DE102017218456B3

DE102017218456B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Ionenpulsen sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102017218456B3
Application number: DE102017218456.6A
Authority: DE
Inventors: Richard Wilhelm; Nico Klingner; Stefan Facsko
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2037-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Ionenpulsen, insbesondere von ultrakurzen Ionenpulsen, wobei die Vorrichtung eine Vakuumkammer, eine in der Vakuumkammer angeordnete Kathode, einen Laser zum Erzeugen von Laserpulsen, die auf die Kathode auftreffen und aus dieser Elektronen herauslösen, eine erste Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen der Elektronen unter Erzeugung von Ionenpulsen in ein Ionisationsvolumen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen einer zu ionisierenden Substanzin das Ionisationsvolumen und eine zweite Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen der Ionen unter Ausbildung von Ionenpulsen aus dem Ionisationsvolumen heraus aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Ionenpulsen, insbesondere zur Erzeugung ultrakurzer Ionenpulse mit Pulslängen von z. B. maximal 1 ps und / oder Energien pro Ion von z. B. 1 bis 100 keV.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden zur Erzeugung von gepulsten Ionenstrahlen bekannt.
Bekannt sind spezielle Ionenquellen, wie Ionenfallen vom Typ EBIT (Electron Beam Ion Trap), die auch gepulste Ionenstrahlen erzeugen können. Die Anlage besteht aus einer Kathode mit hoher Elektronenemissivität, mehreren zylindrischen Driftröhren, einem Elektronenkollektor, einer Ionenextraktionseinheit, einem fokussierenden Magnetsystem, einem System zur Vakuumerzeugung und einem Einlass für die zu ionisierenden Medien. Der Elektronenstrahl wird durch das Magnetsystem zur Erhöhung der Strahldichte fokussiert. Innerhalb der zylindrischen Driftröhren wird der fokussierte Elektronenstrahl beschleunigt und erzeugt auf seinem Weg Ionen durch Stoßionisation. Nach dem Passieren der Driftröhren wird der Elektronenstrahl auf einen Elektronenkollektor geleitet und die erzeugten Ionen können mittels einer Extraktionseinheit aus der Anlage gepulst extrahiert und zur Untersuchung von Phänomenen der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung genutzt werden. Derart erzeugte Ionenpulse weisen Pulslängen von 50 ns bis 100 µs auf.
Kanesue et al. beschreiben eine Relativistic Heavy Ion Collider electron beam ion source (RHIC-EBIS) für die Bereitstellung eines Schwerionenstrahls mit hohem Strahlstrom. Als primäre, externe Ionenquelle wird eine Laserionenquelle (LIS) genutzt, um einfach positiv geladene Ionen für die weitere Ionisierung bereitzustellen.
Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung von gepulsten Ionenstrahlen ist die direkte Ionisierung eines Gases wie in Bünermann et al. beschrieben. Hier wird ein fokussierter infraroter (785 nm) Laserpuls mit einer Pulslänge von 25 fs auf eine mit Krypton gefüllte Gaszelle mit einem Druck von 2,5 Torr fokussiert. Dabei werden extrem ultraviolette (EUV) Laserpulse erzeugt. Die EUV-Laserpulse werden auf Helium-Tröpfchen (mit ca. 2×10⁶ Atomen/Cluster) fokussiert und die Verteilung der erzeugten Cluster Ionen mit einem Ionenspektrometer aufgenommen.
Makarov et al. beschreiben den Prozess der Ionen-Beschleunigung nach Wechselwirkung eines Femtosekunden-Lasers mit Gas-Clustern. Ein hochenergetischer Ti:Saphir-Laser mit einer Pulslänge von 36 fs wird auf in Helium-Gas eingeschlossene CO₂-Cluster (mit ca. 5×10⁸ Molekülen/Cluster) fokussiert und die Verteilung der Ionenemission der Ionenquelle gemessen.
Daido et al. beschreiben die lasergetriebene Ionenbeschleunigung bei Wechselwirkung eines Laserpulses mit einem Target und deren Anwendungsgebiete, beispielsweise in der Krebstherapie.
Shornikov et al. beschreiben den Einsatz von Elektronenstahlionenquellen (Electron Beam Ion Source - EBIS), Laserionenquellen (LIS) und Elektronzyklotronresonanz- Ionenquellen (ECRIS) in Ionenstrahltherapie - Beschleunigern (IBT) der 2. Generation. Derartige Beschleuniger benötigen intensive Ionenpulse mit einer Wiederholrate von mehreren 10 bis 100 Hz und einer Pulsdauer im ms - Bereich, um eine therapeutische Dosis bereitzustellen und die Verluste im Strahlengang zu kompensieren.
Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung gepulster Ionenstrahlen ist die Ablenkung eines kontinuierlichen Ionenstrahls über eine Blende. Dazu sind schnelle Hochspannungs-Pulser bekannt, womit Pulslängen von 40 ns erzielt werden können.
Klingner et al. beschreiben eine schnelle Pulselektronik, die zum Pulsen eines primären Ionenstrahls in einem Helium-Ionen-Mikroskop genutzt wird. Die Pulselektronik generiert schnelle Spannungspulse an beiden Ablenkplatten, die den Ionenstrahl ablenken. Bei pulsartigem Abschalten der Spannung für einige Nanosekunden wird der lonenstrahl zur Probe hin freigegeben. Die damit erzielbaren Pulslängen liegen bei etwa 30 ns.
Ben-Zvi et al. beschreiben die Erzeugung von lonenpulsen aus einem kontinuierlichen lonenstrahl schneller Ionen mit lonenenergien im Bereich von MeVdurch einen nachgeschalteten Hochspannungs-Pulser. Die erzeugten Ionenpulse werden nachfolgend durch einen supraleitenden Buncher gebündelt, um Pulsdauern von 100 ps zu erzielen.
Es besteht das Bedürfnis eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, womit Ionenpulse mit deutlich kürzeren Pulsdauern, als aus dem Stand der Technik bekannt, erzeugbar sind.
Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Ionenpulsen, insbesondere zur Erzeugung ultrakurzer Ionenpulse mit einer Pulsdauer bzw. Pulslänge von z. B. maximal 1 ps und / oder einer Energie pro Ion von z. B. 1 bis 100 keV, bereitzustellen. Derart ultrakurze Ionenpulse ermöglichen die Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen mit deutlich verbesserter Zeitauflösung. Die verbesserte Zeitauflösung bietet beispielsweise in Flugzeitspektrometern zur Sekundärionenmassenspektrometrie eine Verbesserung der Massenauflösung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenpulsen, auch bezeichnet als Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung, aufweisend:

- eine Vakuumkammer,
- eine in der Vakuumkammer angeordnete Kathode,
- einen Laser zum Erzeugen von Laserpulsen, wobei der Laser derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die von ihm erzeugten Laserpulse auf die Kathode auftreffen und Elektronen aus der Kathode herauslösen,
- eine in der Vakuumkammer angeordnete erste Beschleunigungseinrichtung zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes, mittels dessen die herausgelösten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen in ein Ionisationsvolumen innerhalb der Vakuumkammer beschleunigt werden, wobei mittels eines Laserpulses ein Elektronenpuls erzeugt wird,
- eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von mindestens einer zu ionisierenden Substanz in das Ionisationsvolumen, so dass bei Eintreffen eines Elektronenpulses in dem Ionisationsvolumen mittels des Elektronenpulses zumindest ein Teil der mindestens einen zu ionisierenden Substanz unter Erzeugung von Ionen ionisierbar ist, und
- eine in der Vakuumkammer angeordnete zweite Beschleunigungseinrichtung zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Feldes, mittels dessen die erzeugten Ionen unter Ausbildung von Ionenpulsen aus dem Ionisationsvolumen heraus beschleunigt werden, wobei mittels eines Elektronenpulses ein Ionenpuls erzeugt wird.

Demgemäß ist der Laser also derart angeordnet und ausgebildet, dass die von ihm erzeugten Laserpulse unter Emission von Elektronen aus der Kathode auf dieselbe auftreffen. Ein von dem Laser erzeugter Laserpuls wird auch als primärer Laserpuls bezeichnet.
Die erste Beschleunigungseinrichtung weist bevorzugt eine Elektrodenanordnung zum Erzeugen des ersten elektrischen Feldes auf. Des Weiteren weist die erste Beschleunigungseinrichtung bevorzugt eine elektronenoptische Einheit zum Fokussieren der Elektronenpulse auf. Demgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine in der Vakuumkammer angeordnete erste Beschleunigungseinrichtung mit einer Elektrodenanordnung zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes, mittels dessen die herausgelösten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen in ein Ionisationsvolumen innerhalb der Vakuumkammer beschleunigt werden, wobei mittels eines Laserpulses ein Elektronenpuls erzeugt wird, und eine elektronenoptische Einheit zum Fokussieren der Elektronenpulse aufweist.
Die Elektrodenanordnung weist mindestens eine Elektrode auf und dient zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes, mittels dessen die aus der Kathode herausgelösten bzw. emittierten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen beschleunigt werden. Ein derartiger Elektronenpuls wird auch als sekundärer Elektronenpuls bezeichnet. Die elektronenoptische Einheit wird auch als Fokussiereinrichtung bezeichnet und ist derart angeordnet und ausgebildet, dass von ihr die Elektronenpulse auf eine Position in dem lonisationsvolumen fokussiert werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Vakuumkammer Flansche zur Verbindung der Vakuumkammer mit einer Einheit zur Erzeugung eines Vakuums, der Zuführeinrichtung zum Zuführen einer zu ionisierenden Substanz und einer optischen Schnittstelle zur Einkopplung des erzeugten Laserpulses bzw. der erzeugten Laserpulse in die Vakuumkammer.
In einer Ausführungsform sind die Kathode, die erste Beschleunigungseinrichtung und die zweite Beschleunigungseinrichtung auf einer ersten Achse der Vorrichtung angeordnet. Unterder ersten Achse der Vorrichtung wird die Achse verstanden, entlang derer das erste und / oder das zweite elektrische Feld erzeugt werden und entlang derer sich die erzeugten Elektronenpulse und/ oder Ionenpulse bewegen.
In einer Ausführungsform sind auf der ersten Achse der Vorrichtung in folgender Reihenfolge angeordnet: die Kathode, die erste Beschleunigungseinrichtung und die zweite Beschleunigungseinrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Pulsdauer bzw. Pulslänge der erzeugten Ionenpulse maximal 1 ps und/oder die Energie pro Ion liegt im Bereich von 1 bis 100 keV. Vorteilhaft ermöglichen derartige Ionenpulse eine verbesserte Zeitauflösung bei der Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen.
Die Kathode dient als Quelle des Elektronenpulses und weist bevorzugt eine hohe Emissivität von mindestens 10⁵ A cm^-2 sr^-1 und / oder eine niedrige Austrittarbeit von weniger als 3 eV auf. In einer Ausführungsform ist die Kathode eine LaB₆-Kathode. Bevorzugt weist die LaB₆-Kathode eine Emissivität von 10⁶ A cm^-2 sr^-1 bis 10⁸ A cm^-2 sr^-1 auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kathode eine Gold-Kathode, z.B. eine vorstrukturierte Gold-Kathode. Die Gold-Kathode bietet vorteilhaft eine erhöhte Emissivität und eine erhöhte Elektronenausbeute.
Die Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung ist bevorzugt zum Beaufschlagen der Kathode mit einem elektrischen Potential ausgebildet, welches negativ bezogen auf Erdpotential ist. Demgemäß kann die Kathode beim Betreiben der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung mit einer negativen elektrischen Spannung bzw. einem elektrischen Potential beaufschlagt werden, welches negativ bezogen auf Erdpotential ist.
Erfindungsgemäß dient der Laser zur Erzeugung eines Laserpulses.
In einer Ausführungsform ist der Laser derart ausgebildet, um Laserpulse mit einer Energie von 1 nJ bis 100 mJ pro Puls und / oder einer Pulslänge im Bereich von 100 as bis 100 ps und / oder einer Wiederholrate im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz zu erzeugen.
In einer Ausführungsform ist der Laser derart ausgebildet, dass von ihm Laserpulse z.B. mit einer Energie pro Puls im Bereich von 1 nJ bis 100 mJ, bevorzugt einer Energie pro Puls im Bereich von 1 nJ bis 100 nJ erzeugbar sind.
In einer Ausführungsform ist der Laser derart ausgebildet, dass von ihm Laserpulse mit einer Pulsdauer bzw. Pulslänge im Bereich von 100 as bis 100 ps, bevorzugt im Bereich von 1 fs bis 10 ps, besonders bevorzugt im Bereich von 10 fs bis 1 ps erzeugbar sind.
In einer Ausführungsform ist der Laser derart ausgebildet, dass von ihm Laserpulse mit einer Wiederholrate im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz, bevorzugt im Bereich von 10 kHz bis 1 GHz, besonders bevorzugt im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz, erzeugbar sind.
Die beschriebenen Merkmale des Lasers, wie Pulsdauer, Energie pro Puls und Wiederholrate sind zweckmäßig und im Rahmen der Ausführbarkeit kombinierbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Laser ein Ti:Saphir-Laser oder ein diodengepumpter Faserlaser. Vorteilhaft sind Ti:Saphir-Laser kommerziell erhältlich und stellen Laserpulse mit den entsprechenden Merkmalen bereit.
In einer Ausführungsform ist der Laser auf einer zweiten Achse der Vorrichtung angeordnet.
In einer Ausführungsform schneidet die zweite Achse die erste Achse der Vorrichtung auf Höhe der Kathode, so dass vom Laser erzeugte Laserpulse auf die Kathode treffen.
In einer Ausführungsform verläuft die zweite Achse der Vorrichtung senkrecht zur ersten Achse der Vorrichtung.
Der Laser ist bevorzugt außerhalb der Vakuumkammer angeordnet. In einer Ausführungsform ist die optische Schnittstelle zur Einkopplung des Laserpulses ein Laserstrahleinkoppelfenster. Das Laserstrahleinkoppelfenster ist für die verwendete Wellenlänge des Lasers transparent ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist die erste Beschleunigungseinrichtung derart ausgebildet, dass das erste elektrische Feld zwischen der Kathode und dem Ionisationsvolumen erzeugt wird.
Unter Ionisationsvolumen im Sinne der Erfindung wird der Raum verstanden, innerhalb dessen die Ionisierung der zu ionisierenden Substanzen durch den Elektronenpuls stattfindet.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Beschleunigungseinrichtung eine elektronenoptische Einheit zur Fokussierung des Elektronenpulses und eine Elektrodenanordnung mit mindestens einer Elektrode.
Die elektronenoptische Einheit dient der Fokussierung des erzeugten Elektronenpulses, wodurch vorteilhaft die Elektronendichte erhöht wird. Zur Fokussierung von Elektronenpulsen können fokussierende magnetische und/oder elektrostatische Felder genutzt werden. Die elektronenoptische Einheit kann z.B. als mindestens ein Permanentmagnet, Elektromagnet oder cryogener Magnet oder als mindestens eine elektrostatische Linse ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform umfasst die elektronenoptische Einheit mindestens einen Permanentmagnet, Elektromagnet oder cryogenen Magnet. Bevorzugt sind die Magnete von außen an die Vakuumkammer angebracht. Weiterhin vorteilhaft ist die Beeinflussung der erzeugten lonenpulse durch die Magnetfelder aufgrund der hohen Masse der Ionen vernachlässigbar.
In einer weiteren Ausführungsform erzeugt die elektronenoptische Einheit ein Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte im Bereich von 100 mT bis 1000 mT. Bevorzugt wird der Elektronenpuls durch die elektronenoptische Einheit auf eine Position auf der ersten Achse fokussiert, wobei der Elektronenstrahl bevorzugt auf einen Durchmesser von weniger als 100 µm fokussiert wird.
Die elektronenoptische Einheit ist bevorzugt axialsymmetrisch um die erste Achse der Vorrichtung herum angeordnet, so dass vorteilhaft der erzeugte Elektronenpuls von der elektronenoptischen Einheit umschlossen und fokussiert wird.
In einer Ausführungsform ist die elektronenoptische Einheit entlang der ersten Achse der Vorrichtung angeordnet.
Die erste Beschleunigungseinrichtung weist eine Elektrodenanordnung mit mindestens einer Elektrode auf. Die mindestens eine Elektrode kann z.B. eine ringförmige metallische Elektrode, eine rohrförmige metallische Elektrode, wie beispielsweise eine Drift-Röhre, oder eine Stabelektrode sein. Demgemäß kann z.B. vorgesehen sein, dass die Elektrodenanordnung eine oder mehrere ringförmige metallische Elektroden, eine oder mehrere rohrförmige metallische Elektroden, wie z.B. Drift-Röhren, und/oder einen oder mehrere Quadrupole mit jeweils vier parallelen Stabelektroden aufweist.
In einer Ausführungsform umfasst die Elektrodenanordnung der ersten Beschleunigungseinrichtung mindestens zwei metallische Drift-Röhren, die bevorzugt konzentrisch angeordnet sind. In einer Ausführungsform werden die mindestens zwei metallischen Driftröhren mit einer elektrischen Potentialdifferenz beaufschlagt, so dass sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Driftröhren ausbildet.
In einer Ausführungsform liegt der Abstand zwischen den mindestens zwei metallischen Driftröhren im Bereich von 1 mm bis 30 mm. Bevorzugt bildet der Raum zwischen den mindestens zwei metallischen Driftröhren das Ionisationsvolumen. Innerhalb des Ionisationsvolumens wird zumindest ein Teil der mindestens einen eingebrachten zu ionisierenden Substanz durch Wechselwirkung mit dem Elektronenpuls unter Erzeugung von Ionen ionisiert.
Zwischen der Kathode und der Elektrodenanordnung bzw. der mindestens einen Elektrode bildet sich das erste elektrische Feld aus, mittels dessen die aus der Kathode herausgelösten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen in das Ionisationsvolumen beschleunigt werden.
In einer Ausführungsform ist die lonenpuls-Erzeugungsvorrichtung zum Beaufschlagen der mindestens einen Elektrode mit einem elektrischen Potential ausgebildet, welches höher bzw. positiver ist als das elektrische Potential der Kathode.
Zum Beispiel kann die mindestens eine Elektrode der Elektrodenanordnung beim Betreiben der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung mit einer positiven elektrischen Spannung bzw. einem elektrischen Potential beaufschlagt werden, welches positiv bezogen auf Erdpotential ist.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung zum Beaufschlagen jeder Elektrode der Elektrodenanordnung der ersten Beschleunigungseinrichtung mit einem elektrischen Potential ausgebildet ist, welches höher bzw. positiver ist als das elektrische Potential der Kathode, wobei unterschiedliche Elektroden der Elektrodenanordnung mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden können. Zum Beispiel kann jede Elektrode der Elektrodenanordnung beim Betreiben der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung mit einer positiven elektrischen Spannung bzw. einem elektrischen Potential beaufschlagt werden, welches positiv bezogen auf Erdpotential ist, wobei unterschiedliche Elektroden der Elektrodenanordnung mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden können. Das Erdpotential kann auch durch das Massepotential gegeben sein.
In einer Ausführungsform umfasst die zweite Beschleunigungseinrichtung einen Elektronenkollektor zum Abfangen der Elektronen nach der Erzeugung der Ionen und eine Einheit zur Extraktion der Ionen aus dem Ionisationsvolumen.
Der Elektronenkollektor dient dem Abbremsen und Einfangen der erzeugten Elektronen, nachdem diese im lonisationsvolumen Ionen erzeugt haben.
In einer Ausführungsform ist der Elektronenkollektor als ringförmige metallische Elektrode ausgebildet, um den Durchgang des erzeugten Ionenpulses zu ermöglichen.
Der Elektronenkollektor kann zusätzlich gekühlt werden, um die durch das Auftreffen der Elektronen erzeugte Wärmeleistung abzuführen.
In einer Ausführungsform ist die Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung zum Beaufschlagen des Elektronenkollektors mit einem elektrischen Potential ausgebildet, welches zwischen dem elektrischen Potential der Kathode und dem elektrischen Potential der mindestens einen Elektrode der Elektrodenanordnung der ersten Beschleunigungseinrichtung liegt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung zum Beaufschlagen des Elektronenkollektors mit einem elektrischen Potential ausgebildet ist, welches zwischen dem elektrischen Potential der Kathode und dem elektrischen Potential jeder Elektrode der Elektrodenanordnung der ersten Beschleunigungseinrichtung liegt Demgemäß kann der Elektronenkollektor beim Betreiben der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung z.B. mit dem Erdpotential beaufschlagt werden.
Die Einheit zur Ionenextraktion dient der Extraktion des erzeugten lonenpulses aus der Vorrichtung. Weiterhin dient die Einheit zur Ionenextraktion der Formierung der extrahierten Ionenpulse zu einem parallelen Strahl entlang der ersten Achse der Vorrichtung.
In einer Ausführungsform ist die Einheit zur Ionenextraktion als konisch zulaufender metallischer Hohlzylinder ausgebildet. Das konisch zulaufende Ende des Hohlzylinders ist in Richtung der Kathode auf bzw. koaxial zu der ersten Achse der Vorrichtung angeordnet und greift in den ringförmigen Elektronenkollektor ein.
Vorteilhaft ermöglicht der konisch zulaufende metallische Hohlzylinder, dass die erzeugten Ionenpulse den Hohlzylinder passieren können.
In einer Ausführungsform liegt die Einheit zur Ionenextraktion auf einem elektrischen Potential, welches negativer bezogen auf das elektrische Potential des Elektronenkollektors ist. Dadurch werden vorteilhaft die Ionen aus dem Ionisationsvolumen extrahiert.
In einer Ausführungsform ist die Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung zum Beaufschlagen der Einheit zur Ionenextraktion mit einem elektrischen Potential ausgebildet, welches negativer ist bezogen auf das elektrische Potential der Kathode. Demgemäß kann die Einheit zur lonenextraktion beim Betreiben der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung mit einem niedrigeren bzw. negativeren elektrischen Potential beaufschlagt werden als die Kathode.
Weiterhin vorteilhaft wird durch die zylindersymmetrische Ausführung der Einheit zur lonenextraktion ein radial symmetrisches elektrisches Feld bereitgestellt, so dass die extrahierten Ionenpulse nicht seitlich abgelenkt werden.
In einer Ausführungsform ist die Vakuumkammer über die Flansche mit der Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz verbunden.
Die Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz dient der Zufuhr einer zu ionisierenden Substanz in das Ionisationsvolumen. Die Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz umfasst eine dem Fachmann bekannte Vorrichtung zur Überführung der mindestens einen zu ionisierenden Substanz in den gasförmigen Zustand. Die mindestens eine zu ionisierende Substanz wird im gasförmigen Zustand in das Ionisationsvolumen eingebracht, bevorzugt bis zu einem Druck von größer 10^-6 mbar, bevorzugt von größer 10^-5 mbar.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine zu ionisierende Substanz eine gasförmige Substanz wie beispielsweise ein Edelgas, einen Feststoff mit hohem Dampfdruck wie beispielsweise eine organische oder metallorganische Verbindung oder eine Lösung von Feststoffen wie beispielsweise gelösten DNA-Fragmente oder C60-Clustern.
In einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz außerhalb der Vakuumkammer angeordnet und mit dieser über Flansche verbunden.
In einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz als Dosierventil oder als Düse ausgebildet.
Das Dosierventil ermöglicht vorteilhaft das Zuführen der mindestens einen zu ionisierenden Substanz in die Vakuumkammer bis zu einem festgelegten Druck innerhalb der Vakuumkammer.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz eine Düse. Die Düse weist bevorzugt eine Öffnung im Bereich von 100 nm bis 10 µm auf.
Vorteilhaft ermöglicht die Düse die Expansion der mindestens einen gasförmigen zu ionisierenden Substanz in der Vakuumkammer. Weiterhin vorteilhaft wird durch die Düse der Gasstrahl räumlich stark begrenzt und im Ionisationsvolumen eine hohe Anzahl ionisierbarer Atome eingebracht. Erzeugte Ionenpulse werden daher auf ihrem Weg nur gering gestreut.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Düse auf derdritten Achse der Vorrichtung derart angeordnet, dass sich die Düse und die Einheit zur Erzeugung eines Vakuums gegenüberliegen. Bevorzugt wird dadurch die mindestens eine zu ionisierende Substanz direkt in das Ionisationsvolumen eingebracht. Weiterhin vorteilhaft wird überschüssige zu ionisierende Substanz durch die Einheit zur Erzeugung eines Vakuums aus der Vakuumkammer entfernt.
In einer Ausführungsform ist die Vakuumkammer über die Flansche mit einer Einheit zur Erzeugung eines Vakuums verbunden. Die Einheit zur Erzeugung eines Vakuums dient der Erzeugung eines Vakuums innerhalb der Vakuumkammer.
Die Einheit zur Erzeugung eines Vakuums ist derart ausgebildet, dass bevorzugt ein Vakuum im Bereich von kleiner 10^-6 mbar, bevorzugt kleiner 10^-8 mbar, im Ruhezustand innerhalb der Vakuumkammer erreicht wird.
Im Sinne der Erfindung wird unter Ruhezustand verstanden, dass die Vorrichtung betriebsbereit ist, aber noch keine zu ionisierende Substanz in die Vakuumkammer bzw. das Ionisationsvolumen eingebracht wird.
Bevorzugt umfasst die Einheit zur Erzeugung eines Vakuums eine Turbomolekularpumpe in Kombination mit einer Vorpumpe oder eine lonengetterpumpe in Kombination mit einer Vorpumpe.
Die Einheit zur Erzeugung eines Vakuums ist außerhalb der Vakuumkammer angeordnet und mit der Vakuumkammer über Flansche verbunden.
Bevorzugt ist die Einheit zur Erzeugung eines Vakuums auf einer dritten Achse der Vorrichtung angeordnet. In einer Ausführungsform ist die dritte Achse der Vorrichtung senkrecht zur ersten Achse der Vorrichtung.
In einer Ausführungsform schneidet die dritte Achse die erste Achse der Vorrichtung auf Höhe des Ionisationsvolumens.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann z.B. zur Untersuchung von lonen-Festkörper-Wechselwirkungen verwendet werden. Die aus der Vorrichtung extrahierten Ionenpulse treffen dabei auf einen Festkörper auf und treten mit den Atomen des Festkörpers in Wechselwirkung, was unterschiedliche Auswirkungen haben kann. Wesentliche Wechselwirkungen sind der Energieverlust der Ionen beim Durchgang durch einen Festkörper, die Streuung an Atomen, die Änderung des Ladungszustandes der Ionen, die Ionisation von Atomen und die Verlagerung von Atomen innerhalb des Festkörpers. Die Wechselwirkungen zwischen Ionen und Festkörpern werden sowohl in der Beschichtungstechnik als auch in der Analytik genutzt. Analysemethoden unter Nutzung von Ionenstrahlen oder -pulsen werden zum Element- und Strukturnachweis genutzt.
In einer Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Flugzeitspektrometer zur Sekundärionenmassenspektrometrie oder zur Untersuchung von dynamischen Strukturänderungen von Festkörpern unter Laser-, Elektronen- oder lonenbeschuss verwendet.
In einer Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenpulsen, insbesondere von ultrakurzen Ionenpulsen, zur Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen in einem pump-probe-Regime verwendet. Vorteilhaft können dadurch zeitaufgelöst Prozesse verfolgt werden, die im Zustand höchster Anregung auftreten.
Weiterhin zur Erfindung gehört eine Untersuchungsvorrichtung zum Untersuchen eines Untersuchungsobjekts, aufweisend:

- eine Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung nach einer der vorstehend erläuterten Ausführungsformen,
- einen Objektbereich zum Lagern des Untersuchungsobjekts,
- eine Strahlteilungseinrichtung, die im Lichtweg der Laserpulse angeordnet und derart ausgebildet ist, dass von ihr jeder Laserpuls in einen ersten Teilpuls und einen zweiten Teilpuls getrennt wird, und
- eine Strahlführungseinrichtung, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihr der erste Teilpuls auf die Kathode der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung gerichtet wird, so dass mittels des ersten Teilpulses Elektronen aus der Kathode herauslösbar sind, und dass von ihr der zweite Teilpuls auf den Objektbereich gerichtetwird.

Mittels des ersten Teilpulses können Elektronen aus der Kathode der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung der Untersuchungsvorrichtung herausgelöst werden und somit wie vorstehend erläutert Elektronenpulse erzeugt werden, wobei mittels der Elektronenpulse wie vorstehend erläutert wiederum Ionenpulse erzeugt werden können.
Die Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung der Untersuchungsvorrichtung ist derart ausgebildet und angeordnet, dass die von ihr mittels der aus der Kathode herausgelösten Elektronen erzeugten Ionenpulse auf den Objektbereich gerichtet sind. Beim Betreiben der Untersuchungsvorrichtung trifft somit sowohl der mittels des ersten Teilpulses des Laserpulses erzeugte Ionenpuls als auch der zweite Teilpuls des Laserpulses in dem Objektbereich bzw. auf dem dort gelagerten Untersuchungsobjekt auf.
Die Untersuchungsvorrichtung kann z.B. mittels entsprechender Ausgestaltung der Strahlführungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass der zweite Teilpuls und der durch den ersten Teilpuls erzeugte Ionenpuls gleichzeitig oder mit einem Zeitversatz in dem Objektbereich bzw. auf das Untersuchungsobjekt auftreffen, wobei der Zeitversatz ein positives oder negatives Vorzeichen aufweisen kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Zeitversatz einstellbar ist.
Vorteilhaft ermöglicht eine derartige Untersuchungsvorrichtung die Untersuchung des Untersuchungsobjekts in einem pump-probe-Regime. In einem pump-probe-Regime können zeitaufgelöst Prozesse verfolgt werden, die durch Anregung des Untersuchungsobjekts mit einem pump-Puls ausgelöst und mittels des probe-Pulses analysiert werden.
Ein Untersuchungsobjekt im Sinne der Erfindung meint ein Objekt, welches untersucht werden soll, bevorzugt einen Festkörper.
Unter Objektbereich wird der Bereich verstanden, in dem das Untersuchungsobjekt gelagert bzw. aufgenommen ist. In einer Ausführungsform ist der Objektbereich eine Vakuumkammer oder in einer Vakuumkammer angeordnet, welche über Flansche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden ist.
Eine Strahlteilungseinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine optische Komponente oder Einrichtung, die einen Laserpuls in einen ersten Teilpuls und einen zweiten Teilpuls aufteilt, z.B. mittels Reflexion.
Eine Strahlführungseinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Komponente oder Einrichtung, die die Führung, Richtungsänderung und Fokussierung des ersten und des zweiten Teilpulses des Laserpulses ermöglicht.
Positiver Zeitversatz im Sinne der Erfindung meint, dass in dem Objektbereich bzw. auf dem Untersuchungsobjekt zuerst der zweite Teilpuls und danach der durch den ersten Teilpuls von der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung erzeugte Ionenpuls auftrifft. Der zweite Teilpuls dient hierbei als Pump-Puls und regt das Untersuchungsobjekt an. Der Ionenpuls dient hierbei als Probe-Puls zur Analyse der Reaktion des Untersuchungsobjekts.
Negativer Zeitversatz im Sinne der Erfindung meint, dass in dem Objektbereich bzw. auf dem Untersuchungsobjekt zuerst der durch den ersten Teilpuls von der lonenpuls-Erzeugungsvorrichtung erzeugte Ionenpuls und danach der zweite Teilpuls auftrifft. Der Ionenpuls dient hierbei als Pump-Puls und regt das Untersuchungsobjekt an. Der zweite Teilpuls dient hierbei als Probe-Puls zur Analyse der Reaktion des Untersuchungsobjekts.
In einer Ausführungsform ist die Untersuchungseinrichtung so ausgestaltet, dass der Zeitversatz zwischen dem Auftreffen des zweiten Teilpulses und dem Auftreffen des durch den ersten Teilpuls erzeugten Ionenpulses in dem Objektbereich bzw. auf das Untersuchungsobjekt derart eingestellt oder einstellbar ist, dass der positive oder negative Zeitversatz weniger als 1 ns, bevorzugt weniger als 100 ps, besonders bevorzugt weniger als 1 ps beträgt. In einer Ausführungsform wird die Untersuchungsvorrichtung zur Untersuchung von bnen-Festkörper-Wechselwirkungen verwendet.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Ionenpulsen mittels einer Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung, umfassend die Bestandteile:

- eine Vakuumkammer,
- eine in der Vakuumkammer angeordnete Kathode,
- einen Laser zum Erzeugen von Laserpulsen, wobei der Laser derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die von ihm erzeugten Laserpulse auf die Kathode auftreffen und Elektronen aus der Kathode herauslösen und
- eine in der Vakuumkammer angeordnete erste Beschleunigungseinrichtung zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes, mittels dessen die herausgelösten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen in ein Ionisationsvolumen innerhalb der Vakuumkammer beschleunigt werden, wobei mittels eines Laserpulses ein Elektronenpuls erzeugt wird,
- eine Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz in das Ionisationsvolumen, so dass bei Eintreffen eines Elektronenpulses in dem Ionisationsvolumen mittels des Elektronenpulses zumindest ein Teil der mindestens einen zu ionisierenden Substanzen unter Erzeugung von Ionen ionisierbar ist,
- eine in der Vakuumkammer angeordnete zweite Beschleunigungseinrichtung zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Feldes, mittels dessen die erzeugten Ionen unter Ausbildung von Ionenpulsen aus dem lonisationsvolumen heraus beschleunigt werden, wobei mittels eines Elektronenpulses ein Ionenpuls erzeugt wird, wobei
- in der Vakuumkammer im Ruhezustand ein Unterdruck bzw. Vakuum (von z.B. kleiner 10^-6 mbar) erzeugt wird und
- der Laser einen Laserpuls erzeugt und
- der Laserpuls auf die Kathode auftrifft, wobei
- durch das Auftreffen des Laserpulses auf die Kathode Elektronen aus der Kathode herausgelöst werden und
- die herausgelösten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen durch das erste elektrische Feld in das Ionisationsvolumen beschleunigt werden und
- in das Ionisationsvolumen mindestens eine zu ionisierende Substanz (z.B. bis zu einem Druck von größer 10^-6 mbar) zugeführt wird und
- durch den Elektronenpuls zumindest ein Teil der mindestens einen zu ionisierenden Substanz unter Erzeugung von Ionen ionisiert wird und
- die erzeugten Ionen unter Ausbildung von Ionenpulsen durch das zweite elektrische Feld aus dem Ionisationsvolumen heraus beschleunigt werden.

Die zur Durchführung des Verfahrens verwendete Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung kann gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsformen ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren zur Erzeugung von Ionenpulsen zur Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen verwendet.
In einer Ausführungsform erzeugt der Laser Laserpulse mit einer Pulslänge im Bereich von 100 as bis 100 ps und / oder einer Energie von 1 nJ bis 100 mJ pro Puls und / oder mit einer Wiederholrate im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz.
Die beschriebenen Merkmale des Lasers, wie Pulsdauer, Energie pro Puls und Wiederholrate sind zweckmäßig und im Rahmen der Ausführbarkeit kombinierbar.
In einer Ausführungsform erzeugt der Laser Laserpulse mit einer Pulslänge bzw. Pulsdauer im Bereich von 100 as bis 100 ps, bevorzugt im Bereich von 1 fs bis 10 ps, besonders bevorzugt im Bereich von 10 fs bis 1 ps.
Vorteilhaft ermöglicht die Verwendung von Laserpulsen mit einer Pulslänge im Bereich von 10 fs bis 10 ps die Erzeugung von ultrakurzen Ionenpulsen mit Pulslängen von maximal 1 ps.
In einer Ausführungsform erzeugt der Laser Laserpulse mit einer Energie von 1 nJ bis 100 mJ pro Puls, bevorzugt mit einer Energie von 1 nJ bis 100 nJ pro Puls.
In einer Ausführungsform erzeugt der Laser Laserpulse mit einer Wiederholrate im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz, bevorzugt im Bereich von 10 kHz bis 1 GHz, besonders bevorzugt im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenpulsen zur Untersuchung von lonen-Festkörper-Wechselwirkungen verwendet.
In einer Ausführungsform liegt die Kathode auf einem negativen elektrischen Potential bezogen auf Erdpotential im Bereich von - 1 V bis - 1000 V.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Beschleunigungseinrichtung eine elektronenoptische Einheit zur Fokussierung des Elektronenpulses und eine Elektrodenanordnung mit mindestens einer Elektrode.
In einer Ausführungsform umfasst die elektronenoptische Einheit mindestens einen Permanentmagnet, Elektromagnet oder cryogenen Magnet.
In einer Ausführungsform erzeugt die elektronenoptische Einheit ein Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte im Bereich von 100 mT bis 1000 mT.
In einer Ausführungsform umfasst die Elektrodenanordnung der ersten Beschleunigungseinrichtung mindestens zwei metallische Drift-Röhren.
In einer Ausführungsform liegt die erste Driftröhre auf einem positiven elektrischen Potential bezogen auf Erdpotential im Bereich von 0,1 bis 10 kV.
In einer Ausführungsform liegt die zweite Driftröhre auf einem niedrigeren elektrischen Potential als die erste Driftröhre, bevorzugt auf Erdpotential.
In einer Ausführungsform liegt zwischen den beiden Driftröhren ein elektrisches Feld im Bereich von 1 kV mm^-1 bis 2 kV mm^-1 vor, in dem die aus der Kathode herausgelösten Elektronen beschleunigt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die zweite Beschleunigungseinrichtung einen Elektronenkollektor zum Abfangen der Elektronen nach der Erzeugung der Ionen und eine Einheit zur Extraktion der Ionen aus dem Ionisationsvolumen.
In einer Ausführungsform liegt die Einheit zur Ionenextraktion auf einem negativen elektrischen Potential bezogen auf Erdpotential, wobei das negative elektrische Potential der Einheit zur Ionenextraktion negativer ist als das negative elektrische Potential der Kathode. Vorteilhaft werden durch das negative elektrische Potential der Einheit zur Ionenextraktion die Elektronen des Elektronenpulses abgebremst und auf den Elektronenkollektor zurückgedrängt.
In einer Ausführungsform liegt der Elektronenkollektor auf Erdpotential.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche miteinander zu kombinieren.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Figur eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenpulsen.
In 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenpulsen, insbesondere ultrakurzer Ionenpulse, dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst folgende Bestandteile: eine Kathode 101, einen Laser 102, eine elektronenoptische Einheit 103, zwei Driftröhren 104, 104a, einen Elektronenkollektor 105, eine Einheit zur lonenextraktion 106, eine Zuführeinrichtung 107 zum Zuführen einer zu ionisierenden Substanz, eine Einheit 108 zur Erzeugung eines Vakuums und eine Vakuumkammer (nicht dargestellt).
Entlang einer ersten Achse 112 der Vorrichtung sind in folgender Reihenfolge die Kathode 101, die elektronenoptische Einheit 103, die zwei Driftröhren 104, 104a, der Elektronenkollektor 105 und die Einheit zur Ionenextraktion 106 angeordnet.
Entlang einer zweiten Achse 113 der Vorrichtung ist der Laser 102 angeordnet. Die zweite Achse 113 verläuft senkrecht zur ersten Achse 112 und schneidet diese bei der Kathode 101.
Entlang einer dritten Achse 114 der Vorrichtung sind die Zuführeinrichtung 107 zum Zuführen von mindestens einer zu ionisierenden Substanz und die Einheit 108 zur Erzeugung eines Vakuums angeordnet. Die Zuführeinrichtung 107 zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz und die Einheit 108 zur Erzeugung eines Vakuums 108 sind einander gegenüberliegend auf der dritten Achse der Vorrichtung 114 angeordnet.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: der Laser 102 erzeugt beim Betreiben der Vorrichtung einen Laserpuls 109, auch bezeichnet als primärer Laserpuls. Der primäre Laserpuls 109 trifft auf die Kathode 101. Durch das Auftreffen des primären Laserpulses 109 werden aus der Kathode 101 Elektronen herausgelöst. Die Elektronen werden in einem ersten elektrischen Feld in Richtung der beiden Driftröhren 104, 104a in ein Ionisationsvolumen 115 beschleunigt unter Erzeugung von Elektronenpulsen 110, auch bezeichnet als sekundärer Elektronenpuls. Der sekundäre Elektronenpuls 110 wird durch die elektronenoptische Einheit 103 fokussiert und damit die Elektronendichte erhöht. Der Raum zwischen den beiden Driftröhren 104, 104a bildet das Ionisationsvolumen 115. Über die Zuführeinrichtung 107 zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz wird die mindestens eine zu ionisierende Substanz in das Ionisationsvolumen 115 zugeführt. Innerhalb des lonisationsvolumens 115 ionisiert der sekundäre Elektronenpuls 110 durch Stoßionisation zumindest einen Teil der mindestens einen zugeführten zu ionisierenden Substanz unter Erzeugung von Ionen. Die erzeugten Ionen werden in einem zweiten elektrischen Feld unter Ausbildung von lonenpulsen 111 aus dem Ionisationsvolumen 115 heraus beschleunigt. Die Elektronen des sekundären Elektronenpulses 110 werden durch den Elektronenkollektor 105 eingefangen und der erzeugte Ionenpuls 111 passiert den Elektronenkollektor 105. Danach passiert der erzeugte Ionenpuls 111 die Einheit zur Ionenextraktion 106. Die in 1 gezeigte Vorrichtung ist als Beispiel zur Erzeugung ultrakurzer Ionenpulse mit Pulslängen von z. B. maximal 1 ps und / oder Energien pro Ion von z. B. 1 bis 100 keV ausgebildet.
Das nachfolgende Beispiel beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Ionenpulsen:
Eine Ausführungsform der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 umfasst folgende Bestandteile: eine Kathode 101, ausgebildet als eine LaB₆-Kathode, einen Laser 102, ausgebildet als Ti:Saphir-Laser, eine elektronenoptische Einheit 103, ausgebildet als ein ringförmiger NdFeB-Permanentmagnet, zwei Driftröhren 104, 104a, einen Elektronenkollektor 105, eine Einheit zur lonenextraktion 106, eine Zuführeinrichtung 107 zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz, eine Einheit zur Erzeugung eines Vakuums 108 und eine Vakuumkammer (nicht dargestellt). Die Driftröhren 104, 104a sind als metallische ringförmige Elektroden ausgebildet. Der Elektronenkollektor 105 ist als ringförmige Elektrode aus Kupfer ausgebildet. Die Einheit zur lonenextraktion 106 ist als metallischer, konisch zulaufender Hohlzylinder ausgebildet. Die Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz 107 ist als Düse ausgebildet. Die Einheit zur Erzeugung eines Vakuums 108 ist als eine Kombination aus einer Turbomolekularpumpe und einer Vorpumpe ausgebildet.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: innerhalb der Vakuumkammer wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Druck von 10^-8 mbar durch die als Kombination von Turbomolekularpumpe und Vorpumpe ausgebildete Einheit zur Erzeugung eines Vakuums 108 im Ruhezustand eingestellt. Der als Ti:Saphir-Laser ausgebildete Laser 102 erzeugt mit einer Wiederholrate von 80 MHz einen primären Laserpuls. Der primäre Laserpuls 109 hat eine Pulslänge von 50 fs und eine Energie pro Puls von 50 nJ. Der primäre Laserpuls 109 wird auf die als LaB₆-Kathode ausgebildete Kathode 101 fokussiert. Die als LaB₆-Kathode 101 liegt auf einem negativen elektrischen Potential bezogen auf Erdpotential von - 500 V. Aus der LaB₆-Kathode werden durch das Auftreffen des primären Laserpulses 109 Elektronen herausgelöst. Die Elektronen werden in dem ersten elektrischen Feld in Richtung der beiden Driftröhren 104, 104a in das lonisationsvolumen 115 beschleunigt unter Erzeugung von Elektronenpulsen 110, auch bezeichnet als sekundärer Elektronenpuls. Der Raum zwischen den beiden Driftröhren 104, 104a bildet das lonisationsvolumen 115. Der sekundäre Elektronenpuls 110 wird durch die elektronenoptische Einheit 103, ausgebildet als ein NdFeB-Permanentmagnet, fokussiert und damit die Elektronendichte erhöht. Der NdFeB-Permanentmagnet erzeugt ein Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 500 mT, wodurch der sekundäre Elektronenpuls auf einen Durchmesser von 50 µm fokussiert wird. Die erste ringförmige metallische Driftröhre 104 liegt auf einem positiven elektrischen Potential bezogen auf Erdpotential von 5 kV und die zweite ringförmige metallische Driftröhre 104a auf Erdpotential. Der Abstand zwischen den beiden Driftröhren 104, 104a beträgt 5 mm, so dass ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von 1 kV mm^-1 realisiert wird. Zwischen den beiden Driftröhren 104, 104a wird über eine Zuführeinrichtung 107 zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz, ausgebildet als Düse, Xenon-Gas bis zu einem Druck von 10^-3 mbar in das lonisationsvolumen 115 eingelassen. Das Xenon-Gas wird innerhalb des Ionisationsvolumens durch Stoßionisation mit den Elektronen des sekundären Elektronenpulses 110 ionisiert und Ionen erzeugt. Die erzeugten Ionen werden in einem zweiten elektrischen Feld unter Ausbildung von lonenpulsen 111 aus dem Ionisationsvolumen 115 heraus beschleunigt in Richtung des ringförmigen Elektronenkollektors aus Kupfer. Der ringförmige Elektronenkollektor aus Kupfer liegt auf Erdpotential. Der erzeugte Ionenpuls 111 passiert den Elektronenkollektor 105 und wird über eine Einheit zur Ionenextraktion 106, ausgebildet als konisch zulaufender metallischer Hohlzylinder, aus der Vorrichtung extrahiert. Der Hohlzylinder liegt dabei auf einem negativen elektrischen Potential von - 5 kV. Der Elektronenpuls 110 wird durch das negative Potential am Hohlzylinder seitlich abgelenkt und vom Elektronenkollektor 105 eingesammelt. Der extrahierte Ionenpuls 111 hat eine Pulslänge von 1 ps und eine Energie pro Ion von 2.5 keV für einfach geladene Ionen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenpulsen / Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung
101: Kathode
102: Laser
103: Elektronenoptische Einheit
104: Erste Driftröhre
104a: Zweite Driftröhre
105: Elektronenkollektor
106: Einheit zur lonenextraktion
107: Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz
108: Einheit zum Erzeugen eines Vakuums
109: Laserpuls / Primärer Laserpuls
110: Elektronenpuls / Sekundärer Elektronenpuls
111: Ionenpuls
112: Erste Achse der Vorrichtung
113: Zweite Achse der Vorrichtung
114: Dritte Achse der Vorrichtung
115: Ionisationsvolumen

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bünermann et al., IEEE Journal of selected topics in Quantum Electronics Vol. 18, No. 1, January/February 2012
Makarov et al., Optics Express 16419, Vol. 25, No. 14, 10 Jul 2017
Klingner et al., Ultramicroscopy 162 (2016) 91-97
Ben-Zvi et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 26 (1979), 3436-3438
Kanesue et al., Review of Scientific Instruments 79, 02B102 (2008)
Shornikov et al., Journal of Instrumentation 11, T04001 (2016)
Daido et al., Reports on Progress in Physics 75, 056401 (2012)

Claims

Vorrichtung (1) zum Erzeugen von Ionenpulsen, aufweisend: - eine Vakuumkammer, - eine in der Vakuumkammer angeordnete Kathode (101), - einen Laser (102) zum Erzeugen von Laserpulsen (109), wobei der Laser (102) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die von ihm erzeugten Laserpulse (109) auf die Kathode (101) auftreffen und Elektronen aus der Kathode (101) herauslösen, - eine in der Vakuumkammer angeordnete erste Beschleunigungseinrichtung (103, 104, 104a) zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes, mittels dessen die herausgelösten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen (110) in ein lonisationsvolumen (115) innerhalb der Vakuumkammer beschleunigt werden, wobei mittels eines Laserpulses (109) ein Elektronenpuls (110) erzeugt wird, - eine Zuführeinrichtung (107) zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz in das lonisationsvolumen (115), so dass bei Eintreffen eines Elektronenpulses in dem lonisationsvolumen mittels des Elektronenpulses (110) zumindest ein Teil der mindestens einen zu ionisierenden Substanz unter Erzeugung von Ionen ionisierbar ist, - eine in der Vakuumkammer angeordnete zweite Beschleunigungseinrichtung (105, 106) zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Feldes, mittels dessen die erzeugten Ionen unter Ausbildung von lonenpulsen (111) aus dem lonisationsvolumen (115) heraus beschleunigt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschleunigungseinrichtung eine elektronenoptische Einheit (103) zur Fokussierung des Elektronenpulses und eine Elektrodenanordnung (104, 104a) mit mindestens einer Elektrode umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschleunigungseinrichtung eine Einheit (106) zur Extraktion der Ionen aus dem lonisationsvolumen (115) und einen Elektronenkollektor (105) zum Abfangen der Elektronen nach der Erzeugung der Ionen umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (102) derart ausgebildet ist, um Laserpulse (109) mit einer Energie von 1 nJ bis 100 mJ pro Puls und / oder einer Pulslänge im Bereich von 100 as bis 100 ps und / oder einer Wiederholrate im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge der erzeugten lonenpulse (111) maximal 1 ps beträgt und/oder die Energie pro Ion im Bereich von 1 bis 100 keV liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (101) eine Emissivität von mindestens 10⁵A/cm²/sr und/oder eine Austrittsarbeit von kleiner als 3 eV aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (101) eine LaB₆-Kathode oder eine Gold-Kathode ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (102) ein Ti:Saphir-Laser oder ein diodengepumpter Faserlaser ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zu ionisierende Substanz eine gasförmige Substanz, einen Feststoff mit hohem Dampfdruck oder eine Lösung von Feststoffen umfasst.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen.
Untersuchungsvorrichtung zum Untersuchen eines Untersuchungsobjekts, aufweisend: - eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, - einen Objektbereich zum Lagern des Untersuchungsobjekts, - eine Strahlteilungseinrichtung, die im Lichtweg der Laserpulse (109) angeordnet und derart ausgebildet ist, dass von ihr jeder Laserpuls (109) in einen ersten Teilpuls und einen zweiten Teilpuls getrennt wird, und - eine Strahlführungseinrichtung, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihr der zweite Teilpuls auf den Objektbereich gerichtet wird, und dass von ihr der erste Teilpuls auf die Kathode (101) der Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung gerichtet wird, sodass mittels des ersten Teilpulses Elektronen aus der Kathode (101) herauslösbar sind, wobei die Ionenpuls-Erzeugungsvorrichtung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die von ihr erzeugten Ionenpulse (111) auf den Objektbereich gerichtet sind.
Verfahren zur Erzeugung von Ionenpulsen, mittels einer Vorrichtung (1) umfassend die Bestandteile - eine Vakuumkammer, - eine in der Vakuumkammer angeordnete Kathode (101), - einen Laser (102) zum Erzeugen von Laserpulsen (109), wobei der Laser (102) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die von ihm erzeugten Laserpulse (109) auf die Kathode (101) auftreffen und Elektronen aus der Kathode (101) herauslösen und - eine in der Vakuumkammer angeordnete erste Beschleunigungseinrichtung zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes, mittels dessen die herausgelösten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen (110) in ein lonisationsvolumen (115) innerhalb der Vakuumkammer beschleunigt werden, wobei mittels eines Laserpulses (109) ein Elektronenpuls (110) erzeugt wird, - eine Zuführeinrichtung zum Zuführen mindestens einer zu ionisierenden Substanz (107) in das lonisationsvolumen (115), so dass bei Eintreffen eines Elektronenpulses in dem lonisationsvolumen mittels des Elektronenpulses (110) zumindest ein Teil der mindestens einen zu ionisierenden Substanz unter Erzeugung von Ionen ionisierbar ist, - eine in der Vakuumkammer angeordnete zweite Beschleunigungseinrichtung zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Feldes, mittels dessen die erzeugten Ionen unter Ausbildung von lonenpulsen (111) aus dem lonisationsvolumen (115) heraus beschleunigt werden, wobei - in der Vakuumkammer im Ruhezustand ein Unterdruck bzw. Vakuum von kleiner 10^-6 mbar erzeugt wird und - der Laser (102) einen Laserpuls (109) erzeugt und - der Laserpuls (109) auf die Kathode (101) auftrifft, wobei - durch das Auftreffen des Laserpulses (109) auf die Kathode (101) Elektronen aus der Kathode (101) herausgelöst werden und - die herausgelösten Elektronen unter Erzeugung von Elektronenpulsen (110) durch das erste elektrische Feld in das lonisationsvolumen (115) beschleunigt werden und - in das Ionisationsvolumen (115) mindestens eine zu ionisierende Substanz bis zu einem Druck von größer 10^-6 mbar zugeführt wird und - durch den Elektronenpuls (110) zumindest ein Teil der mindestens einen zu ionisierenden Substanz unter Erzeugung von Ionen ionisiert wird und - die erzeugten Ionen unter Ausbildung von Ionenpulsen (111) durch das zweite elektrische Feld aus dem Ionisationsvolumen (115) heraus beschleunigt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (102) Laserpulse (109) mit einer Pulslänge im Bereich von 100 as bis 100 ps und / oder einer Energie von 1 nJ bis 100 mJ pro Puls und/oder mit einer Wiederholrate im Bereich von 1 Hz bis 10 GHz erzeugt.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 11 und/oder eines Verfahrens nach Anspruch 12 oder 13 zur Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen.