title: Studies on the Thermionic Formation of Alkali-Ion Beams
title: Untersuchungen zur thermionischen Erzeugung von Alkali-Ionenstrahlen
Creators: name: Schuld, Stephan
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Austrittsarbeit , Ionenstrahl
Alkali-Ionen,
Chemie
Massenspektrometrie
Elektrisches Feld , Temperaturabhängigkei
Struktur
Chemistry and allied sciences
Alkali-Ions, Workfunction
Ionenquelle
Kinetische Energie
Fielddependence

description: 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.
description: 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.