Bei EBIT (Electron Beam Ion Trap) und EBIS (Electron Beam Ion Source) handelt es sich um spezielle Arten von Ionenquellen. 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.
Wirkungsprinzip
In einer EBIT werden Ionen durch Elektronenstoßionisation erzeugt. Dabei wird ein gebündelter Elektronenstrahl (ähnlich dem Elektronenstrahl aus dem klassischen Fernseher, nur unweit stärker) auf neutrale Atome geschossen. Durch Stöße der Elektronen aus dem Strahl mit Hüllenelektronen werden letztere beschleunigt und aus der Hülle des Atoms „herausgeschleudert“. Dadurch entsteht ein nunmehr positiv geladenes Ion. Da der Elektronenstrahl stark gebündelt ist, werden nach und nach weitere Elektronen aus der Hülle entfernt. Dadurch entstehen höher und hoch geladene Ionen (HCI – High Charged Ions).
Aufbau
Die EBIT besteht aus nur wenigen, teilweise recht komplexen Komponenten. Zum ersten benötigt eine EBIT eine Elektronenkanone, welche den Elektronenstrahl erzeugt. Dieser wird durch die Driftröhren geleitet.
Die Driftröhen sind meist polierte Edelstahlröhrchen (Durchmesser zwischen 2 und 50 cm), welche auf Hochspannung gelegt sind. In der einfachsten Variante besteht eine EBIT aus drei Driftröhren. Diese drei Driftröhren liegen auf einer Spannung von einigen tausend Volt über [Erdung|Erde]. Hierbei ist die mittlere Driftröhre auf einer um einige Volt (10–200 V) niedrigeren Spannung. Für die Elektronen stellt diese Spannungssenke keine Hürde dar. Für höhergeladene Ionen allerdings ergibt sich eine Potentialbarriere von x*10–200 V, wobei x angibt, wie vielfach das Ion geladen ist. Auf Grund dieser Barriere können die Ionen im Bereich der mittleren Driftröhre (Falle – Trap) gehalten werden und weiter ionisiert werden. Durch eine Absenkung der Spannung an der hintersten Driftröhre lassen sich die Ionen extrahieren.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der EBIT ist der Kollektor. Der Kollektor „sammelt“ die Elektronen aus dem Elektronenstrahl auf. Dafür ist der Kollektor auf Erdpotential gelegt. Durch den hohen Elektronstrom auf dem Kollektor entseht zumeist ein thermisches Problem, so dass der Kollektor gekühlt werden muss.
Um dafür zu sorgen, dass nur die negativ geladenen Elektronen auf den Kollektor treffen und nicht auch die positiv geladenen Ionen, bedarf es eines weiteren Elements der EBIT, dem Extraktor. Dieser ist auf einige tausend Volt negative Spannung gelegt und „saugt“ somit die positiv geladenen Ionen heraus.
Da der Elektronenstrahl auf Grund der elektronmagnetischen Abstoßung gleich geladener Teilchen (hier Elektronen) auseinanderbersten würde, bedarf es eines radialen Magnetfelds, welches den Elektronenstrahl bündelt. Dieses Magnetfeld kann entweder durch supraleitende Magnetspulen oder auch durch eine Anordnung von Permanentmagneten erzeugt werden.
Da der Elektronenstrahl bei Normaldruck stark mit den Gasmolekülen wechselwirken würde und somit nicht genügend Energie für die Ionisation hätte, muss die gesamte Anlage in einem Vakuumbehälter eingebaut sein.
Vorteile
Die EBIT ist kompakt und preisgünstig. Bei einer Anordnung mittels Permanentmagneten entfallen außerdem noch aufwendige Kühlverfahren (flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium), was die Anlage leicht handhabbar macht.
Anwendung
Die in einer EBIT erzeugten Ionen können für Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy (TOF SIMS) eingesetzt werden, also für die Materialanalyse. Durch die Erzeugung von preisgünstigen hochgeladenen Kohlenstoffionen lässt sich die EBIT auch für zukünftige medizinische Anwendungen einsetzen (Bestrahlung von Krebstumoren). HCI lassen sich auch in der Nanotechnologie für Strukturen im Nanometerbereich einsetzen.
Literatur / Links
- Levine, M. A., et al., The Electron Beam Ion Trap: A New Instrument for Atomic Physics Measurements, Physica Scripta, T22, p. 157 (1988)
- kurze Einführung (engl.)
- eine Linkliste der weltweiten EBIT-Installationen findet sich in Englisch auf der EBIT-Seite des NIST