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Titel:Untersuchungen zur thermionischen Erzeugung von Alkali-Ionenstrahlen
Autor:Schuld, Stephan
Weitere Beteiligte: Weitzel, Karl-Michael (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0124
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0124
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-01248
DDC: Chemie
Titel(trans.):Studies on the Thermionic Formation of Alkali-Ion Beams
Publikationsdatum:2017-03-15
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Temperaturabhängigkei, Alkali-Ionen,, Ionenstrahl, Elektrisches Feld, Chemie, Massenspektrometrie, Struktur, Fielddependence, Alkali-Ions, Chemistry and allied sciences, Ionenquelle, Austrittsarbeit, Kinetische Energie, Workfunction

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.

Summary:
The aim of this work was the investigation of the underlying processes of the thermionic generation of alkali-ions. Therefore, ion emitters based on a mixture of the emittermaterial MAlSi2O6 with M = K, Rb, Cs and a metal powder are used. This emitters had previously been developed in the group of Prof. Weitzel and can be used to obtain high purity ion beams with an ion current of about 100 nA. Using this type of emitter it was not possible to create a lithium or sodium ion beam from MAlSi2O6 with M = Li, Na. Furthermore, it is found that the obtained work functions are very different for each sample, despite the samples are created from the same batch of material. In filament emitters a metal foil is used as sample support and resistance heating device. The emitter material is molten on top of the filament without adding a metal powder as matrix. With this technique and by using emitter materials of the composition MAlSiO4 and MAlSi2O6 with M = Li, Na, K, Rb, Cs ion beams of lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium are accessable. By studying the temperature- and fielddependence of the emission hte work function can be accessed, showing a clear structure dependence of the material. To investigate the influence of the anionic framework materials of the composition CsMSi2O6 and CsMGe2O6 with M = B, Al, Ga, F e are used. For all investigated samples the transition from space charge limited to field assisted emission is observed. By employing retarding field analyses the kinetic energy of the emitted ions is determined. For LiAlSi2O6 the observed emission characteristics show an excellent agreement with numerical simulations. Last but not least, the thermionic emission was used to measure the ionic work function for lithium from lithium-cobalt-oxide for the first time. The observed value of about 4 eV is in excellent agreement with a work function of 3.6 − 4.5 eV obtained from theoretical considerations.


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