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Untersuchungen zu ionenstrahlinduzierter Desorption von kryogenen Oberflächen

Maurer, Christoph :
Untersuchungen zu ionenstrahlinduzierter Desorption von kryogenen Oberflächen.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6573]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6573

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.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Maurer, Christoph
Titel: Untersuchungen zu ionenstrahlinduzierter Desorption von kryogenen Oberflächen
Sprache: Deutsch
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.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
Hinterlegungsdatum: 30 Jul 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6573
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-65734
Gutachter / Prüfer: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H. ; Pietralla, Prof. Dr. Norbert
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 3 Juli 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
A central component of FAIR, the Facility for Antiproton and Ion Research, will be the superconducting heavy ion synchrotron SIS100, which is supposed to provide reliable, high intensity beams for various applications. Its beam intensity is governed by the space charge limit, while the maximum energy is determined by the machine's magnetic rigidity. That means, ions with higher charge state can be accelerated to a higher energy, but with less intensity. For highest intensity beams, intermediate charge states have to be used instead of high charge state ions. This alleviates the issue of space charge but gives rise to dynamic vacuum effects, which also limit beam intensity: beam particles collide with residual gas particles, which leads to charge exchange and their subsequent loss. Impacting on the chamber wall, these ions release adsorbed gas particles. This process is called desorption and leads to a localized increase in pressure, which in turn causes more charge exchange. After a few rounds of self amplification, this can lead to total beam loss. This "runaway-desorption" is typically the main beam intensity limiting process for intermediate charge state (heavy) ion beams. The extent of this phenomenon is governed by two factors: the initial beam intensity and the desorption yield. The latter is examined within the scope of this thesis. Special emphasis is placed on the influence of the target's temperature, since the SIS100 will be a superconducting machine with cryogenic vacuum chamber walls. In order to investigate this topic, an experimental setup has been devised, built at the SIS18 and taken into commission. Based on the experience gained during operation, it has been continuously improved and extended. Another central innovation presented in this thesis is the use of gas dynamics simulations for an improved method of data analysis. Using this technique, environmental conditions like the chamber geometry and the connected pumps can be taken into account. This method can be extended to any desorption experiment employing the single shot method for measurement. Of special interest for the operation of the SIS100 at high intensities is the minimization of desorption from cryogenic surfaces. A previous examination of this topic found a breakdown of the familiar scaling of the desorption yield with the beam's energy loss for cryogenic targets. Further examination of this effect with the techniques described above is another goal of this thesis. Simultaneously, desorption measurements at room temperature for several other targets have been conducted. An unexpected result of these experiments is the influence of target surface properties, which was found to be very weak in comparison to previous results. The methods developed during this thesis, along with the results gained by their application, represent another step towards the comprehension of (heavy) ion beam induced desorption.Englisch
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