Ionenquelle SIESTA und TAPAS

SIESTA (Second Ion Experiment for Sputtering and TDS Analysis) ist ein Ionenquellenaufbau, der zur quantitativen Untersuchung der Erosion durch Zerstäubung und zur Bestimmung der Deuterium-Rückhaltung verwendet wird [1].

CAD-Zeichnung des SIESTA Experiments. In der Ionenquelle werden in einem Plasma Ionen erzeugt. Sie werden mit einer Hochspannung –typischerweise im kV-Bereich – extrahiert. In der differentiellen Pumpstufe (Differential pumping stage) wird der Großteil der aus der Quelle ausströmenden Neutralteilchen abgepumpt. Im Dipolmagnet wird der monoenergetische Ionenstrahl abgelenkt. Da diese Ablenkung von der Ionenmasse abhängt, erfolgt im Magneten eine Massenseparation. Durch Wahl des Magnetfeldes im Ablenkmagneten kann die gewünschte Ionensorte ausgewählt werden. Der monoenergetische, massenselektierte Ionenstrahl wird mit Hilfe eine Quadrupollinse auf die Proben in der Targetkammer fokussiert. Zum schnellen Probenwechsel ist SIESTA mit einer Schleusenkammer (Load-Lock) ausgestattet.

Der Aufbau von SIESTA begann 2015, und der experimentelle Teststand ist seit 2018 in Betrieb.

SIESTA Targetkammer mit geheizter Probe. Die Probe ist mit einem Drahtkäfig umgeben, um die Emission von Sekundärelektronen zu minimieren. Sekundärelektronen würden den gemessenen auftreffenden Ionenstrom verfälschen.

Ein Plasma wird in einer DuoPIGatron-Ionenquelle [2] innerhalb eines Hochspannungskäfigs betrieben. Ionen werden aus der Ionenquelle in eine differentielle Pumpstufe mit einer Extraktionsspannung im Bereich von mehreren kV extrahiert.

Der Ionenstrahl, der eine wohldefinierte Ionenenergie hat, wird im Dipolmagnet abgelenkt, wodurch ein massenselektierter, monoenergetischer Strahl der gewünschten Ionenspezies (für Untersuchungen mit Deuterium typischerweise D3+-Ionen) entsteht.

Eine magnetische Quadrupollinse wird verwendet, um den Ionenstrahl auf eine Probe zu fokussieren, die von den Ionen bombardiert wird. Mittels einer an die Probe angelegten Bias-Spannung kann die Energie der auftreffenden Ionen nach Wunsch reduziert werden, so dass Ionenbeschuss mit Ionenenergien im Bereich von 100 eV bis zu mehreren keV möglich ist. Die Probe kann vor und nach der dem Ionenbeschuss mit einer In-situ-Mikrowaage gewogen werden, um die Erosion durch Zerstäubung in Folge des Ionenbeschusses zu berechnen. Die Temperatur der zu untersuchenden Proben kann in Bereich von Raumtemperatur bis zu 1000 K variiert werden. Weiterhin ist eine Änderung des Einfallswinkels der Ionen auf der Oberfläche im Bereich von 0 bis nahezu 90° möglich.

Für den schnellen Austausch von Proben steht eine Schleuse zur Verfügung. Mit Hilfe von horizontalen und vertikalen Manipulatoren in der Schleuse kann eine Probe, die im Ionenstrahl exponiert wurde, in eine TDS-Kammer (Thermische Desorptionsspektrometrie) unterhalb der Ladeschleuse transportiert werden, ohne das Vakuum zu brechen. Hier kann die Probe geheizt werden, damit zurückgehaltenes Deuterium (oder andere Gase) von der Oberfläche desorbiert werden kann. Die desorbierten Gase werden mit einem Quadrupol-Massenspektrometer gemessen, so dass die freigesetzte Menge quantifiziert werden kann.

Abbildung 3: Prinzipskizze von TAPAS

Durch Umkehrung der Polarität des Dipolmagnets kann der Ionenstrahl von SIESTA in ein anderes Experiment umgelenkt werden: TAPAS (Test-bed for Analysis of Permeation of Atoms in Samples), mit dem die ionengetriebene Permeation von Deuterium durch Probenmaterialien untersucht wird.

CAD Modell des TAPAS-Innenraums

In TAPAS trennt eine dünne Probe zwei separate Vakuumsysteme. Deuterium-Ionen aus SIESTA beschießen die Probe von der Beladungsseite. Das Deuterium diffundiert durch die Probe, bis es die gegenüberliegende Seite (Permeationsseite) erreicht. Hier desorbieren die Deuteriumatome von der Oberfläche und das Permeationssignal wird mit einem Quadrupol-Massenspektrometer registriert.

Elektrostatische ionenoptische Elemente (eine Einzellinse, Ablenkplatten und Blenden) werden verwendet, um die Position und Größe des Ionenstrahls einzustellen. Die zu untersuchende Probe kann auf bis zu 1000 K aufgeheizt werden. Wie in der SIESTA-Targetkammer kann an die Probe eine Abbremsspannung gelegt werden, um die auftreffende Ionenenergie nach Wunsch zu reduzieren.

Die Montage von TAPAS begann 2019, und die erste experimentelle Kampagne fand im Sommer 2020 statt.

1.
R Arredondo, M. Oberkofler, K. Schmid, T. Schwarz-Selinger, W. Jacob, and R. Neu, "SIESTA: A high current ion source for erosion and retention studies," Review of Scientific Instruments 89, 103501 (2018).

2.         R.C. Davis et al., A Multiampere DuoPIGatron Ion Source, Rev. Sci. Instruments 43, 278, 1972;
            https://doi.org/10.1063/1.1685611

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