Techniklexikon

Ionenoptik

Sammelbegriff für alle physikalischen Phänomene und Vorrichtungen, die zur Beeinflussung des Strahlverlaufs eines Ionenstrahls eingesetzt werden können. Hierzu nutzt man vor allem die Ablenkung geladener Teilchen in elektrischen Feldern und Magnetfeldern aus. So wird z.B. eine Ablenkung des Gesamtstrahls mit Hilfe von elektrostatischen Ablenkplatten oder magnetischen Sektorfeldern erreicht. Zur Strahlfokussierung können elektrostatische oder magnetische zylindersymmetrische Felder in sogenannten Einzellinsen eingesetzt werden. In den ebenfalls elektrostatisch oder magnetisch realisierbaren Quadrupollinsen werden jeweils die zur Strahlachse gerichteten Feldkomponenten ausgenutzt, um eine Strahlfokussierung zu erreichen. Die Berechnung der Teilchenbahnen setzt eine Kenntnis der wirkenden Felder voraus. Für zylindersymmetrische Linsen erhält man unter den vereinfachenden Annahmen achsennaher Strahlen mit kleinem Bahnwinkel, eines laminaren Verlaufs der einzelnen Teilchentrajektorien, homogener Raumladungsverteilung im Strahl sowie linearer äusserer Felder in radialer Richtung die der Lichtoptik verwandte analytische Beschreibung der Gaussschen Ionenoptik. Zur kompletten analytischen Beschreibung des Strahlverlaufs unter Berücksichtigung interner und externer Kräfte kann die Enveloppengleichung verwendet werden. Abweichungen von der Linearität der verwendeten Felder sowie die Raumladungswirkung der geladenen Teilchen bei nicht homogener Stromdichteverteilung führen jedoch zu in dieser Gleichung noch nicht erfassten Aberrationen (Abbildungsfehler) im Strahl. Zur Vermeidung solcher Aberrationen ist eine vorsichtige Formgebung der felderzeugenden Elekroden notwendig. Zur Optimierung von elektrischen und magnetischen ionenoptischen Linsen verwendet man deshalb heute numerische Simulationsprogramme, die nach Berechnung der Feldverteilung in einer vorgegebenen Geometrie dann den kompletten Strahlverlauf unter Berücksichtigung der strahlinternen Raumladungswirkung der geladenen Teilchen durch ein iteratives Verfahren berechnen können.