Title: Design of an electron beam ion source for experiments with ultrafast timing resolution using SIMION simulations
Language: English
Authors: Fries, Johanna 
Qualification level: Diploma
Keywords: Ionenquelle; Ionenstrahlsimulationen
ion source; ion trajectory simulations
Advisor: Aumayr, Friedrich  
Assisting Advisor: Wilhelm, Richard Arthur  
Issue Date: 2020
Number of Pages: 57
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Das time4ions Projekt soll es zukünftig möglich machen, ultrakurze Ionenpulse zu erzeugen und mit deren Hilfe Ionisationsprozesse auf sehr kleinen Zeitskalen zu untersuchen. Dafür wird eine Ionenquelle konstruiert, um damit verschiedene Prozesse, die während einer Ionen- Festkörper-Wechselwirkung passieren, in Echtzeit zu analysieren. Bisher ist es möglich, nur die Zustände nach einer solchen Wechselwirkung zu betrachten und daraus Rückschlüsse auf die stattgefundenen Prozesse zu ziehen, nicht aber derartige Wechselwirkungen direkt zu untersuchen. Da diese auf unterschiedlichen Zeitskalen passieren, können auch nur gewisse Prozesse mit herkömmlichen Ionenstrahlen aufgelöst werden, nämlich jene die nicht unter dem Nanosekunden-Bereich stattfinden. Mithilfe der generierten ultrakurzen Ionenpulse (π10Picosekunden) soll es nun möglich werden, auch kleinere Zeitskalen bis unter den Picosekunden-Bereich direkt zu untersuchen.Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, erste Simulationen für das time4ions Projekt durchzuführen. Dafür wird das bekannte Konzept einer Elektronenstoßionenquelle (EBIS) verwendet und auch adaptiert, um Ionentrajektorien mit der Simulationssoftware SIMION zu simulieren. Als Basis dient ein kommerziell verfügbares Design einer Elektronenstoßionenquelle, welches im Laufe der Arbeit modifiziert wird. Nachdem einige Teile innerhalb der computerunterstützten Soft- ware SOLIDWORKS bearbeitet wurden, können verschiedenen Simulationsgeometrien für einen optimalen Aufbau analysiert werden. Diese Geometrien können in SIMION geladen werden und fungieren als Simulationsvolumen für die Simulation der Trajektorien. Innerhalb der Simulationssoftware SIMION werden die verschiedenen Teilcheneigenschaften festgelegt, zum Beispiel die Ionensorte und der Ladungszustand, die Startpositionen und die Geschwindigkeitsvektoren der Teilchen. Die Berechnung der Geschwindigkeit setzt sich aus zwei Teilen zusammen: zum einen aus dem Beitrag der Elektronenstoßionisation, die in einer EBIS stattfindet, und zum anderen aus einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung, die die Temperatur im experimentellen Aufbau repräsentieren soll. Innerhalb der Datenauswertung mit Python wird schlussendlich die Pulsbreite der simulierten Ionen bestimmt. Die Daten werden derart gefiltert, um einen experimentell eingesetzten elektrostatischen Energieanalysator nachzuahmen. Um möglichst niedrige Pulsbreiten zu erhalten, werden unter Verwendung der oben genannten Methodik die verschiedenen Parameter, wie zum Beispiel die Elektrodenspannungen, die Position für die Datenerfassung, Temperatur und elektrisches Feld variiert, um die Ionenpulsbreiten zu minimieren. Zudem wurde ein optimierter Parametersatz verwendet, womit Pulsbreiten im Picosekunden-Bereich erreicht werden konnten.

Within the time4ions project, an ion source will be constructed to generate ultrashort ion pulses. With these pulses, dierent processes during the ion-solid interaction will be investigated in real time. Until now, only the final states after an ion-solid interaction can be investigated without the opportunity to study the dynamics of the processes directly. Be- cause these interactions occur on many dierent time scales, only processes in a range larger than some nanoseconds can be observed. With ultrashort ion pulses of π10picoseconds it will be enabled to investigate interaction processes in an even lower time regime, aiming to reach the sub-picosecond range.The objective of this master’s thesis is to perform first simulations for the time4ions project. Therefore, the established electron beam ion source (EBIS) concept is used and adapted to simulate ion trajectories with the help of SIMION simulations. Starting from the design of a commercial EBIS, several parts are adapted within the computer-aided design (CAD) soft- ware SOLIDWORKS. This results in dierent simulation geometries aiming for an optimum time4ions setup. These adapted geometries, given in form of a CAD drawing are further- more implemented into SIMION and act as a basis for particle trajectory simulations. Within SIMION, the dierent particle properties are defined, including the ion species and charge state, the ions’ starting positions and a velocity distribution. The calculation of the velocity vectors includes a contribution coming from the electron impact ionisation occurring in an EBIS and a Maxwell Boltzmann distribution for the ambient temperature.Evaluating the recorded simulation data, the ion pulse width of the simulated ion beam is determined within a Python program. The data is filtered with respect to the ion energy similar to an electrostatic energy analyser in the experimental realisation of the setup. Applying the mentioned methods, various parameters such as the electrode voltages, the recording positions, the temperature and the electric field are varied and analysed with the aim of a decreasing ion pulse width. Using an optimised parameter set, ion pulse widths in the range of a few picoseconds could be achieved.
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.71235
DOI: 10.34726/hss.2020.71235
Library ID: AC16053651
Organisation: E134 - Institut für Angewandte Physik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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