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Kleinbeschleuniger für Ionen und Molekülfragmente für Energien von 3 - 1000 eV

20.12.2016

Bild 1: Kleinbeschleuniger mit Messkammer, bestehend aus Ionenquelle (1), Strahlführungsystem mit Ge-schwindigkeitsselektor (2), Driftröhre (3) und Abbremseinheit mit Messkammer für Elektronenemissionskoef-fizienten (4).

In der Arbeitsgruppe Nanodosimetrie und Detektorentwicklung (6.52) wird ein neues nanodosimetrisches Messgerät entwickelt, mit dem die Spur ionisierender Teilchen in einem Gas mit einer Auflösung im Nanometerbereich (skaliert auf Dichte flüssigen Wassers) vermessen werden kann. Dabei handelt es sich um eine Zusammenführung der Messprinzipien der vor einigen Jahren in der Abteilung entwickelten OPAC Teilchenspurkammer [1] und des derzeit in der Arbeitsgruppe (AG) betriebenen Nanodosimeters [2]. Eine wichtige Voraussetzung für dieses Messgerät ist die Verfügbarkeit eines hocheffizienten Detektors für sehr niederenergetische Ionen in einem verdünnten Gas (ca. 1 mbar Druck). Dafür soll die Emission von Elektronen an speziellen, eigens für diesen Zweck optimierten Oberflächen durch das Ionisationspotential des sich anlagernden Ions oder Radikals genutzt werden.

Die systematische Untersuchung und Optimierung dieses Prozesses und die Identifikation geeigneter Materialien und Oberflächenmodifikationen erfordert eine geeignete Messvorrichtung, die die relevanten Ionenspezies im Energiebereich 3 – 1000 eV erzeugt und in einem gut charakterisierten Nachweissystem die Elektronenemissionswahrscheinlichkeit durch Ioneneinfall auf die zu untersuchenden Oberflächen bestimmen lässt.

Basierend auf Vorarbeiten des mit der AG kollaborierenden Weizmann Institute of Science in Rehovot/Israel wurde von diesem Institut ein Kleinbeschleuniger und eine Vakuum-Messkammer übernommen und für die hier geplanten Arbeiten optimiert [3]. Dieser Kleinbeschleuniger soll Ionen unterschiedlicher Ionisationspotentiale zwischen 5 – 24 eV mit Energien von ca. 3 eV bis 1000 eV bei Strömen von einigen nA bis hinunter zu zählbaren Teilchenraten liefern. Der Kleinbeschleuniger (Bild 1) besteht aus einer kommerziellen Ionenquelle vom Typ Colutron G1 [4] mit einem Geschwindigkeitsfilter, mit dem man die gewünschten Ionen- und Radikalspezies selektiert. Hinter einer Driftstrecke werden die im Colutron zunächst auf 1 keV beschleunigten und selektierten geladenen Teilchen in einer Ionenoptik auf die gewünschte Endenergie herabgebremst und durch den Elektronendetektor (eine Vielkanalplatte mit zentralem Loch für den Teilchenstrahl) auf die Konverterfolie bzw. die Referenzdetektoren (Sekundärelektronenverstärker mit Vorbeschleunigung) oder Faradaycup fokussiert.

In der Abbremseinheit befinden sich zusätzlich eine elektrostatische Deflektoreinheit, um den Strahl periodisch zu unterbrechen bzw.  kurze Strahlpulse herzustellen. Dadurch sind Differenzmessungen am Untersuchungsobjekt möglich, um gegenüber dem Rausch- und Störpegel des Messsignals auch relativ kleine Effekte messbar zu machen.

Für die Optimierung des Strahltransports in der Abbremseinheit sowie des Elektronentransports im Sekundärelektronendetektor wurde das System mit dem Simulationsprogramm SIMION [5] modelliert. Derzeit werden umfangreiche Simulationsrechnungen für unterschiedliche Endenergien und Teilchensorten zur Bestimmung der optimalen elektrischen Spannungen an den ionen- und elektronenoptischen Elementen der Abbrems- und Deflektoreinheit durchgeführt.

Beschleuniger, Strahlführungssystem, Geschwindigsselektor und Abbremseinheit sind fertig aufgebaut und erfolgreich mit H-, He-, N-, C-, N- und Ar- Ionen in Betrieb getestet. Die Komponenten der Messkammer wurden in den mechanischen Präparationen des Fachbereichs fertiggestellt und werden in den nächsten Wochen eingebaut. Nach Inbetriebnahme des Kleinbeschleunigers und Optimierung des Strahltransports für alle relevanten Energien und Ionen sowie der Charakterisierung des Referenzdetektors und des Elektronennachweissystems kann die systematische Vermessung der Konverterfolien beginnen.

Referenzen

  1. G. Laczko, 2007 Opens external link in new windowJINST TH 001, PhD Thesis Universität Frankfurt a. Main
  2. G. Hilgers et al, European Physical Journal D, 69 (2015), 239
  3. Zhang et al, Meas. Sci. Technol. 19 (2008) 055704
  4. Opens external link in new windowDC-100Q Ion Source, G1 ion gun, Mod 600 velocity filter
  5. Opens external link in new windowSIMION, The field and particle trajectory simulator