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].

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

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.

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.

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.

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