Maurer, Christoph (2017)
Untersuchungen zu ionenstrahlinduzierter Desorption von kryogenen Oberflächen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ein zentraler Bestandteil der Facility for Antiproton and Ion Research, kurz FAIR, ist das supraleitende Schwerionensynchrotron SIS100. Es wird die hochintensiven Ionenstrahlen für zahlreiche, dort geplante Vorhaben liefern. Dabei ist die maximale Anzahl an Strahlionen, die in einem Zyklus beschleunigt werden können unter anderem durch die Raumladungsgrenze und ihre maximale kinetische Energie durch die magnetische Steifigkeit der Anlage beschränkt. Je höher der Ladungszustand des Ions, desto höher die erreichbare Energie, aber desto niedriger die erreichbare Intensität.

Um hochintensive Strahlen zu erzeugen, müssen daher Ionen mittlerer Ladungszustände beschleunigt werden. Das verschiebt die Raumladungsgrenze zu höheren Intensitäten und vermeidet gleichzeitig beim Strippingverluste. Für ein solches Strahlion ist jedoch die Wahrscheinlichkeit, bei einer Wechselwirkung mit einem Restgasteilchen den Ladungszustand zu ändern größer, als für hochgeladene Ionen. Eine solche Umladung führt unweigerlich zum Verlust des Teilchens auf den Wänden des Strahlrohrs. Dabei kommt es zu einer Gasemission von den so bestrahlten Bereichen, der so genannten \emph{ionenstrahlinduzierten Desorption}. Die resultierende, lokal erhöhte Restgasteilchendichte führt zu weiteren Umladungsprozessen, welche wiederum zu Strahlverlust auf den Wänden und nach Selbstverstärkung dieses Prozesses zum vollständigen Verlust des Strahls führen kann. Die Teilchenzahl wird (anstelle der Raumladung) durch diesen dynamischen Vakuumeffekt limitiert.

Dies ist ein dynamischer Prozess, dessen Ausprägung hauptsächlich von zwei Randbedingungen abhängt: Der initialen Strahlintensität und dem Desorptionsverhalten der getroffenen Oberflächen. Letzteres wird in dieser Arbeit näher untersucht. In Hinblick auf die kryogenen Abschnitte im SIS100 liegt dabei ein besonderes Gewicht auf dem Einfluss der Targettemperatur. Es wurde, aufbauend auf frühere Arbeiten, ein Messstand konzipiert, am SIS18 aufgebaut und eingesetzt. Da das SIS18 prinzipbedingt keinen kontinuierlichen Strahl liefert, wurde mit Einzelschüssen statt mit kontinuierlicher Bestrahlung gemessen. Dies führt auf einen weiteren Fokus dieser Arbeit. Um die Auswertung derartiger Einzelschussmessungen zu verbessern, wurde eine Methode entwickelt, mit der Randbedingungen wie die Kammergeometrie und die angeschlossenen Pumpen berücksichtigt werden können. Dazu ist eine Charakterisierung des Aufbaus mit Gasdynamiksimulationen notwendig. Mit den so gewonnen Informationen lässt sich die Desorptionsausbeute, also die Anzahl desorbierter Restgasteilchen pro einschlagendem Ion, genauer bestimmen als zuvor. Diese ist eine zentrale Größe für das dynamische Vakuum: bei niedrigen Desorptionsausbeuten bleibt das Vakuum auch bei höheren Strahlintensitäten stabil.

Konkret ist für den Betrieb des supraleitenden SIS100 bei hohen Intensitäten die Minimierung der Desorption von kryogenen Substraten notwendig. Im Zuge einer dazu durchgeführten Versuchsreihe wurde bei kryogenem Target eine andere Abhängigkeit der Desorptionsrate von der Strahlenergie festgestellt, als bei vorangegangenen Raumtemperaturmessungen. Diesen Effekt mit den erwähnten Methoden zu untersuchen ist ein weiterer Teil dieser Arbeit. Gleichzeitig wurden diverse Targets bei Raumtemperatur hinsichtlich ihrer Desorptionseigenschaften untersucht. Dabei hat sich der Einfluss ihrer Oberflächenbeschaffenheit im Gegensatz zu früheren Messungen als vergleichsweise schwach herausgestellt.

Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden und erzielten Ergebnisse stellen einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis des Desorptionsprozesses dar.

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