Der Beschleuniger

Ein positiv geladener Ionenstrahl wurde mittels einer Elektron-Zyklotron-Resonanz-quelle (EZR, „Nanogan“ von der Firma Pantechnik S.A.; Bayreux, Frankreich; Ab-bildung 3.1 (a)) erzeugt. In den Quellbereich (AbAb-bildung 3.1 (a), (1)-(2)) werden Gas-Atome oder -Moleküle über die Regulierung mit einem Nadelventil eingelassen und durch Elektronenstöße ionisiert. Die Effizienz des Vorgangs wird durch einen N dF eB-Permanentmagneten um den Quellbereich gesteigert. Es handelt sich um eine Minimum-B-Struktur, was bedeutet, dass das Magnetfeld im Inneren der Quelle minimal ist und nach außen hin aufB = 0.72 T zunimmt [85]. Die Elektronen werden so auf Schraubenbahnen um die Magnetfeldlinien gezwungen. Die Mikrowellenfre-quenz wurde zu 10 GHz gewählt. Für die Elektronen entstehen in der Miminum-B-Struktur sogenannte EZR-Flächen, in denen die Mikrowellenfrequenz gerade der Zyklotronfrequenz

f_Z = e m_e

B 2π

der Elektronen entspricht. Sie ist abhängig von der spezifischen Ladung des Elek-trons und demB-Feld der Permanentmagneten. Die Elektronen werden so auf Ener-gien von bis zu 10 keV beschleunigt. Die Elektronenbahnen werden durch die ver-wendeten hohen Magnetfeldstärken und dem somit großen Radius der Spiralbahnen entsprechend lang. Dadurch und durch die hohen Energien der Elektronen, können diese vielfach mit einem Atom oder Molekül wechselwirken, sodass auch hochgela-dene Ionen (bis zu q = 20 und höher [85, 87]) erzeugt werden können.

3 Experimenteller Aufbau

Abbildung 3.1: Darstellung des experimentellen Aufbaus der EZR1-Anlage. (a) Der Beschleuniger. (b) Die Streukammer (Details siehe Text; aus [23]

entnommen).

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3.1 Der Beschleuniger

Durch Ionisation freiwerdende Elektronen werden beschleunigt und können so ih-rerseits weitere Atome oder Moleküle ionisieren. So wird ein Plasma erzeugt und erhalten. Typische Gasdrücke befanden sich im Bereich von 10⁻⁵-10⁻⁴ mbar, typi-sche Mikrowellenleistungen im Bereich einiger Watt. Für die Messungen im Rahmen dieser Arbeit wurden typischerweise die Gase ³He,⁴HeundH (undH₂) verwendet, welche über „Minicans“ an den Quellbereich angeschlossen und in ihn hinein geleitet wurden.

Die erzeugten Ionen werden durch das Anlegen einer regelbaren Absaugspannung U_a aus dem Quellbereich geführt. Der Aufbau ist für Absaugspannungen von bis zu 30 keV ausgelegt. Eine erste Fokussierung findet mittels des elektrischen Feldes einer Einzellinse statt (Abbildung 3.1 (a), (3)), bevor der Ionenstrahl in einen 90^◦ -Ablenkmagneten (Abbildung 3.1 (a), (4)) mit dem Radius R für eine Selektierung der Projektile nach der spezifischen Ladung nach

B =

mit dem regelbaren Magnetfeld B geleitet wird. Da die Selektion der Projektile nur nach der spezifischen Ladung stattfindet, können prinzipiell auch verschiede-ne Projektile mit gleicher spezifischer Ladung (zum Beispiel höher geladeverschiede-ne Ioverschiede-nen:

H₂⁺ und ⁴He²⁺ [85]) den Ablenkmagneten passieren. Deren Anteil ist bei den hier durchgeführten Experimenten vernachlässigbar [85]. Das Magnetfeld wird mittels einer Hall-Sonde gemessen. Der Anzeigewert für eine Justierung des Magnetfeldes des Ablenkmagneten ist die aus der Umrechnung des Magnetfeldes abgeleitete Pro-jektilmasse. Auf einer für Hochspannungen isolierten Plattform montiert, kann die gesamte bisher beschriebene Apparatur auf eine Hochspannung gelegt werden, so-dass die Projektile „nachbeschleunigt“ werden (Abbildung 3.1 (a), (5)). Es können dabei Spannungen von bis zu 100 kV an den Beschleuniger angelegt werden. Da sich die Beschleunigungs- und Absaugspannung addieren, können die Projektile so auf Energien von bis zu 130 keV beschleunigt werden.

Für die hier durchgeführten Experimente sind weniger die hohen, als die niedrigen Projektilenergien interessant. Die Verwendung von Absaugspannungen U_a < 2 kV ist nicht mehr effektiv, da der Beschleuniger auf Absaugspannungen von U_a = 30 keV optimiert ist und somit der Projektilstrom zu niedrig wird. Die Schaltung der

„Nachbeschleunigung“ wurde deshalb so konzipiert, dass man sie durch einfache Um-schaltung in eine Abbremsung der Projektile umwandeln kann. So können Projek-tilstrahlen für einen hohen Projektilstrom mit einer hohen Absaugspannung erzeugt und im Nachhinein abgebremst werden. Dann war es möglich mit Projektilstrahlen von E ≥100 eV zu arbeiten. Das Verhältnis zwischen Absaugspannung und letztli-cher Energie ist für ein Verhältnis von etwa 1 : 4.3 optimiert. Um einen Beitrag von bereits im Laufrohr hinter dem Ablenkmagneten durch Stöße mit Restgasatomen neutralisierten Projektile zum Projektilstrom zu vermeiden, wurden die Platten der Nachbeschleunigung bzw. Abbremsung leicht verkippt zur eigentlichen Laufrichtung des Strahles angebracht. Durch die so unterschiedlichen Laufwege, können durch die Verwendung einfacher Schlitzblenden die neutralen und somit unabgebremsten Pro-jektile ausgeblendet werden. Die Reinheit des Strahles wurde für jede Messung, also für jede eingestellte Energie, überprüft, indem nach Einstellung des Strah-les die Abbremsspannung ausgeschaltet wurde. Die dann verbleibende Intensität im Detektor entspricht dem Anteil an unabgebremsten Projektilen. Bei geschickter

3 Experimenteller Aufbau

Einstellung der Parameter des Gasdruckes, der Mikrowellenleistung, der Absaug-sowie der Beschleunigungs- bzw. Abbremsspannung, der Fokussierungslinse und der Schlitzblenden, konnte das Verhältnis von dem unabgebremsten zum abgebremsten Projektilstrahl auf (energieabhängig) ≤5−10% gesenkt werden.

Um die Projektile zu neutralisieren, wurde hinter der Beschleunigungsstrecke ein

„Gastarget“ eingebaut (Abbildung 3.1 (b), (16)). Im Wesentlichen ist es wie die Gas-quelle des Quellbereichs aufgebaut. Das Neutralisierungsgas wird mittels eines Ven-tils aus einer Minican entnommen. Vorzugsweise werden für die Neutralisierung Gase mit gleicher oder ähnlicher Ionisierungsenergie, wie die Projektile, verwendet. Im Fal-le von He-Projektilen, wurde ein He-Gas zur Neutralisierung verwendet. Aufgrund des erschwerten Pumpens von Wasserstoff, wurde statt eines H-Gases zur Neutrali-sierung vonH-ProjektilenKr verwendet. Der Gas-Druck des Neutralsierungs-Gases wurde so gewählt, dass der Druck im Laufrohr zwischen Ablenkmagneten und Ga-starget nicht über p= 2·10⁻⁶ mbar anstieg. Dieser Druck als obere Grenze, stellte einen guten Kompromiss zwischen gesteigerter Ausbeute an neutralen Projektilen und dem Druck in der Streukammer dar.

Die Breite der Energieverteilung kann mit<0.2% angegeben werden [23]. Die Null-punktsverschiebung aufgrund des Potentials des Plasmas im Quellbereich ist für die hier verwendeten Energien vernachlässigbar [23, 85].