einfluß der geschwindigkeit von edelgasionen auf die...

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This work has been digitalized and published in 2013 by Verlag Zeitschrift für Naturforschung in cooperation with the Max Planck Society for the Advancement of Science under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschung in Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. digitalisiert und unter folgender Lizenz veröffentlicht: Creative Commons Namensnennung 4.0 Lizenz. Einfluß der Geschwindigkeit von Edelgasionen auf die Emission von Sekundär-Elektronen A. J . H . BOERBOO.M, B . L . S C H R Ä M *, W. KLEINE und J. KISTEMAKER FOM-Laboratorium voor Massascheiding, Amsterdam (Z. Naturforschg. 21 a, 127—129 [1966] ; eingegangen am 16. Oktober 1965) Herrn Professor J. MATTAUCH zum 70. Geburtstag gewidmet By direct comparison of the signals of a particle multiplier and a FARADAY cage at the collector end of a mass spectrometer, the secondary emission coefficients of a copper-berilium alloy were determined for single and multiply charged noble gas ions. The ions involved were He + and He 2+ , 20 Ne + up to 20 Ne 3+ , 22 Ne + , Ar + up to Ar 5+ , Kr + up to Kr 7+ and Xe + up to Xe 9+ . The energy of the ions varied between 3 and 90 keV. The secondary emission factors show an almost exact linear dependence on the velocity of the ions, with a threshold at 5.5 xlO 6 cm/s. The slopes are proportional to the square roots of the ion masses. Anläßlich der Messung von Wirkungsquerschnitten für Mehrfachionisation von Edelgasen wurden für verschiedene Ionen die Verstärkungsfaktoren eines Sekundär-Elektronenvervielfachers bestimmt. An der Auffängerseite eines Massenspektrometers wurden ein FARADAY-Käfig und ein SEV neben- einander montiert (Abb. 1). Der SEV war ein EMI 9603 mit Kupfer-Beryllium-Dynoden. Das Rest- gas-Vakuum war 10"' Torr. Durch eine gering- fügige Änderung des Magnetstromes wurde das Ionenbündel von dem einen auf den anderen Auf- fänger gelenkt. Die beiden Auffänger hatten breite I rh y/y./y/ rwwww i/y/y/yy/: twwswv i/y/^yy/y r.wwww r y///////:. fAWiWW r y//y//yy rxwixwv tyyy/yy^y rwwww r y./yy./yy/ r\\\\\\\\ i 1 m Abb. 1. Doppelauffänger mit FARADAY-Käfig und Sekundär- elektronenvervielfacher (SEV). * Z. Zt. Unilever Research Laboratorium, Duiven, Nieder- lande. 1 B. L. SCHRÄM, A. J. H. BOERBOOM U. J. KISTEMAKER, Physica, im Druck. — B. L. SCHRÄM, Physica, im Druck. Spalte, um einen vollständigen Einfang zu sichern. Durch eine Blende auf negativem Potential wurde die Emission von Sekundärelektronen im FARADAY- Käfig unterdrückt. Der Auffänger hatte eine V-Form, um der Reflexion der Ionen vorzubeugen. Wir kön- nen annehmen, daß der Auffängerstrom dem Ionen- strom genau entspricht. Die Spannung von 2 kV am SEV wurde konstant gehalten, weil eine Änderung dieser Spannung alle Verstärkungsfaktoren in demselben Maße ändern würde. Die Beschleunigungsspannung der Ionen wurde variiert zwischen 1 und 8 kV, so daß die Ionen mit 3 bis 10 keV pro Ladung auf den Auf- fänger treffen. Für Xe 9+ läuft die Energie also von 27 bis 90 keV. Da die Ausbeute an mehrfach geladenen Ionen mit steigender Ladungszahl stark abnimmt, wurde der Gasdruck im Ionisationsraum für die höheren La- dungen gesteigert und die Energie der ionisierenden Elektronen auf das Maximum der Ionisationsquer- schnittskurve gesetzt 1 . Andererseits wurde zur Ver- meidung von Sättigungserscheinungen infolge der Raumladung darauf geachtet, daß der Kollektor- strom des SEV nicht über den Wert von 2 10~ 8 A anstieg. Für die niedrig geladenen Ionen schätzen wir die Meßunsicherheit auf etwa 10%. Da wir aber bis zur Nachweisgrenze des Gleichstromverstärkers gemessen haben, ist der Fehler für die höchst ge- ladenen Ionen höher. Näheres über die Meßmethode und die vollständi- gen Meßergebnisse werden wir anderswo 2 publizie- 2 B . L . SCHRÄM, A . J . H . BOERBOOM, W . KLEINE U. J. KISTEMAKER, Physica, im Drude.

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This work has been digitalized and published in 2013 by Verlag Zeitschrift für Naturforschung in cooperation with the Max Planck Society for the Advancement of Science under a Creative Commons Attribution4.0 International License.

Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschungin Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung derWissenschaften e.V. digitalisiert und unter folgender Lizenz veröffentlicht:Creative Commons Namensnennung 4.0 Lizenz.

Einfluß der Geschwindigkeit von Edelgasionen auf die Emission von Sekundär-Elektronen

A . J . H . B O E R B O O . M , B . L . S C H R Ä M * , W . K L E I N E u n d J . K I S T E M A K E R

FOM-Laboratorium voor Massascheiding, Amsterdam

(Z. Naturforschg. 21 a, 127—129 [1966] ; eingegangen am 16. Oktober 1965)

Herrn Professor J. MATTAUCH zum 70. Geburtstag gewidmet

By direct comparison of the signals of a particle multiplier and a F A R A D A Y cage at the col lector end of a mass spectrometer, the secondary emission coefficients of a copper-beril ium alloy were determined for single and multiply charged noble gas ions. The ions involved were He+ and He2 + , 2 0Ne+ up to 2 0Ne3 + , 2 2Ne+ , Ar + up to Ar 5 + , Kr + up to Kr7 + and Xe + up to Xe 9 + . The energy of the ions varied between 3 and 90 keV.

The secondary emission factors show an almost exact linear dependence on the velocity of the ions, with a threshold at 5.5 x l O 6 cm/s. The slopes are proportional to the square roots of the ion masses.

Anläßlich der Messung von Wirkungsquerschnitten für Mehrfachionisation von Edelgasen wurden für verschiedene Ionen die Verstärkungsfaktoren eines Sekundär-Elektronenvervielfachers bestimmt.

An der Auffängerseite eines Massenspektrometers wurden ein FARADAY-Käfig und ein SEV neben-einander montiert (Abb. 1) . Der SEV war ein EMI 9603 mit Kupfer-Beryllium-Dynoden. Das Rest-gas-Vakuum war 1 0 " ' Torr. Durch eine gering-fügige Änderung des Magnetstromes wurde das Ionenbündel von dem einen auf den anderen Auf-fänger gelenkt. Die beiden Auffänger hatten breite

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Abb . 1. Doppelauffänger mit FARADAY-Käfig und Sekundär-elektronenvervielfacher ( S E V ) .

* Z. Zt. Unilever Research Laboratorium, Duiven, Nieder-lande.

1 B . L . SC H R Ä M , A . J . H. BOERBOOM U. J . K I S T E M A K E R , Physica, im Druck. — B. L. SCHRÄM, Physica, im Druck.

Spalte, um einen vollständigen Einfang zu sichern. Durch eine Blende auf negativem Potential wurde die Emission von Sekundärelektronen im F A R A D A Y -

Käfig unterdrückt. Der Auffänger hatte eine V-Form, um der Reflexion der Ionen vorzubeugen. Wir kön-nen annehmen, daß der Auffängerstrom dem Ionen-strom genau entspricht.

Die Spannung von 2 kV am SEV wurde konstant gehalten, weil eine Änderung dieser Spannung alle Verstärkungsfaktoren in demselben Maße ändern würde. Die Beschleunigungsspannung der Ionen wurde variiert zwischen 1 und 8 kV, so daß die Ionen mit 3 bis 10 keV pro Ladung auf den Auf-fänger treffen. Für Xe9+ läuft die Energie also von 2 7 bis 90 keV.

Da die Ausbeute an mehrfach geladenen Ionen mit steigender Ladungszahl stark abnimmt, wurde der Gasdruck im Ionisationsraum für die höheren La-dungen gesteigert und die Energie der ionisierenden Elektronen auf das Maximum der Ionisationsquer-schnittskurve gesetzt1. Andererseits wurde zur Ver-meidung von Sättigungserscheinungen infolge der Raumladung darauf geachtet, daß der Kollektor-strom des SEV nicht über den Wert von 2 • 10~8 A anstieg. Für die niedrig geladenen Ionen schätzen wir die Meßunsicherheit auf etwa 10%. Da wir aber bis zur Nachweisgrenze des Gleichstromverstärkers gemessen haben, ist der Fehler für die höchst ge-ladenen Ionen höher.

Näheres über die Meßmethode und die vollständi-gen Meßergebnisse werden wir anderswo 2 publizie-2 B . L . SCHRÄM, A . J . H . BOERBOOM, W . K L E I N E U. J . K I S T E M A K E R ,

Physica, im Drude.

3 10

Ne

N e 2

Ne 3

N e '

Ne

2 10

20 30 40 50

IONENGESCHWINDIGKEIT in i o 6 c m / s Abb. 2. Der Verstärkungsfaktor V für Ne-Ionen als Funktion der Ionengeschwindigkeit.

5.10"

Abb. 3. Der Verstärkungsfaktor V für Xe-Ionen 20 30 40 als Funktion der Ionengeschwindigkeit.

IONENGESCHWINDIGKEIT in i o 6 c m / s

5.10"

U. 10

3.10"

2.10"

1.10"

Abb. 4. Zusammenstellung aller Verstärkungs-faktoren der Edelgasionen als Funktion der 0

Geschwindigkeit. 0 10 20 30 <0 50 60 70 80 90 100

IONENGESCHWINDIGKEIT in i o ( cm/s

ren. Wir wollen uns hier nur mit den gefundenen Gesetzmäßigkeiten und deren möglicher Deutung be-fassen.

In Abb. 2 und 3 haben wir die Verstärkungs-faktoren für Ne und Xe als Funktion der Ge-schwindigkeit aufgetragen. Sofort fällt auf, daß die Meßpunkte genau auf einer Geraden liegen, unab-hängig von der Ladung des Ions. In beiden Fällen schneidet diese Linie die Abszisse bei r = 5,5 106

cm/s. Außerdem verhalten sich die Steigungen wie die Quadratwurzeln der entsprechenden Massen der Ionen.

Wie aus der Abb. 4 hervorgeht, gelten diese drei Regelmäßigkeiten für alle Edelgase. Da die Ver-stärkungsfaktoren dem zweiten TowNSEND-Koeffi-zient y direkt proportional sind, besteht also für alle Edelgasionen in einem großen Energie- und Ladungs-bereich die Beziehung:

y~Vm(v-v0)~VE-VE0.

Dies ist schon von T E L J K O W S K I J 3 bemerkt worden, der das lineare Verhalten des Sekundäremissions-faktors für Ar+, Ar2+ und Ar3+ auf Zr und Mo im Geschwindigkeitsbereich von 1 bis 8 ' 1 0 7 cm/s beob-achtete.

Für Neon haben wir ebenfalls den Isotopie-Effekt gemessen. Im Einklang mit der Regel liegen die Ver-stärkerungsfaktoren für 22Ne+ um einige Prozente über denen für 20Ne+.

Eine Ubersicht über die Theorien der Sekundär-emission ist von K A M I N S K Y 4 gegeben worden. Es be-steht eine kritische Geschwindigkeit

^krit = = 2,3 • 108 cm/s ,

und je nachdem ob v größer oder kleiner als v^T\t

ist, wird ein verschiedenes Verhalten gefunden. Diese Geschwindigketi entspricht der Elektronengeschwin-digkeit beim Wasserstoff-Atom im Grundniveau.

3 W. G. TELJKOWSKIJ, Dokl. Akad. Nauk SSSR 26, 334 [1956], 4 M. KAMINSKY, Atomic and Ionic Impact Phenomena on Me-

tal Surfaces, Springer-Verlag, Berlin 1965.

Unser Geschwindigkeitsbereich liegt meistens weit unter dieser kritischen Geschwindigkeit ( l ' l O 7 bis 10 '10 7 cm/s) . Dann sind die sogenannten poten-tiellen Sekundärelektronen-Emissionsprozesse offen-bar weniger wichtig.

Bekanntlich gibt es zwei Möglichkeiten für die Energiedissipation schneller Teilchen in Festkörpern, nämlich durch elastische Stöße schwerer Teilchen und durch Anregung der Elektronen. Der erste Effekt verursacht die Kathodenzerstäubung, während der zweite die Emission sekundärer Elektronen zur Folge haben kann. Nach L I N D H A R D und Mitarbeitern 5 ist die Energiedissipation durch Elektronenanregung pro Längeneinheit proportional der Ionengeschwin-digkeit. Dies ist auffallend analog der von uns ge-fundenen Geschwindigkeitsabhängigkeit.

Aus der Plasmaphysik ist bekannt, daß Energie-übertragung geladener Teilchen auf ein Elektronen-plasma nur dann auftritt, wenn die Teilchen-geschwindigkeit größer ist als die mittlere thermische Geschwindigkeit des Elektronengases. Da auch im Metall ein Elektronengas vorhanden ist, glauben wir damit eine Erklärung für die Existenz des Schwell-wertes gefunden zu haben. Der Wert von 5 , 5 - 1 0 6

cm/s würde die mittlere Elektronengeschwindigkeit im Metallplasma darstellen, einer Temperatur von 100 °K entsprechend. Unsere experimentellen Er-gebnisse geben also einen Hinweis auf die Wechsel-wirkung zwischen schnellen Teilchen und den Elek-tronen im Metall.

Wichtig ist die von P A R I L I S veröffentlichte Theo-rie 6 über den Prozeß der Elektronenanregung in Metallen. Diese Theorie berücksichtigt die Leitungs-bänder im Metall und gibt den von uns gefundenen Wert für die kritische Geschwindigkeit an.

Diese Arbeit ist ein Teil der Forschungsarbeit der Stiftung FOM und entstand durch finanzielle Unter-stützung der niederländischen Organisation ZWO.

5 J. L INDHARD, M. SCHARFF U. H. E. SCHIOTT, Math. Fys. Medd. Kongl. Danske Videnskab. Selskab 33, no. 14, 6 [1963].

6 E. S. PARILIS U. L . M. KISHINEVSKII , Soviet Phys.-Solid State 3, 885 [I960] .