Untersuchungen zur thermionischen Erzeugung von Alkali-Ionenstrahlen

Gegenstand dieser Arbeit sind Studien zur thermionischen Erzeugung von Alkali-Ionen. Ausgangspunkt waren dabei die in der Arbeitsgruppe Weitzel existierenden Alkali-IonenEmitter auf Basis von MAlSi2O6 mit M = K, Rb, Cs. Diese Emitter basieren auf der Einbettung des Emittermaterials MAlSi2O6 in eine...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Schuld, Stephan
Beteiligte: Weitzel, Karl-Michael (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2017
Chemie
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Gegenstand dieser Arbeit sind Studien zur thermionischen Erzeugung von Alkali-Ionen. Ausgangspunkt waren dabei die in der Arbeitsgruppe Weitzel existierenden Alkali-IonenEmitter auf Basis von MAlSi2O6 mit M = K, Rb, Cs. Diese Emitter basieren auf der Einbettung des Emittermaterials MAlSi2O6 in einer Metallmatrix und sind in der Lage, einen hochreinen Ionenstrahl mit einer Stromstärke im Bereich von etwa 100 nA zu erzeugen. Im Verlauf dieser Arbeit zeigte sich, dass es mit diesem Aufbau nicht möglich ist, Lithium- und Natrium-Ionen aus MAlSi2O6 mit M = Li, Na zu erzeugen und sich die erhaltenen Kenngrößen für die Emission, wie beispielsweise die Austrittsarbeit, deutlich von Probe zu Probe unterscheiden. Als Alternative wurden sogenannte Filament-Emitter, bei denen eine Metallfolie als Widerstandsheizung und Probenträger eingesetzt wird, durch Aufschmelzen des reinen Emittermaterials auf das Filament hergestellt. Dabei wurde auf den Zusatz eines Matrixmetalls verzichtet. Mit der Verwendung von Emittermaterialien der Zusammensetzungen MAlSiO4 und MalSi2O6 mit M = Li, Na, K, Rb, Cs war es möglich, Lithium-, Natrium-, Kalium-, Rubidium- und Cäsium-Ionenstrahlen zu erzeugen. Weiterhin eröffneten systematische Studien der Temperatur- und Feldabhängigkeit der Emission den Zugang zu Kenngrößen der thermionischen Emission. Die Austrittsarbeit zeigt beispielsweise eine deutliche Abhängigkeit von der Struktur der Emittermaterialien. Der Einfluss des anionischen Gitters wurde durch Einsatz von CsMSi2O6 und CsMGe2O6 mit M = B, Al, Ga, F e als Emittermaterial untersucht. Für die Feldabhängigkeit wurde für alle untersuchten Emittermaterialien der Übergang von der raumladungsbegrenzten zur feldverstärkten Emission beobachtet. Die Analyse der kinetischen Energie der erzeugten Ionenstrahlen wurde durch Bremsfeldmessungen realisiert. Die erhaltenen Ergebnisse für LiAlSi2O6 sind in guter Übereinstimmung mit numerischen Simulationen des Emissionsverhaltens. Zum Abschluss der Arbeit wurde die thermionische Emission erstmals als Zugangsweg zur Bestimmung der ionischen Austrittsarbeit für Lithium aus Lithium-Cobalt-Oxid genutzt. Die so erhaltene ionische Austrittsarbeit von etwa 4 eV ist in sehr guter Übereinstimmung mit einem aus theoretischen Überlegungen abgeleiteten Wert von 3.6 − 4.5 eV.
Umfang:292 pages.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2017.0124