Kapillaritron: Unterschied zwischen den Versionen
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Das Kapillaritron, dessen Grundkonzept 1981 veröffentlicht wurde, besteht aus einer feinen, gasdurchströmten [[Kapillare]] aus Metall als [[Anode]] und einer dazu [[konzentrisch]]en Extraktions[[kathode]] mit einer Austrittsöffnung. Ein Gasstrom durch die Kapillare wird bei angelegter [[Hochspannung]] (üblicherweise einige [[Volt|Kilovolt]]) durch freie [[Elektron]]en und [[Sekundärelektron]]en ionisiert, die in Richtung Anode beschleunigt werden (siehe auch [[Stoßionisation]]). Die positiv geladenen [[Ion]]en werden im [[elektrisches Feld|elektrischen Feld]] beschleunigt und bilden hinter der Öffnung der Extraktionskathode einen [[Ionenstrahl]]. Durch [[Rekombination (Physik)|Rekombination]] und Ladungsaustauschprozesse im [[Plasma (Physik)|Plasma]] besteht der Strahl zum Teil auch aus ungeladenen [[Atom]]en. | Das Kapillaritron, dessen Grundkonzept 1981 veröffentlicht wurde, besteht aus einer feinen, gasdurchströmten [[Kapillare]] aus Metall als [[Anode]] und einer dazu [[konzentrisch]]en Extraktions[[kathode]] mit einer Austrittsöffnung. Ein Gasstrom durch die Kapillare wird bei angelegter [[Hochspannung]] (üblicherweise einige [[Volt|Kilovolt]]) durch freie [[Elektron]]en und [[Sekundärelektron]]en ionisiert, die in Richtung Anode beschleunigt werden (siehe auch [[Stoßionisation]]). Die positiv geladenen [[Ion]]en werden im [[elektrisches Feld|elektrischen Feld]] beschleunigt und bilden hinter der Öffnung der Extraktionskathode einen [[Ionenstrahl]]. Durch [[Rekombination (Physik)|Rekombination]] und Ladungsaustauschprozesse im [[Plasma (Physik)|Plasma]] besteht der Strahl zum Teil auch aus ungeladenen [[Atom]]en. | ||
Die Kapillare besteht in der Regel aus widerstandsfähigen [[Werkstoff]]en, wie zum Beispiel [[Wolfram]]. Eine Weiterentwicklung von 1992 stellt das Quarzkapillaritron dar. Hier besteht die Kapillare aus [[Quarz]], einem [[Nichtleiter|elektrisch isolierenden Material]], in die ein Metalldraht eingeführt wird, um das Anodenpotential erzeugen zu können.<ref> | Die Kapillare besteht in der Regel aus widerstandsfähigen [[Werkstoff]]en, wie zum Beispiel [[Wolfram]]. Eine Weiterentwicklung von 1992 stellt das Quarzkapillaritron dar. Hier besteht die Kapillare aus [[Quarz]], einem [[Nichtleiter|elektrisch isolierenden Material]], in die ein Metalldraht eingeführt wird, um das Anodenpotential erzeugen zu können.<ref name="DE4242616">{{Patent| Land=DE| V-Nr=4242616| Code=C2| Titel=Verfahren zur Herstellung von Kapillaren sowie deren Verwendung für eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Strahls beschleunigter Ionen und/oder Atome| A-Datum=1992-12-14| V-Datum=1996-06-13| Anmelder=Markus Bautsch, Patrick Varadinek, S. Wege}}</ref> Der Vorteil besteht in der einfacheren, flexibleren und preiswerteren Herstellung von Quarzkapillaren mit vorgegebenem [[Durchmesser|Innendurchmesser]], die anders als Metallkapillaren nicht aufwendig [[Bohrer|gebohrt]], sondern [[Elektrochemisches Abtragen|elektrochemisch freigeätzt]]<ref name="DE4242616" /> oder von einem [[Glasbläser]] gezogen werden können. | ||
Als Betriebsgase werden in der Regel [[Edelgas]]e verwendet, da diese nur eine geringe chemische Reaktion mit den anderen beteiligten Materialien eingehen. Ein Kapillaritron arbeitet aber auch mit [[Wasserstoff]], [[Stickstoff]] oder sogar [[Luft]]. | Als Betriebsgase werden in der Regel [[Edelgas]]e verwendet, da diese nur eine geringe chemische Reaktion mit den anderen beteiligten Materialien eingehen. Ein Kapillaritron arbeitet aber auch mit [[Wasserstoff]], [[Stickstoff]] oder sogar [[Luft]]. | ||
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* John F. Mahoney, Julius Perel, A. Theodore Forrester: ''Capillaritron: A New, Versatile Ion Source.'' In: ''Appl. Phys. Lett.'' 38, 1981, S. 320–322 ({{DOI|10.1063/1.92355}}). | * John F. Mahoney, Julius Perel, A. Theodore Forrester: ''Capillaritron: A New, Versatile Ion Source.'' In: ''Appl. Phys. Lett.'' 38, 1981, S. 320–322 ({{DOI|10.1063/1.92355}}). | ||
* John F. Mahoney, Dan M. Goebel, Julius Perel, A. Theodore Forrester: ''A Unique Fast Atom Source for Mass Spectroscopy Applications.'' In: ''Biomed. Mass. Spectrom.'' 10, 1983, S. 61–64 ({{DOI|10.1002/bms.1200100203}}). | * John F. Mahoney, Dan M. Goebel, Julius Perel, A. Theodore Forrester: ''A Unique Fast Atom Source for Mass Spectroscopy Applications.'' In: ''Biomed. Mass. Spectrom.'' 10, 1983, S. 61–64 ({{DOI|10.1002/bms.1200100203}}). | ||
* Markus Bautsch, Patrik Varadinek, Stephan Wege, Heinz Niedrig: ''A Compact and Inexpensive Quartz Capillaritron Source.'' In: ''J. Vac. Sci. Tech. A.'' 12, Nr. 2, 1994, S. 591–593 ({{DOI|10.1116/1.578839}}). | * Markus Bautsch, Patrik Varadinek, Stephan Wege, [[Heinz Niedrig]]: ''A Compact and Inexpensive Quartz Capillaritron Source.'' In: ''J. Vac. Sci. Tech. A.'' 12, Nr. 2, 1994, S. 591–593 ({{DOI|10.1116/1.578839}}). | ||
* Markus Bautsch: ''Rastertunnelmikroskopische Untersuchungen an mit Argon zerstäubten Metallen.'' Kapitel 4: ''Aufbau und Eigenschaften des Quarzkapillaritrons.'' Verlag Köster, Berlin 1993, ISBN 3-929937-42-5 (Technische Universität Berlin, Dissertation, 1993). | * Markus Bautsch: ''Rastertunnelmikroskopische Untersuchungen an mit Argon zerstäubten Metallen.'' Kapitel 4: ''Aufbau und Eigenschaften des Quarzkapillaritrons.'' Verlag Köster, Berlin 1993, ISBN 3-929937-42-5 (Technische Universität Berlin, Dissertation, 1993). | ||
Aktuelle Version vom 17. Februar 2022, 21:14 Uhr
Ein Kapillaritron ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen- und Atomstrahlen.
Aufbau
Das Kapillaritron, dessen Grundkonzept 1981 veröffentlicht wurde, besteht aus einer feinen, gasdurchströmten Kapillare aus Metall als Anode und einer dazu konzentrischen Extraktionskathode mit einer Austrittsöffnung. Ein Gasstrom durch die Kapillare wird bei angelegter Hochspannung (üblicherweise einige Kilovolt) durch freie Elektronen und Sekundärelektronen ionisiert, die in Richtung Anode beschleunigt werden (siehe auch Stoßionisation). Die positiv geladenen Ionen werden im elektrischen Feld beschleunigt und bilden hinter der Öffnung der Extraktionskathode einen Ionenstrahl. Durch Rekombination und Ladungsaustauschprozesse im Plasma besteht der Strahl zum Teil auch aus ungeladenen Atomen.
Die Kapillare besteht in der Regel aus widerstandsfähigen Werkstoffen, wie zum Beispiel Wolfram. Eine Weiterentwicklung von 1992 stellt das Quarzkapillaritron dar. Hier besteht die Kapillare aus Quarz, einem elektrisch isolierenden Material, in die ein Metalldraht eingeführt wird, um das Anodenpotential erzeugen zu können.[1] Der Vorteil besteht in der einfacheren, flexibleren und preiswerteren Herstellung von Quarzkapillaren mit vorgegebenem Innendurchmesser, die anders als Metallkapillaren nicht aufwendig gebohrt, sondern elektrochemisch freigeätzt[1] oder von einem Glasbläser gezogen werden können.
Als Betriebsgase werden in der Regel Edelgase verwendet, da diese nur eine geringe chemische Reaktion mit den anderen beteiligten Materialien eingehen. Ein Kapillaritron arbeitet aber auch mit Wasserstoff, Stickstoff oder sogar Luft.
Bei den Ionenstrahlen werden Stromdichten von bis zu 100 A/cm² und Strahlströme von mehreren Milliampere erreicht.
Einsatzgebiete
Mit den Ionen- und Atomstrahlen können Oberflächen großflächig gesputtert werden. Mit Atomstrahlen können dabei auch isolierende Oberflächen bearbeitet werden. Bei der Verwendung von Ionenstrahlen würden sich solche Oberflächen elektrostatisch stärker aufladen, was die Ionen vor dem Auftreffen auf die Oberfläche abbremst.
Durch Fokussierung mit Ionenoptiken können im Hochvakuum Strahlen mit sehr hohen Leistungsdichten erzeugt werden, mit denen Oberflächen auch punktuell bearbeitet werden können.
Literatur
- John F. Mahoney, Julius Perel, A. Theodore Forrester: Capillaritron: A New, Versatile Ion Source. In: Appl. Phys. Lett. 38, 1981, S. 320–322 (doi:10.1063/1.92355).
- John F. Mahoney, Dan M. Goebel, Julius Perel, A. Theodore Forrester: A Unique Fast Atom Source for Mass Spectroscopy Applications. In: Biomed. Mass. Spectrom. 10, 1983, S. 61–64 (doi:10.1002/bms.1200100203).
- Markus Bautsch, Patrik Varadinek, Stephan Wege, Heinz Niedrig: A Compact and Inexpensive Quartz Capillaritron Source. In: J. Vac. Sci. Tech. A. 12, Nr. 2, 1994, S. 591–593 (doi:10.1116/1.578839).
- Markus Bautsch: Rastertunnelmikroskopische Untersuchungen an mit Argon zerstäubten Metallen. Kapitel 4: Aufbau und Eigenschaften des Quarzkapillaritrons. Verlag Köster, Berlin 1993, ISBN 3-929937-42-5 (Technische Universität Berlin, Dissertation, 1993).
Einzelnachweise
- ↑ 1,0 1,1 Patent DE4242616C2: Verfahren zur Herstellung von Kapillaren sowie deren Verwendung für eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Strahls beschleunigter Ionen und/oder Atome. Angemeldet am 14. Dezember 1992, veröffentlicht am 13. Juni 1996, Anmelder: Markus Bautsch, Patrick Varadinek, S. Wege.