Techniklexikon

Atomstrahl

Teilchenstrahl aus neutralen Atomen. Atomstrahlen werden hauptsächlich zur Durchführung atomarer Streuexperimente benötigt. Es gibt verschiedene Methoden zur Erzeugung eines Atomstrahles. Sie beeinflussen die Qualität des Atomstrahles, d.h. Energieverteilung und Divergenz, sowie die Strahlintensität, also Grössen, die kritisch hinsichtlich der Durchführbarkeit eines Experimentes sind.

Der einfachste Aufbau zur Erzeugung eines Atomstrahles besteht aus einer Düse, durch die ein Gas in eine Kammer mit geringerem Druck eingelassen wird. Blenden und/oder Skimmer hinter der Düse definieren den Öffnungswinkel des Strahles. Dies erfordert allerdings, dass die gewünschten Teilchen gasförmig vorliegen. Edelgase und einige Moleküle (H₂, CO₂ etc.) sind bei Raumtemperatur in der Gasphase und können direkt aus der Gasflasche heraus eingesetzt werden. Feststoffe wie z.B. Alkalimetalle (Li, Na) müssen in einem Ofen erhitzt und erst in die Gasphase überführt werden.

Teilchenstrahlen, die der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung unterliegen, deren Energie also von der Temperatur des Gases in der Quelle abhängen, werden als effusive Strahlen bezeichnet.

Ein kälterer Atomstrahl, ein sog. Überschalljet, in dem die Teilchen in ihrem Ruhesystem eine viel schmalere Energieverteilung als im effusiven Strahl haben, lässt sich durch eine Überschallexpansion erzeugen. Hierfür wird, wie oben beschrieben, das Gas aus einem Reservoir mit dem Druck p₀ und der Temperatur T₀ durch eine Düse in eine Kammer mit dem Druck p_k entlassen. Eine Überschallexpansion stellt sich dann ein, wenn gilt p₀/p_k ³ 2. In Vorwärtsrichtung haben die Teilchen Überschallgeschwindigkeit, die innere Temperatur oder thermische Bewegung der Teilchen ist sehr gering und hängt von den Dimensionen (Durchmesser der Düse) sowie von den Druck- und Temperaturverhältnissen der Expansionszone ab. Aus der Strahlverteilung hinter der Expansionszone schält man einen Atomstrahl gewünschter Winkeldivergenz aus. Die innere Temperatur eines solchen Strahles kann weniger als 1 K betragen.

Experimentell aufwendigere Methoden zur Erzeugung von Atomstrahlen sind Ladungsübertrag, Sputtern und Photodetachment. Ersteres geschieht, indem ein wohlkollimierter positiv geladener Ionenstrahl durch eine Gaszelle geschickt wird. Bei nahezu gleichem Ionisationspotential von Ionen und Gasatomen ist Elektroneneinfang der dominante Prozess, und somit wird ein Grossteil der Ionen neutralisiert. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein Strahl aus Wasserstoffatomen erzeugen, indem ein Protonenstrahl durch eine mit Krypton gefüllte Zelle geleitet wird.

Bei der Sputterquelle wird eine Oberfläche mit einem energiereichen Ionenstrahl beschossen (Energie im keV-Bereich). Die dabei entstehenden gesputterten Partikel sind zu 90 % neutrale Teilchen mit Energien zwischen 0,1 und 100 eV.

Photodetachment negativer Ionen erlaubt die Erzeugung eines Atomstrahles, indem ein negativ geladener Ionenstrahl mit einem Laserstrahl hoher Intensität gekreuzt wird. Der Wirkungsquerschnitt für diesen Prozess ist niedrig, so dass ein starkes Photonenfeld notwendig ist. [IR]