhängigkeit von je . % 0 ARGON -3 16 80 -2 -1 log(ni/nma x) 0 1 2 log(J*TAU) ARGON -1 16 OBEN: 60 injizierten Gasmenge von Ar bei einer Ionisation von einer gepulst Elektronenstrahlenergie von 3.9 keV, was die Ionisation in den 8 Schaleneffekte). Ladungszustand Ar17+ verhindert (EBIS-Mode mit 40 UNTEN: -3 8 -4 20 Einfang und Ionisation im Falle eines kontinuierlichen Zustroms von Ar-Atomen bei 6 keV Strahlenergie (EBIT-Mode ohne RR und -2 -1 0 1 2 Umladung durch Restgas).-3 WS2011/12 -2 log(J*TAU) -3 -2 -1 0 1 2 3 log(J*TAU) 2.5 Ladungsaustausch: Für die Abschätzung der Wirkungsquerschnitte durch Umladung wird im Allgemeinen die Gleichung von Müller und Salzborn verwendet: 12 1.17 2.76 2 iex 1 . 43 10 i E cm i 1 ion,gas Dabei sind i der Ladungszustand des hochgeladenen Ions und Eion, gas das Ionisationspotential für die Gasatome, mit denen das Ion wechselwirken kann. Beispiel, welchen Ladungszustand man in Abhängigkeit der Stromdichte und des Drucks erreichen kann: -3 10 -6 Pressure (mbar) 10 100 A/cm 2 -9 10 10 A/cm 2 -12 10 0 20 40 Pb Charge states WS2011/12 60 80 2.6 Radiative Rekombination: Für die Abschätzung der Wirkungsquerschnitte der Strahlungsrekombination wird der semi-klassische Ausdruck von Kim und Pratt verwendet, der auf der ersten theoretischen Beschreibung des RR durch Kramers (1923) beruht: wobei mit: • der effektiven Kernladung durch die gebundenen Elektronen zur Berücksichtigung der Abschirmung des Kernpotentials • der effektiven Hauptquantenzahl um den Einfang in Zustände mit verschiedenem Drehimpuls zu berücksichtigen Ry: a: w0 Rydbergenergie 13,6 eV Feinstrukturkonstante Verhältnis zwischen der Anzahl an besetzten zu unbesetzten Zuständen Z: Kernladungszahl q: Ladungszustand n: Hauptquantenzahl (le)r : reduzierte Compton-Wellenlänge E: Elektronenenergie WS2011/12 2.7 2.3. Elektronenstoß-Ionisation Die Elektronenstoßionisation ist der fundamentalste Ionisierungsmechanismus und der wichtigste für den Betrieb von Ionenquellen. Warum? • Der Wirkungsquerschnitt für Elektronenstoß-Ionisation ist um Größenordnungen höher als der für die Photoionisation. • Da der Wirkungsquerschnitt von der Masse des stoßenden Teilchens abhängt und der Energieübertrag von einem schweren Teilchen auf ein Elektron entsprechend gering ist, benötigt man zur identischen Ionisierungswahrscheinlichkeit bei Protonen (im Vergleich zu Elektronen) eine um drei Größenordnungen höhere Ionisierungsenergie. WS2011/12 2.8 Mechanismen bei der Stoßionisation Es gibt zwei Möglichkeiten, wie mehrfach geladene Ionen erzeugt werden können: • in einem einzigen Stoß, bei dem mehrere Elektronen auf einmal entfernt werden • multistep oder sukzessive Ionisation, bei der ein Stoß jeweils ein Elektron entfernt und nach mehreren Stößen der erwünschte Ladungszustand erreicht ist Elektronenstoß Einfach-Ionisation Elektronenstoß Doppel-Ionisation Nach energetischen Überlegungen ist die Ionisation, bei dem nur ein Elektron aus der Hülle entfernt wird, der wahrscheinlichste Prozess. Will man zu hochgeladenen Ionen gelangen, dann muss die kinetische Energie der Elektronen mindestens die Energie des n-ten Ionisierungspotentials haben. WS2011/12 2.9 Ionisierungsenergien bis über 100 keV (U91+ → U92+) entsprechend der folgenden Graphik Ionisation energies by C. Moore 1E+6 eV 1E+5 1E+4 1E+3 1E+2 1E+1 1E+0 0 10 20 30 40 50 OXGAS2.XLS R. Becker, 31.07.99 → Schalenstruktur der Atomhülle ist gut erkennbar WS2011/12 60 70 80 90 100 Z 2.10 Sukzessive Ionisation: Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Elektron entfernt wird und ein Ion von q q+1 übergeht, wird durch den Wirkungsquerschnitt qq+1 [cm2] bestimmt. Kennt man die Wirkungsquerschnitte für die sukzessive Ionisierung, so kann man die mittlere Verweildauer der Ionen im Ladungszustand q aus der Stoßfrequenz abschätzen: q q 1 ne nq ve q q 1 1 m3s Die Zeit zwischen zwei ionisierenden Stößen ist qq1 nq qq1 1 neve qq1 e je qq1 Dies gilt für Elektronen einer definierten Energie. je q q 1 e q q 1 Mittlere Verweildauer im Ladungszustand q hängt nur vom Wirkungsquerschnitt und von der Stromdichte der Elektronen ab. Man nennt den obigen Ausdruck auch IONISATIONSFAKTOR. (Manchmal wird dieser auch nur als inverser Wirkungsquerschnitt definiert!) Prinzip der Elektronenstoßionisation WS2011/12 2.11 Die mittlere Zeit, die erforderlich ist den Ladungszustand q zu erreichen ist somit: q 1 e q 1 1 q i i 1 je i 0 i i 1 i 0 Beispiel: Für verschiedene Ladungszustände von Xe die Abhängigkeit von je* von der Elektronenenergie. Abschätzen der Wirkungsquerschnitte und Ionisationszeiten für vollgestrippte Ionen nach den Mosleyschen Gesetz für Röntgenfrequenzen bei Übergängen vom Kontinuum in die K-Schale: Eik (Z ) 13.6 Z [eV ] z 1z 4.5 10 2 wobei 14 ln e 9 1017 e 13.62 Z 4 Z4 E e Eik (Z ) je 1 z1z e z1z 4 e eZ 4 Z je z 1z 17 z 1z 9 10 5 z 1z Beispiele: Ar kann mit 10 keV Elektronen vollständig ionisiert werden, Ionen der schweren Elemente mit bis zu 100 keV Elektronen und Uran mit bis zu 150 keV Elektronen. Daraus resultierende Werte für die Ionisationsenergie, Wirkungsquerschnitte und Ionisationsfaktoren sind in nebenstehender Tabelle zusammengefasst. WS2011/12 2.12 Abschätzung des Wirkungsquerschnittes für die Elektronenstoß-Ionisation Abschätzung des Wirkungsquerschnitts durch quantenmechanische Rechnung nach Bethe (1930) unter Anwendung der Bornschen Näherung: Streuung einer Materiewelle am Zentralpotential V(r) für Ekin >> Eion (Störungsrechnung). Sämtliche Elektronen eines Atoms oder eines Ions tragen mit individuellem ei zum Gesamtwirkungsquerschnitt bei, so weit Ekin des Projektils größer ist als die Bindungsenergie Pi der Elektronen. N N q q 1 i qi ei i 1 N = Zahl der Unterschalen i 1 Alle qi Elektronen der Unterschale tragen zum i der Schale bei. Den Wirkungsquerschnitt für die Ionisierung der (n, l) - Schale erhält man durch Integration der Übergangswahrscheinlichkeiten über alle Zustände n’, l’ k und der Integration über den Stoßvektor 2 q M (v v ' ) h mit v vor und v’ nach dem Stoß. Man erhält inl const Znl WS2011/12 E 1 ln kin EkinEnl Enl Bethe et al., Ann. Physik 5 (1930) 325 2.13 Für praktische Zwecke hat sich die von Lotz 1967 ermittelte semi-empirische Formel für die Energieabhängigkeit der Wirkungsquerschnitte für die Elemente von H bis Ca und für Energien < 10 keV durchgesetzt. Der Fehler beträgt maximal 10%. Die Lotz-Formel lautet für den Fall hoher Ionisierungsenergien Ekin >> Pi: Ekin ln N Pi 14 q q 1 4.5 10 Ekin Pi i 1 cm 2 Pi = Enl , N-Unterschalen Diese wird für die meisten Rechnungen zu den Ladungszustandsverteilungen angewendet. Für E Pi gilt mit E 1 x kin Pi x2 x 0 , außerdem ist ln (1 x ) x 2 0 1 4.5 1014 ( EPkin1 1) P12 für x << 1 ~ Ekin d.h. der Wirkungsquerschnitt geht linear mit E Pi gegen Null. Beispiele für die Abhängigkeit der Wirkungsquerschnitte von der Energie werden anhand der Ionisationsstufen von Helium gezeigt. Der Wirkungsquerschnitt ist umso kleiner, je höher der Ausgangsladungszustand ist. Außerdem ist er höher, wenn sich das Atom im angeregten Zustand befindet. WS2011/12 2.14 Einfach-Ionisation: He + e → He+ + 2e 10-17 Mehrfachionisation: He + e → He2+ + 3e 1019 WS2011/12 2.15 Ionisation aus angeregtem Zustand 10-16 WS2011/12 He (2s) + e → He+ + 2e Ionisation von einfach geladenem He 10-18 He+ + e → He2+ + 2e 2.16 Carlson-Korrektur für Ionisierungsenergien: Die Ionisierungsenergie Pq,i für Ionen mit verschiedenen Ladungszuständen q, die nicht das am schwächsten gebundene Elektron beschreiben sind in der Literatur manchmal nur schwer zu finden. Sie können mit der Carlson-Korrektur abgeschätzt werden. Die Ionisierungsenergie Pq,i berechnet sich aus der Ionisierungsenergie Wi(q) des Ions mit Ladung q und den atomaren Bindungsenergien der Elektronen wie folgt: Pi E0i Wi (q) E0q E0i E0q : Bindungsenergie eines Elektrons der i-ten Schale im Atom : atomare Bindungsenergie von Elektronen in der Schale, welche der Schale des am schwächsten gebundenen Elektron im Ion des Ladungszustands q entspricht. Wi(q) : Ionisierungsenergie des Ions (beschreibt immer das am schwächsten gebundene Elektron) am schwächsten gebundenes Elektron q (Ionisierungsenergie liegt vor) E0q-E0i Ion: Aq+ WS2011/12 inneres Elektron i, das entfernt wird 2.17 Wahl der Elektronenenergie Da (E) ein Maximum bei einer bestimmten Energie besitzt, gibt es für je* ein Minimum. Im Wesentlichen bestimmt der Wirkungsquerschnitt für das letzte zu entfernende Elektron die Zeit. Die optimale Energie erhält man durch d z z 1 dE ln Ekin Pi d 14 0 4.5 10 Ekin Pi i 1 dE N E 1 0 Emax 1 ln 2 i 1 Pi E Pi N N 1 ln Pi P exp i 1 N i 1P i i 1 N ln Pi e exp i 1 Pi N 1P i i 1 Für die optimale Energie des letzten zu entfernenden Elektrons gilt dann: E max ln Pz P e exp z 1 Pz eP z Damit liegt die optimale Energie nahezu beim e-fachen der Ionisierungsenergie des letzten zu entfernenden Elektrons des Ions mit dem Ladungszustand z. WS2011/12 2.18 Ionisationsfaktor und optimale Elektronenenergie: WS2011/12 2.19 Anwendung der Elektronenstoß-Ionisation zur Erzeugung von Ionen Slow electrons Fast ions Stripper foil MI ++++++ Fast electrons ECR plasma MI +++ Slow ions +++ +++ Fast electrons +++ +++ EBIS beam Slow ions MI • Plasma-Einschluss durch Magnetfelder verschiedener Struktur (cusp, magnetic mirror, …) (siehe nächste Vorlesung) • Die Effizienz der Elektronen im Plasma und der Ladungszustand können erhöht werden, indem die Elektronen mehrfach genutzt werden: - Reflexion der Elektronen, z.B. Reflexions-Entladung oder Penningentladung - Magnetischer Einschluss (confinement), z.B. über magnetische Spiegel WS2011/12 2.20 Weitere Anwendungen Elektronenstoß-Ionisation Beispiel: Elektronen-Target Untersuchung von Elektronen-Ionen-Stössen: • Untersuchung von Elektronenstoß-Ionisation • Untersuchung von Rekombinationsprozessen • Untersuchung von Anregungsprozessen durch Elektronenstoß Gemessen werden Ratenkoeffizienten R R a ne r ni r d 3r An+ und damit Wirkungsquerschnitte: a v r v r v r f v r d v r An+ 3 Wichtig ist der Überlapp von Ionen- und Elektronenstrahl. : Wirkungsquerschnitt ne: Elektronendichte ni: Ionendichte vr: Stoßgeschwindigkeit / relative Geschwindigkeit f(vr): Verteilungsfunktion der relativenGeschwindigkeit WS2011/12 vi vr ve 2.21 Transversales Elektronentarget Longitudinales Elektronentarget • „Merged beams“, die longitudinal einander überlagert werden. • wird auch als Kühler für Ionen genutzt • 2-2,5m lange Interaktionszone • “crossed beams technique” • bessere Energieauflösung als Gastarget • 10-15 cm lange Interaktionszone • spektroskopischer Zugang möglich • elektrostatische Fokussierung ABER: • ungünstiger Zugang für Spektroskopie ABER: • geringere Wechselwirkungsrate als longitudinales Elektronentarget oder Gastarget 0.061A/cm, R=8.19 mesh units, J=0.2 A/cm2 WS2011/12 2.22 2.4. Photoionisation Die Reaktion lautet: A h A e Atome in einem Gas oder Dampf können durch einen intensiven Strahl Photonen geeigneter Energie ionisiert werden (Photoionisation). Dazu muss h e q,i sein. Die Energie eines Photoelektrons beträgt: Wirkungsquerschnitt p: 1 2 mvmax h e q , i 2 Z 4 5 • p weist eine starke Abhängigkeit von der Photonen-Energie und der Kernladung Z auf: p ( w ) 7 / 2 max : w IK , IL , IM • Bei hohen Photonenergien ω I K ist die Ionisation von s-Orbitalen am wahrscheinlichsten und K-Schalenionisation liefert den bei weitem dominanten Beitrag: 1 1 p n 3 K → p p 3 1.2021 p K K n n 1 n cross section (barn) • Für eine Elektronenschale ist p am größten nahe der Schwelle, d.h. dort wo die Photonenenergie der Ionisationsenergie I entspricht (Resonanz bzw. 1E7 Schwellenverhalten): pn : Querschnitt für RR in K-Schale n: Hauptquantenzahl 1000000 100000 10000 1000 100 10 0,1 1 10 100 photon energy (keV) • Beschreibung des p als zeit-inverser Effekt zur Radiativen Rekombination durch die 2 w Milne-Formel: gq 1 RR gq P 2mec 2E WS2011/12 mit g: statistische Gewichte 2.23 Anwendung der Photoionisation zur Erzeugung von Ionen 1 eV l = 1.24 mm (IR-Strahlung), 5 eV l = 248 nm (nahes UV) Bei direkter Ionisation wären Photonen aus dem Spektralbereich UV – Röntgen erforderlich. RILIS (Resonant ionisation laser ion source) Ionisation durch resonante Anregung mit drei Laserstrahlen der Frequenzen f1 – f3, wie man in nachfolgender Graphik erkennen kann. WS2011/12 2.24 In Realität gibt es deutlich mehr Effekte zu berücksichtigen: • Anregung in auto-ionisierende Level (AIS) mit typischen Lebensdauerns von 10-15 – 10-10 s • Anregung in Rydberg-Zustände mit n = n* Lebensdauer 0 (n* )3 Bindungsenergie M Z2 E R M me (n* )2 R = Rydbergkonstante Radius von Rydbergatomen r a0(n*)2 Größenordnungen der Wirkungsquerschnitte: • Nicht resonant (direkte Ionisation): = 10-19 – 10-17 cm2 • AIS: = 1.6 x 10-14 cm2 • Rydbergzustände : ~ 10-14 cm2 WS2011/12 Excitation schemes used for resonant laser ionization 2.25 Ein prominentes Beispiel für eine solche RILIS zeigt das von ISOLDE/CERN (siehe Graphik). Vorteile der RILIS: • hohe Selektivität • Trennung von oberflächenionisierten Kontaminanten durch Einstellen der Temperatur der Kavität • hohe Effizienz WS2011/12 2.26 2.5. Zusammenfassung: Ionenproduktion Prozesse, die Ladungszustand erhöhen Prozesse, die Ladungszustand reduzieren • Ionisation - Einfach-Ionisation - Doppel-Ionisation • Rekombination - Radiative Rekombination Die Produktion höherer Ladungszustände ist ein sukzessiver Prozess Der Wirkungsquerschnitt ist größer für niedrigere Elektronentemperaturen - Dielektronische Rekombination (resonanter Prozess) Die Ionisation hat eine Energieschwelle (energy threshold) → höhere Ladungszustände brauchen höhere Projektilenergien (Elektronenenergien) • Ladungsaustausch (Charge exchange) (für niedrige Ladungszustände) WS2011/12 • Ladungsaustausch (Charge exchange) (für hohe Ladungszustände) Abhängig von der Neutralteilchen-Dichte (Restgas) Wirkungsquerschnitte sind größer für höhere Ladungszustände 2.27 10. Spouses never need to worry about what their ion source physicist husband or wife is up to when they still aren’t home by midnight...they know with great confidence that they’re just at the lab changing a source! 9. Between – – – – – – – the International Conference on Ion Sources, the Workshop on Ion Source Issues Relevant to a Pulsed Spallation Neutron Source, the ECR Ion Source Workshop, The International Conference on Negative Ions, Beams and Sources, the International Symposium on the Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, the Workshop on Negative Ion Formation and Beam Handling, the International Conference on Sources of Highly Charged Ions, the ion source community has the greatest number of conferences and workshops of any scientific discipline measured per linear inch of subject matter 8. Endless hours can be devoted to the important philosophical meaning of “pi” as in “the output emittance is 0.2 pi-mm-mrad” 7. Believe it or not, sometimes the SNS ion source antenna picks up free Satellite Television! 6. High-voltage, hydrogen gas, antennas and power supplies: it’s every little kids dream! 5. In what other field can you acquire a Ph.D., and then spend your professional life practicing the occult? 4. When the phone rings during dinner time, you always know who it is: no its not a tele-marketer, it just the lab...the ion source went down! 3. In what other field could you advertise a workshop on “RF-driven, multicusp, Cesium-enhanced H-sources for the SNS”, and have 50 people actually show up? 2. Job security...when was the last time you heard a manager say, “the ion source is running so well, we’re going to let the entire group go.” 1. It’s a subject in which anyone can make a contribution, and everyone has an opinion! WS2011/12 Courtesy of Stuart Henderson/ORNL 2.28 5. Messung von Stoßkinematik WS2011/12 2.29