25.06.2007
Beim Experiment Ionenakkumulation wird die Masse akkumulierter Ionen und damit auch die Messunsicherheit von der Höhe des Ionenstroms am Kollektor bestimmt. Um mit der bestehenden Apparatur den maximalen Ionenstrom zu erzielen, wurden Simulationen und Messungen durchgeführt, mit denen die Parameter Gasdruck und Extraktionsspannung in der Ionenquelle sowie die Transmission des Dipolmagneten optimiert wurden.
Beim Experiment Ionenakkumulation ist es wichtig, den größtmöglichen Ionenstrom aus der Ionenquelle zu extrahieren und zum Ort der Akkumulation, dem Kollektor, zu transportieren. Die maximale Stromdichte, jCL, die aus der Quelle extrahiert werden kann, ist theoretisch durch die Child-Langmuir-Gleichung gegeben:
Dabei ist q die Ladung und m die Masse der Ionen. U ist die Extraktionsspannung, d der Abstand zwischen Extraktions-Elektrode und Abschirm-Elektrode und e0 die elektrische Konstante. Bei der vorgegebenen Geometrie des verwendeten Extraktions-Systems (Trioden-1-Loch-System) kann gemäß diesem Gesetz, bei einer Extraktions-Spannung von üblicherweise 25 kV, ein Ionenstrom von ca. 4 mA einfach geladener Ionen erzeugt werden. Vorraussetzung für einen optimalen Weitertransport sind möglichst parallele Ionentrajektorien in Bezug auf die optische Achse („matched case“). Bild 1 zeigt Simulationen des Extraktions-Systems der Ionenquelle. Fall a) ist der so genannte „matched case“, bei dem die Ionen die Quelle auf parallelen Bahnen verlassen. Bild b) und c) zeigen Simulationen, bei denen die Plasma-Dichte um einen Faktor 10 kleiner (b) bzw. einen Faktor 10 größer (c) als im „matched case“ ist. Die optimale Plasma-Dichte gilt immer nur für spezielle Spannungs-Verhältnisse im Extraktions-System. Verändert man die Spannungen auch mit optimaler Plasma-Dichte, dann ergeben sich die Verhältnisse wie in Bild (d) und (e).
Bild 1: Berechnete Ionentrajektorien im Extraktions-System der Ionenquelle unter Verwendung des Simulationsprogramms IGUN. Dargestellt ist die obere Hälfte des aus drei Elektroden bestehenden Extraktions-Systems sowie die am Plasma-Meniskus startenden Ionentrajektorien.
Wie die Simulationen zeigen, hängt die optimale Extraktion sehr entscheidend von der Plasmadichte in der Ionenquelle und somit vom Druck des Arbeitsgases ab. Bei optimaler Transmission hat der Ionenstrahl die kleinste Divergenz und erfährt daher beim Passieren des Dipolmagneten die geringsten Verluste. An der Ionenstrahlapparatur wurden deswegen Transmissionsmessungen durch den doppelt fokussierenden Dipolmagneten vorgenommen um den „matched case“ zu ermitteln. Dabei wird der Ionenstrom hinter der Quelle und hinter dem Magneten jeweils mit einem DC-Current-Transformer (Bergoz MCP) gemessen. Der Gaszufluss in die Ionenquelle wurde mit einem Nadelventil, das durch einen Schrittmotor verstellt werden kann, geregelt. Der Druck wird direkt hinter der Quelle mit einem Drucksensor (Pfeiffer-Vacuum PKR 251) gemessen. Bild 2 zeigt die Transmissionsmessung in Abhängigkeit vom Druck für verschiedene Extraktionsspannungen. Daraus ist zu entnehmen, dass die maximale Transmission bei ca. 40% liegt. Eine wichtige Erkenntnis dieser Messungen ist die Druckabhängigkeit einer optimalen Extraktion aus der Quelle.
Bild 2: Gemessene Transmission des Ionenstromes durch den Dipolmagneten der Ionenstrahl-Apparatur als Funktion des Vakuumdrucks unmittelbar hinter der Ionenquelle bei verschiedenen Extraktionsspannungen.
Zusammenfassend zeigt Bild 3 den maximalen Ionenstrom als Funktion der Extraktions-Spannung, den man sowohl aus der Messung als auch aus der Simulation erhält. Die experimentellen Werte sind die Ströme, die beim Maximum der Transmission gemessen wurden, die Werte der Simulation entsprechen denen der „matched case“-Extraktion. Die gestrichelte Linie zeigt den theoretischen Verlauf gemäß dem Child-Langmuir-Gesetz. Die experimentellen und berechneten Ströme reproduzieren sehr gut den theoretischen Verlauf. Mit der durchgeführten Transmissions-Optimierung wurde es somit möglich, den maximal möglichen Strom aus der Ionenquelle zu extrahieren.
Bild 3: Maximaler Ionenstrom für den „matched case“, der aus der Ionenquelle extrahiert werden kann als Funktion der Extraktions-Spannung.
Ansprechpartner:
Ch. Schlegel, FB 1.2, AG 1.24, christian.schlegel@ptb.de