Experimental and simulated sputtering of Gold, Iron and Wollastonite with a Catcher-QCM setup

Abstract

Sonnenwind-Ionen, die auf die Oberfläche von Gesteinskörpern wie Mond oder Merkur treffen, verursachen eine starke Veränderung dieser Oberflächen durch einen Prozess, der als Weltraumverwitterung bezeichnet wird. Außerdem bildet sich eine dünne Exosphäre aus zerstäubtem Material, welches untersucht werden kann, um Rückschlüsse auf die Oberflächenzusammensetzung des betrachteten Planeten, Mondes oder Asteroiden zu ziehen. Ein genaues Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse kann dabei einen wichtigen Beitrag zur Erforschung dieser Objekte leisten und die Ermittlung experimenteller Daten, die diese Effekte beschreiben, stellt eine bedeutende Verbesserung für die Forschung im Bereich der Weltraumverwitterung und der Exosphären-Bildung dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich sowohl experimentell als auch theoretisch mit der Untersuchung des Zerstäubungsverhaltens verschiedener Materialien. Dabei kommt ein experimenteller Aufbau zum Einsatz, beim dem eine QuarzkristallMikrowaage (QCM) als Auffänger für zerstäubtes Material verwendet wird. Die untersuchten Proben sind Au, um den Aufbau zu testen, Fe, um den Einfluss verschiedener Oberflächenrauigkeiten zu untersuchen, und Wollastonit, ein MondAnalogmaterial, das sich für erste realistische Untersuchungen des Zerstäubens durch Sonnenwind-Ionen eignet. In Kapitel 1 werden die Motivation für diese Arbeit und eine Zusammenfassung der für die durchgeführten Experimente relevanten Zerstäubungseffekte präsentiert und in Kapitel 2 werden die QCM-Methode zur Messung von Zerstäubungsausbeuten und der Auffängeraufbau, der eine indirekte Untersuchung der Zerstäubung ermöglicht, beschrieben. Außerdem wird ein überblick über die verwendeten Techniken zur Probenpräparation und -analyse gegeben. Die Simulation der Auffänger-QCMMessungen und die dafür verwendeten Computer-Programme werden in Kapitel 3 behandelt, das auch eine Beschreibung der Simulationen rauer Oberflächen mit dem Programm SDTrimSP-2D beinhaltet. Die Resultate der Messungen werden schließlich in Kapitel 4 präsentiert und mit den Ergebnissen der Berechnungen verglichen. Das Fazit in Kapitel 5 fasst die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zusammen und erläutert, wie der Auffängeraufbau in Zukunft verbessert werden kann. Die experimentellen und die theoretischen Resultate stimmen bei allen verwendeten Proben und einem Großteil der untersuchten Parameter sehr gut überein. ii Diese vielversprechenden Ergebnisse mit dem neuen Aufbau eröffnen damit neue Möglichkeiten für realistischere Untersuchungen der Zerstäubung durch SonnenwindIonen, zum Beispiel mit Steinoder Pulverproben. Die mit SDTrimSP berechneten Teilchen-Verteilungen des zerstäubten Materials, mit denen sich die experimentellen Resultate verlässlich reproduzieren lassen, sind daher auch geeignet, die Bildung von Exosphären zu simulieren.

When ions of the solar wind hit rocky bodies such as the Moon or Mercury they have a major effect on the surface of these bodies in a process called space weathering. Furthermore, sputtered material forms a thin exosphere that can be investigated in order to gain information about the body™s surface. A detailed understanding of the underlying physical processes can give important insights into planets, moons and asteroids. Establishing experimental data for these effects is a very important improvement for research on space weathering and exosphere formation. This thesis describes both experimental and theoretical investigations of sputtering measurements of various targets with a setup where a quartz crystal microbalance (QCM) is used as a catcher to collect sputtered material. These targets include Au for testing purposes, Fe for investigating surface roughness effects and Wollastonite (CaSiO3), which represents a moon analogue material for investigating sputtering by solar-wind ions. In Section 1, the motivation will be presented along with a background on the sputtering effects relevant for this thesis. Section 2 then describes the QCM technique for measuring sputtering yields as well as the catcher-QCM setup, which allows indirect sputtering measurements. Furthermore, an overview of the sample preparations and analysis techniques that were performed is given. The theoretical approach for simulating catcher-QCM measurements and the software used are presented in Section 3, along with a description of simulating rough surfaces with SDTrimSP2D. Finally, Section 4 presents experimental results along with a comparison to simulation results and discusses how the differences in them can be explained. The conclusion in Section 5 gives a summary of the knowledge gained through this thesis and describes how the catcher-QCM setup might be improved in the future. Both experiments and simulations show a very good agreement over a wide variety of parameters for all investigated samples. Showing the feasibility of the catcher setup opens up several possibilities for more realistic measurements of the solar-wind sputtering using rock or powder targets. The coinciding results of the experiments also indicate that the particle distributions of the sputtered materials provided by SDTrimSP can very confidently be used for simulating exosphere formations.