New design of an ion source control software and investigations of ion-induced electron emission from LiF

Abstract

Diese Diplomarbeit beschreibt die Entwicklung der neuen Kontrollsoftware für die Elektron-Zyklotron-Resonanz Ionen Quelle SOPHIE, die begleitenden Änderungen am Labor Aufbau, und die durchgeführten Messungen zur Ionen-Induzierten Elektronen Emission von einem Lithium Fluorid Kristall unter Beschuss mit einfach und mehrfach geladenen Ionen.<br />Die ECRIS SOPHIE ist jetzt seit einigen Jahren im Betrieb, und wurde in dieser Zeit ein wichtiges Werkzeug für die Arbeitsgruppe. Während dieser Zeit hat sich aber auch eine Liste mit Vorschlägen für mögliche Verbesserungen und Wünschen für Änderungen für die Kontrollsoftware sowie für die Hardware der Quelle angesammelt. Deshalb war der erste Teil der Arbeit die Entwicklung einer neuen Kontrollsoftware für die Ionen Quelle, die auf diesem Feedback aufbaut. Unterstützend dazu wurden auch einige Änderungen an der Hardware der Ionen Quelle durchgeführt um die Arbeit mit SOPHIE zu vereinfachen.<br />Während die Ionen-induzierte Elektronen Emission von leitenden Oberflächen in den letzten 20 Jahren, mit Hilfe verschiedener experimenteller Methoden und theoretischer Modelle, sehr gründlich untersucht wurde, ist die IIEE von Isolator Oberflächen noch ein recht neues Forschungsgebiet. Kürzlich wurde die Elektronen Emission EE von LiF unter Beschuss mit Hochgeladen Ionen (HCI) erfolgreich mit Hilfe der Elektronen Statistik Methode gemessen. Deshalb befasst sich der zweite Teil dieser Arbeit mit der Überprüfung, ob die einfachere Strommessmethode auch für die Messung der totalen Elektronen Emissions-Ausbeute (engl. yield) auf Isolator Oberflächen eingesetzt werden kann. Verglichen mit Leitern bei denen die Strommessmethode sehr erfolgreich eingesetzt wurde, haben Isolatoren das Problem einer stark reduzierten Leitfähigkeit. Wenn aber die Ladung nicht schnell genug vom Einschlagort abtransportiert werden kann, wird kein Ionenstrom zustande kommen und das Target wird sich elektrisch aufladen.<br />Für Ionenkristalle erhöht sich aber die ionische Leitfähigkeit mit der Temperatur. Das eröffnet die Möglichkeit, dass bei ausreichend hoher Temperatur und kleinen Ionenstrahl Intensitäten, sich ein Zustand einstellt in dem die Ladung mindestens so schnell wieder abtransportiert wird, wie die einschlagenden Ionen die Ladung auf dem Target erzeugen.<br />Damit wäre es möglich den Target-Strom zu messen und Ladungseffekte am Target zu vermeiden, während sich das Target aber für die Dauer eines einzelnen Elektronen Emissionsevents (üblicherweise einige 10 -12s) wie ein Isolator verhält.<br />Die Grundlage für diese Experimente war das bereits existierende EYE Experiment. Aufgrund der hohen Leckströme mit der original Targetheizung, mussten wir einen neuen Targethalter designen ohne jeglichen direkten Kontakt zwischen dem Target und der Heizung. Die Zuverlässigkeit der Messungen mit der geänderten Apparatur wurde mit Hilfe von Simulationen in SIMION überprüft.<br />Zum Abschluss wurden Messungen für die IIEE yields von LiF bei Beschuss mit einfach und mehrfach geladenen Argon (Ar) und Xenon (Xe) Ionen durchgeführt. Für Ar Ionen wurde eine gute Übereinstimmung mit existierenden Yield Daten, welche die mit der Elektronenstatistik Methode gemessen wurden, gefunden. Für mehrfach geladene Xe Ionen (1 <=q <= 7) wurde erstmalig der totale Elektronen Emissions-yield präsentiert.<br />

The present thesis describes the new Control Software for the Electron-Cyclotron-Resonance Ion Source (ECRIS) SOPHIE, the changes that were made to the setup of the IS, and the measurements performed for Ion-Induced Electron Emission (IIEE) from an LiF crystal under ion impact.<br />The SOPHIE ECRIS has been in use for a few years now and become an important tool for the workgroup. Over the last years people have collected a list of possible improvements, requests for changes and bugs for the software and the IS. The first part of the work was to design a completely new control software, which is based on that feedback. Also some hardware changes had to be implemented to improve working with the IS.<br />While electron emission(EE) from conductors has been studied a lot in the past 20 years using different experimental setups and theoretical models, the IIEE from insulators is still a rather fresh area. Some recent works measured EE from LiF under impact of highly charged ions (HCI) using the electron emission statistics method. The aim of this work was to validate that a current method can be used for total electron yield measurements on insulators as well. Compared to conductors where the current method was used very successfully, insulators have the problem of a strongly reduced charge transport. If the charge cannot be transported away from the impact position fast enough the ion current will not work and the target will just get charged.<br />But heating of the insulator improves the mobility of the ions in the ionic crystal (ionic conductance). If the experiments can be done with a hot enough target and low enough ion currents, then we might be able to reach a state where charge is transported away with at least the same speed as the impacting ions create it. This would allow measuring the target current and avoid getting charging effects on target, while for the duration of an individual ion-induced electron emission event (typically some 10 -12s) the target would still behave as an insulator.<br />The basis for these experiments was the already existing EYE experiment.<br />Due to high blind currents with the existing filament-based target heating system, we had to design a new target holder without any direct contact between target and the heating wires. To estimate the reliability of these measurements simulations in SIMION were made.<br />Measurements were performed for singly and multiply charged Ar and Xe ion impact on LiF. In the case of Ar projectiles good agreement with the emission yields obtained by the electron statistics technique was found.<br />For multiply charged Xe ions (1 <=q <= 7) data on electron emission yields are presented for the first time.<br />