Feldemissions-Ionenquellen für Laserexperimente

Feldemissionsquellen zur Erzeugung ionischer Targets für Starkfeldlaserexperimente

Beteiligte Mitarbeiter:
F. Machalett1,2, P. Wustelt1,2, B. Ying1,2, V. Huth2, T. Weber2, Th. Stöhlker1,2 und G.G. Paulus1,2

1 Helmholtz-Institut JenaExterner Link
2 Institut für Optik und Quantenelektronik, Friedrich-Schiller-Universität Jena 

Ziel dieser Untersuchungen ist es, dichte ionische Lasertargets für die Untersuchung der ultraschnellen laserinduzierten Fragmentations- und Ionisationsdynamik von Atomen und Molekülen in starken Laserfeldern zu erzeugen. Ionische Targets ermöglichen die Untersuchung vieler interessanter fundamentaler Systeme der Licht-Materie-Wechselwirkung, wie He+ und H2+ [1] sowie Molekülen, die nur in der Ionenquelle entstehen, z. B. HeH+ [2]. Ein weiterer Vorteil ionischer Targets sind die klar definierten und steuerbaren Eigenschaften im Interaktionsvolumen mit dem Laserstrahl. In Abbildung 1 ist der schematische Aufbau der Ionenstrahlanlage für die Laser-Wechselwirkung dargestellt.

 

Abb. 1: Schematische Darstellung des Aufbaus für die Starkfeldlaserexperimente: 1: Flüssigmetallionenquelle, 2: Einzellinse, 3: Parallelplattendeflektor, 4: Wienfilter, 5: Schlitzblende, 6: Spektrometer, 7: Laser, 8: Detektor [5]
Abb. 1: Schematische Darstellung des Aufbaus für die Starkfeldlaserexperimente: 1: Flüssigmetallionenquelle, 2: Einzellinse, 3: Parallelplattendeflektor, 4: Wienfilter, 5: Schlitzblende, 6: Spektrometer, 7: Laser, 8: Detektor [5]
Grafik: Vanessa Huth

Die Nachteile von ionischen Lasertarget, die beispielsweise durch Ionenquellen wie Duoplasmatron, EBIT und RF erzeugt werden, sind die sehr geringen Dichten von 104 – 105 cm-3 im Laserfokus. Die geringe Anzahl von Molekülen im Laserfokus erfordert relativ lange Messzeiten.

Um diese Probleme zu überwinden, ist eine alternative Ionenquelle mit einer höheren Helligkeit (Richtstrahlwert) wünschenswert. Ziel ist es, höhere Partikeldichten zu erzeugen, die näher an denen neutraler Targets liegen, die typischerweise bei kalten Überschallgasstrahlen bei etwa 1011 cm-3 liegen.

Ein vielversprechender Kandidat ist eine Flüssigmetallionenquelle (LMIS, Abbildung 2), basierend auf der Feldverdampfung aus einem flüssigen Metallkegel mit einem Spitzenradius von 10 bis 30 nm. Dieser Quellentyp wird aufgrund seiner besonderen Eigenschaften als Ionenstrahltriebwerk im Weltraum und als Quelle in Focused-Ion-Beam-Systems zur Nanostrukturierung verwendet.

Abb. 2: Flüssigmetallionenquellengehäuse (links) mit Ionengetterpumpe (1) und Extraktionselektrode (2) sowie (rechts) ohne Extraktionselektrode mit sichtbarem Ionenemitter (3) [5]
Abb. 2: Flüssigmetallionenquellengehäuse (links) mit Ionengetterpumpe (1) und Extraktionselektrode (2) sowie (rechts) ohne Extraktionselektrode mit sichtbarem Ionenemitter (3) [5]
Foto: Vanessa Huth

Die Flüssigmetall-Ionenquelle hat folgende Vorteile [3,4]:

  • Kleine Quellgröße führt zu einer hohen Helligkeit (Richtstrahlwert) von 106 A cm-2 sr -1
  • Einfaches und kompaktes Setup (siehe Abb. 2)
  • Ionen aus einer Vielzahl chemischer Elemente möglich (fast die Hälfte des Periodensystems) durch Verwendung von flüssigen Legierungen
  • Zahlreiche Kombinationen verschiedener Stöchiometrie in den Molekülionen eines Elementes oder zwischen verschiedenen Elementen
  • Untersuchung von Edelmetallmolekülionen (z.B. Au2+, Au3+, Au32+) und Edelmetallverbindungen (z. B. AuSi+, Au2Si+)

 

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Referenzen:

[1] T. Rathje, et al., Externer LinkPhys. Rev. Lett. 111, 093002 (2013)

[2] P. Wustelt, et al., Externer LinkPhys. Rev. Lett. 121, 073203 (2018)

[3] F. Machalett, P. Seidel, Focused Ion Beams and Some Selected Applications, EAP, Wiley (2019)Externer Link

[4] L. Bischoff, et al.Externer Link, Appl. Phys. Rev. 3, 021101 (2016)

[5] V. Huth, Aufbau und Charakterisierung einer Flüssigmetallionenquelle für Starkfeldlaserexperimente, Bachelorarbeit, FSU Jena, 17.10.2020

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