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[[Datei:Cyclotron with glowing beam.jpg|mini|Freier Strahl geladener Teilchen aus dem 60-Zoll-Zyklotron in Berkeley um 1939. Die bläuliche Farbe rührt von der Ionisierung der Luftmoleküle her. In einem Experiment mit Deuteronen wurde Uran beschossen und das Element „93“ gefunden, das später als Transuranelement Neptunium (Np) bezeichnet wurde.]]Bei einem '''Ionenstrahl''' ({{EnS|charged particle beam}} oder '''{{EnS|ion beam}}''') handelt es sich um einen mit Hilfe einer [[Ionenquelle]] erzeugten, sich im [[Vakuum]] bewegenden [[Fokus|fokussierten]] [[Strahlenbündel|Strahl]] [[Teilchen|geladener Teilchen oder Atom]], bzw. [[Ion]]en. Ein weiterer Spezialfall ist der [[Elektronenstrahl]].

In diesem Artikel geht es um den ''Ionenstrahl'', also einen Strom aus Ionen im Vakuum. Die ''Ionenstrahlung'' meint eine [[Strahlung|Teilchenstrahlung]], z. B. die [[Strahlung]] aus ''[[Radioaktivität|radioaktiven]]'' Quellen, beispielsweise [[Alphastrahlung|Alpha-]], [[Betastrahlung|Beta-]] oder [[Gammastrahlung]]. Letztere zählt man auch zur [[Ionisierende Strahlung|ionisierenden Strahlung]]. Siehe auch die anderen [[Strahlenquelle|Strahlungsarten]].

== Geschichte ==
Die Geschichte der Ionenstrahlen beginnt mit der Untersuchung der [[Alphastrahlung]] durch [[Ernest Rutherford]] 1911.<ref>{{Literatur |Autor=E. Rutherford |Titel=The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom |Datum=2012-02-01 |Sprache=en |ISSN=1478-6435 |DOI=10.1080/14786435.2011.617037 |Online=https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/14786435.2011.617037}}</ref> Die „Ionenquelle“ bestand bei Rutherford aus einem [[Radium]]präparat, dessen Alphastrahlung für [[Rutherford-Streuung|Streuversuche]] mithilfe einer [[Blei]]abschirmung [[Kollimator#Einsatzgebiete|kollimiert]] wurde.

Bereits 1928 wurden mit einem [[Linearbeschleuniger|Driftröhrenbeschleuniger]] erste Ionen künstlich beschleunigt. In den folgenden Jahren wurden [[Cockcroft-Walton-Beschleuniger]] und andere Gleichspannungsbeschleuniger zur Beschleunigung von Teilchen auf Ziele auf ein in der Forschung genutzt.

Mit Experimenten von beschleunigten (geladene) [[Proton]]en auf ein [[Lithium]]-Target gelang [[John Cockcroft|Cockcroft]] und [[Ernest Walton|Walton]] 1932<ref>{{Literatur |Autor=Cockcroft, Walton |Titel=Experiments with high velocity positive ions.―(I) Further developments in the method of obtaining high velocity positive ions |Sammelwerk=Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character |Band=136 |Nummer=830 |Datum=1932-06 |Sprache=en |ISSN=0950-1207 |DOI=10.1098/rspa.1932.0107 |Seiten=619–630 |Online=https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.1932.0107 |Abruf=2025-01-17}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Cockcroft, Walton |Titel=Experiments with high velocity positive ions. II. -The disintegration of elements by high velocity protons |Sammelwerk=Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character |Band=137 |Nummer=831 |Datum=1932-07 |Sprache=en |ISSN=0950-1207 |DOI=10.1098/rspa.1932.0133 |Seiten=229–242 |Online=https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.1932.0133 |Abruf=2025-01-17}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Cockcroft, Walton |Titel=Experiments with high velocity positive ions IV—the production of induced radioactivity by high velocity protons and diplons |Sammelwerk=Proceedings of the Royal Society of London. Series A - Mathematical and Physical Sciences |Band=148 |Nummer=863 |Datum=1935-01 |Sprache=en |ISSN=0080-4630 |DOI=10.1098/rspa.1935.0015 |Seiten=225–240 |Online=https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.1935.0015 |Abruf=2025-01-17}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Cockcroft, Walton |Titel=Experiments with high velocity positive ions V—Further experiments on the disintegration of boron |Sammelwerk=Proceedings of the Royal Society of London. Series A - Mathematical and Physical Sciences |Band=154 |Nummer=881 |Datum=1936-03-02 |Sprache=en |ISSN=0080-4630 |DOI=10.1098/rspa.1936.0049 |Seiten=246–261 |Online=https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.1936.0049 |Abruf=2025-01-17}}</ref> erstmals die Beobachtung einer durch künstlich beschleunigte Teilchen ausgelösten Kernreaktion (Spaltung in Fragmente, jedoch ''keine'' [[Kernspaltung]] durch (langsame) Neutronen. Die Letztere wurde durch [[Otto Hahn]] und [[Fritz Straßmann|Fritz Straßman]] erst 1938 entdeckt.). ''„Für ihre Pionierarbeit zur Transmutation von Atomkernen durch künstlich beschleunigte Atomteilchen“'' erhielten sie dafür den [[Nobelpreis für Physik]] in dem Jahr 1951.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1951/summary/ |titel=The Nobel Prize in Physics 1951 |sprache=en-US |abruf=2025-01-17}}</ref>

Im Verlauf der 1930er Jahre wurden die [[Elektronenoptik|Elektronen-]] und Ionenoptik zur Reife gebracht: Mithilfe magnetischer Felder ist es möglich, einen Ionenstrahl ähnlich einem Lichtstrahl zu fokussieren und so ohne Aufweitung des Strahls zu transportieren.

Die während des Zweiten Weltkrieges gewonnenen Erkenntnisse im Bereich der [[Mikrowellen]]erzeugung kamen der Weiterentwicklung der Wechselfeldbeschleuniger für Ionen zugute (siehe [[Linearbeschleuniger]], [[Synchrotron]]). Kurz nach dem Zweiten Weltkrieg wurde das „[[Prinzip der Starken Fokussierung]]“<ref>{{Literatur |Autor=Ernest D. Courant, M. Stanley Livingston, Hartland S. Snyder |Titel=The Strong-Focusing Synchroton—A New High Energy Accelerator |Sammelwerk=Physical Review |Band=88 |Nummer=5 |Datum=1952-12-01 |Sprache=en |ISSN=0031-899X |DOI=10.1103/PhysRev.88.1190 |Seiten=1190–1196 |Online=https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.88.1190 |Abruf=2025-01-17}}</ref> entdeckt, das für die Entwicklung von [[Hochenergiephysik|Hochenergie]]-Ionenbeschleunigern entscheidend wurde.

== Erzeugung ==
Ionenstrahlen werden heute in spezialisierten [[Ionenquelle]]n erzeugt.<ref>{{Literatur |Autor=M. Stanley Livingston |Titel=Ion Sources for Cyclotrons |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=18 |Nummer=3 |Datum=1946-07-01 |ISSN=0034-6861 |DOI=10.1103/RevModPhys.18.293 |Seiten=293–299 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.18.293 |Abruf=2025-11-24}}</ref> Der zu wählende Typ der Quelle hängt ab von den Anforderungen an [[Bewegungsenergie|Energie]], [[Elektrische Ladung|Ladungszustand]], [[Elektrischer Strom|Gesamt- oder Pulsstrom]] und [[Ion]]enspezies. Deshalb sind an manchen Beschleunigeranlagen verschiedene, abwechselnd benutzbare Ionenquellen installiert.

Der Ionenstrahl wird stets im [[Vakuum]] erzeugt. Dazu werden zunächst neutrale [[Atom]]e mithilfe verschiedener Techniken ionisiert. In der Ionenquelle findet sich auch die erste Beschleunigungsstufe, die mithilfe eines elektrischen [[Elektrisches Feld|Feldes]] den Ionen eine Hauptbewegungsrichtung vorgibt. Erst nach diesem Schritt kann von einem Ionenstrahl gesprochen werden.

Für einige Anwendungen reicht die Ausgangsenergie einer Ionenquelle aus und der Ionenstrahl kann direkt verwendet werden. Andere Anwendungsgebiete, speziell die [[Kernphysik|Kern-]] und [[Teilchenphysik]]<ref>{{Literatur |Autor=Roger M. White, David A. Resler, Stephen I. Warshaw |Titel=Evaluation of Charged-Particle Reactions for Fusion Applications |Sammelwerk=Nuclear Data for Science and Technology |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=1992 |Sprache=en |ISBN=978-3-642-63473-4 |DOI=10.1007/978-3-642-58113-7_230 |Seiten=834–839 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-642-58113-7_230 |Abruf=2025-01-17}}</ref> erfordern höhere Energien, für die die Ionen in einem Teilchenbeschleuniger weiter beschleunigt werden müssen.

== Anwendungen in der Forschung ==
[[Datei:Nanofluidics channels (33411553986).jpg|mini|Mikroskopisch kleine Kanäle eines Flüssigkeitssensors, hergestellt durch Ionenstrahlbearbeitung einer Silicium-Platte (Kanalbreite etwa 18 µm)]]In der Forschung werden Ionenstrahlen ähnlich wie [[Elektronenstrahl]]en in der [[Teilchenphysik|Teilchen-]], [[Kernphysik|Kern-]] und [[Atomphysik]] eingesetzt. Meist kommt mit der Ionenquelle ein [[Teilchenbeschleuniger]] ([[Zyklotron]], [[Linearbeschleuniger]] etc.) zum Einsatz, um die Ionen auf die jeweils erforderliche Energie zu bringen. [[Schwerion]]enstrahlen haben ebenfalls Anwendungen zum Beispiel in der Medizin ([[Schwerionentherapie]]).

Ionen- oder auch [[Elektronenstrahl]]ung wurde zeitweise als Energiequelle (Treiber) für die sog. [[Trägheitsfusion]] untersucht. Beinahe alle großen Anlagen basieren heutzutage jedoch auf Hochenergie-[[Laser]]n.

In der Raumfahrt werden [[Ionenantrieb|Ionenstrahltriebwerke]] erforscht und erprobt.<ref name="AccIndustry">{{Literatur |Autor=Robert W. Hamm, Marianne E. Hamm |Titel=The beam business: Accelerators in industry |Sammelwerk=Physics Today |Band=64 |Nummer=6 |Datum=2011 |DOI=10.1063/1.3603918 |Seiten=46}}</ref>

== Industrielle Anwendungen ==
[[Datei:ZEISS Crossbeam 550- Your FIB-SEM for High Throughput 3D Analysis and Sample Preparation (33411552526).jpg|mini|Vakuumanlage, mit der unter anderem Mikrobearbeitung mit einem fokussierten Ionenstrahl möglich ist]]In der Industrie finden Ionenstrahlen niedrigerer Energien im Energiebereich bis zu einigen Mega[[elektronenvolt]] Anwendung vor allem zur [[Ionenimplantation]], z. B. in der [[Halbleitertechnik]] und in [[Focused Ion Beam|Focused-Ion-Beam]]-Verfahren für Mikroskopie und Materialbearbeitung sowie Massenspektrometrie ([[Sekundärionen-Massenspektrometrie]]). Auch zur [[Isotopenanalyse]] werden Ionenstrahlen eingesetzt: Bei der [[Beschleuniger-Massenspektrometrie]] wird ein Ionenstrahl aus einem Material unbekannter Isotopenzusammensetzung erzeugt. Die Zusammensetzung wird dann mittels der Unterschiede in den ionenoptischen Eigenschaften verschiedener Isotope ermittelt, so dass auf Alter oder der Herkunft des Materials geschlossen werden kann.

Höherenergetische Ionenstrahlen werden zur Erzeugung von [[Radionuklid]]en und [[Neutron]]en<ref>{{Literatur |Autor=A. S. Tsybin, A. E. Shikanov |Titel=Neutron generation in small sealed accelerating tubes |Sammelwerk=Soviet Physics Journal |Band=28 |Nummer=8 |Datum=1985-08 |Sprache=en |ISSN=0038-5697 |DOI=10.1007/BF00895162 |Seiten=609–632 |Online=http://link.springer.com/10.1007/BF00895162 |Abruf=2025-01-17}}</ref> für die Medizin und Materialanalyse verwendet.<ref>{{Literatur |Autor=J. Csikai, R. Dóczi |Titel=Applications of Neutron Generators |Sammelwerk=Handbook of Nuclear Chemistry |Verlag=Springer US |Ort=Boston, MA |Datum=2011 |Sprache=en |ISBN=978-1-4419-0719-6 |DOI=10.1007/978-1-4419-0720-2_32 |Seiten=1673–1693 |Online=https://link.springer.com/10.1007/978-1-4419-0720-2_32 |Abruf=2025-01-17}}</ref>

In der [[Halbleitertechnik|Halbleiter-]] und [[Vakuumtechnik]] können [[dünne Schichten]] (Oberflächen) durch [[Ionenstrahllithografie]] erzeugt werden.

== Literatur ==

=== Fachliteratur ===
{{Siehe auch|Strahlung}}

* {{Literatur |Titel=The Physics and Technology of Ion Sources |Hrsg=Ian G. Brown |Auflage= |Verlag=Wiley |Datum=2004 |Sprache=en |ISBN=978-3-527-40410-0 |DOI=10.1002/3527603956}}
* {{Literatur |Autor=Stanley Humphries |Titel=Principles of Charged Particle Acceleration |Verlag=Wiley |Ort=New York |Datum=1986 |Sprache=en |Reihe=A Wiley-Interscience Publication |ISBN=978-0-471-87878-0 |Online=https://archive.org/download/principlescharge00hump/principlescharge00hump.pdf}}
* {{Literatur |Autor=[[John Lawson (Physiker)|J. D. Lawson]] |Titel=The physics of charged-particle beams |Verlag=Oxford University Press; Clarendon Press |Ort=Oxford |Datum=1977 |Sprache=en |Online=https://archive.org/details/physicsofcharged0000laws}}
* {{Literatur |Autor=A. O. Hanson, R. F. Taschek, J. H. Williams |Titel=Monoergic Neutrons from Charged Particle Reactions |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=21 |Nummer=4 |Datum=1949-10-01 |Sprache=en |DOI=10.1103/RevModPhys.21.635 |Seiten=635–650}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4162347-2|LCCN=sh85067792}}

[[Kategorie:Teilchenphysik]]
[[Kategorie:Kernphysik]]

Ionenstrahl - Versionsgeschichte

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