Ionenstrahl

Die Geschichte der Ionenstrahlen beginnt mit der Untersuchung der Alphastrahlung durch Ernest Rutherford 1911.^[1] Die „Ionenquelle“ bestand bei Rutherford aus einem Radiumpräparat, dessen Alphastrahlung für Streuversuche mithilfe einer Bleiabschirmung kollimiert wurde.

Bereits 1928 wurden mit einem Driftröhrenbeschleuniger erste Ionen künstlich beschleunigt. In den folgenden Jahren wurden Cockcroft-Walton-Beschleuniger und andere Gleichspannungsbeschleuniger zur Beschleunigung von Teilchen auf Ziele auf ein in der Forschung genutzt.

Mit Experimenten von beschleunigten (geladene) Protonen auf ein Lithium-Target gelang Cockcroft und Walton 1932^[2][3][4][5] erstmals die Beobachtung einer durch künstlich beschleunigte Teilchen ausgelösten Kernreaktion (Spaltung in Fragmente, jedoch keine Kernspaltung durch (langsame) Neutronen. Die Letztere wurde durch Otto Hahn und Fritz Straßman erst 1938 entdeckt.). „Für ihre Pionierarbeit zur Transmutation von Atomkernen durch künstlich beschleunigte Atomteilchen“ erhielten sie dafür den Nobelpreis für Physik in dem Jahr 1951.^[6]

Im Verlauf der 1930er Jahre wurden die Elektronen- und Ionenoptik zur Reife gebracht: Mithilfe magnetischer Felder ist es möglich, einen Ionenstrahl ähnlich einem Lichtstrahl zu fokussieren und so ohne Aufweitung des Strahls zu transportieren.

Die während des Zweiten Weltkrieges gewonnenen Erkenntnisse im Bereich der Mikrowellenerzeugung kamen der Weiterentwicklung der Wechselfeldbeschleuniger für Ionen zugute (siehe Linearbeschleuniger, Synchrotron). Kurz nach dem Zweiten Weltkrieg wurde das „Prinzip der Starken Fokussierung“^[7] entdeckt, das für die Entwicklung von Hochenergie-Ionenbeschleunigern entscheidend wurde.

Ionenstrahlen werden heute in spezialisierten Ionenquellen erzeugt.^[8] Der zu wählende Typ der Quelle hängt ab von den Anforderungen an Energie, Ladungszustand, Gesamt- oder Pulsstrom und Ionenspezies. Deshalb sind an manchen Beschleunigeranlagen verschiedene, abwechselnd benutzbare Ionenquellen installiert.

Der Ionenstrahl wird stets im Vakuum erzeugt. Dazu werden zunächst neutrale Atome mithilfe verschiedener Techniken ionisiert. In der Ionenquelle findet sich auch die erste Beschleunigungsstufe, die mithilfe eines elektrischen Feldes den Ionen eine Hauptbewegungsrichtung vorgibt. Erst nach diesem Schritt kann von einem Ionenstrahl gesprochen werden.

Für einige Anwendungen reicht die Ausgangsenergie einer Ionenquelle aus und der Ionenstrahl kann direkt verwendet werden. Andere Anwendungsgebiete, speziell die Kern- und Teilchenphysik^[9] erfordern höhere Energien, für die die Ionen in einem Teilchenbeschleuniger weiter beschleunigt werden müssen.

In der Forschung werden Ionenstrahlen ähnlich wie Elektronenstrahlen in der Teilchen-, Kern- und Atomphysik eingesetzt. Meist kommt mit der Ionenquelle ein Teilchenbeschleuniger (Zyklotron, Linearbeschleuniger etc.) zum Einsatz, um die Ionen auf die jeweils erforderliche Energie zu bringen. Schwerionenstrahlen haben ebenfalls Anwendungen zum Beispiel in der Medizin (Schwerionentherapie).

Ionen- oder auch Elektronenstrahlung wurde zeitweise als Energiequelle (Treiber) für die sog. Trägheitsfusion untersucht. Beinahe alle großen Anlagen basieren heutzutage jedoch auf Hochenergie-Lasern.

In der Raumfahrt werden Ionenstrahltriebwerke erforscht und erprobt.^[10]

In der Industrie finden Ionenstrahlen niedrigerer Energien im Energiebereich bis zu einigen Megaelektronenvolt Anwendung vor allem zur Ionenimplantation, z. B. in der Halbleitertechnik und in Focused-Ion-Beam-Verfahren für Mikroskopie und Materialbearbeitung sowie Massenspektrometrie (Sekundärionen-Massenspektrometrie). Auch zur Isotopenanalyse werden Ionenstrahlen eingesetzt: Bei der Beschleuniger-Massenspektrometrie wird ein Ionenstrahl aus einem Material unbekannter Isotopenzusammensetzung erzeugt. Die Zusammensetzung wird dann mittels der Unterschiede in den ionenoptischen Eigenschaften verschiedener Isotope ermittelt, so dass auf Alter oder der Herkunft des Materials geschlossen werden kann.

Höherenergetische Ionenstrahlen werden zur Erzeugung von Radionukliden und Neutronen^[11] für die Medizin und Materialanalyse verwendet.^[12]

In der Halbleiter- und Vakuumtechnik können dünne Schichten (Oberflächen) durch Ionenstrahllithografie erzeugt werden.