Źródła jonów i podstawy spektometrii masowej / Ion souces and basis od mass spectrometry

 

Celem ćwiczenia jest poznanie zasad pracy źródeł jonów na przykładzie źródła typu EBIS (Electron Beam Ion Source). Student poznaje mechanizmy wytwarzania jonów, co stanowi uniwersalny punkt wyjścia do opisu i systematyki procesów zachodzących podczas oddziaływania atomów z jonami, elektronami i fotonami.

Na stanowisku pomiarowym student uruchamia źródło typu EBIS (EBIT3 firmy DREEBIT) i dozując odpowiednie gazy wytwarza kolejno jony He, Ne lub Ar. Zmieniając parametry pracy źródła optymalizuje proces jonizacji, mierząc prąd ekstrahowanych jonów. Ponieważ źródło tego typu jest zaprojektowane do wytwarzania jonów wielokrotnych, wyznacza udział tych jonów w wiązce pierwotnej. Źródła typu EBIS umożliwiają produkcję jonów całkowicie odartych z elektronów.

Badanie właściwości wiązek jonów wytworzonych w źródle EBIS, poruszających się w polach elektrycznych i magnetycznych (filtr Wiena), to dodatkowa okazja do praktycznego poznania zasad spektometrii masowej. Student ogniskuje wiązkę jonów o energii (5 – 15) keV przy pomocy układu soczewek elektrostatycznych, a następnie dokonuje separacji jej składników w filtrze Wiena (analiza m/q). Kalibruje układ analizujący przy pomocy jonów o znanych masach (He, Ne, Ar) i na podstawie krzywej kalibracyjnej określa masy innych jonów produkowanych równocześnie w źródle. Stwierdza obecność jonów tlenu, azotu, składników wody i dwutlenku węgla oraz innych jonów gazów resztkowych, występujących w powietrzu. Realizacja ćwiczenia jest również pretekstem do poznania techniki wytwarzania i diagnostyki próżni w komorach eksperymentalnych.

Ponadto, zestaw eksperymentalny wyposażony jest w detektor typu XFlash firmy Bruker, który rejestruje promieniowanie rentgenowskie (0.5 keV – 20 keV) towarzyszące produkcji jonów i ilustrujące, zachodzące w tym czasie, procesy atomowe takie jak jonizacja, radiacyjna rekombinacja, czy rekombinacja dwu-elektronowa.

The main goal of this exercise is to study operation principles of ion sources. As a selected example an EBIS (Electron Beam Ion Source) is used. Here, students obtain essential information concerning methods if ion production which again is a starting point in order to overview interaction mechanisms of atoms with ions, electrons and photons.

First, students set the available EBIS going (EBIT3 constructed by DREEBIT Co.). By selecting an input gas (He, Ne, or Ar) the corresponding He+q, Ne+q or Ar+q ions are produced. When tuning the appropriate work parameters of the source the ion production is optimised and controlled by observation of the current of the extracted ions. EBIT3 is designed to produce highly charged ions (HCI). Finally, observation of bare ions is possible up to Z as high as 18 (Ar).

Second, observation of HCI beams in electromagnetic fields (lenses, Wien filter) is an additional opportunity to encounter the basic principles of mass spectrometry. Students focus the ion beams at various energies (5 keV - 15 keV) by electrostatic lenses and separate m/q components (Wien filter). It is possible to calibrate the Wien filter with the known masses of the main elements used (He, Ne or Ar) in order to identify other beam species produced in the ion source e.g. ions of the rest gases present in the air like O2, N2, H2O, CO2. Moreover, this exercise forms an excellent opportunity to study methods of vacuum production and diagnostics in experimental chambers.

In addition, the facility is equipped with an XFlash detector (Bruker Co.) which is able to register x-rays (0.5 keV – 20 keV) associated with the ion production in the EBIS. Analysis of these x-rays gives a survey of radiative atomic processes like characteristic x-ray emission, radiative recombination or resonant dielectronic recombination.