An Optimised catcher-QCM setup to study the sputtering of Lunar and Hermean surface regolith analogues

Abstract

Gesteinskörper im Weltraum ohne schützende Atmosphäre oder Magnetfeld erfahren eine Vielzahl von Effekten, die zur Freisetzung von Teilchen aus der Oberfläche und in weiterer Folge zur Bildung einer dünnen sogenannten Exosphäre führen können. Die Zusammensetzung dieser Exosphäre hängt in hohem Maße von den Eigenschaften der Oberfläche des Planeten oder Mondes ab und bietet somit die Möglichkeit einer Analyse ebenjener. Quantitative Modelle zur Exosphärenbildung existieren, jedoch ist insbesondere der Beitrag der Zerstäubung durch den Sonnenwind noch nicht einwandfrei durch Computersimulationen beschrieben. Diese Arbeit zielt darauf ab, experimentelle Ergebnisse bereitzustellen, um die Simulationsmethoden zu validieren.Mithilfe eines Quarzkristall-Mikrowaagen-Aufbaus (QCM) wird das Zerstäubungsverhalten relevanter Analogmaterialien zwischen zwei Probentypen verglichen: glasartige Filme einerseits und Pellets aus gemahlenem Mineralpulver andererseits. Während die dünnen Filme einfach handzuhaben sind und ihre Zerstäubungsausbeute präzise in situ und in Echtzeit untersucht werden kann, bieten die Pellets ein realistischeres Analog des Regolithmaterials, wobei Oberflächeneigenschaften wie Rauheit, Korngrößen und Kristallinität erhalten bleiben. Zwei verschiedene Minerale dienen als Proben: Wollastonit (CaSiO3) und Enstatit (MgSiO3). Der vorgestellte Aufbau wurde im Laufe dieser Arbeit verbessert, sodass die wichtigsten Schritte des Experiments automatisiert werden konnten.Für die Bestrahlung mit 2 keV Ar+ Ionen wurde als Hauptparameter für die Beschreibung des Zerstäubungsverhaltens der verschiedenen Probentypen die Oberflächenrauigkeit identifiziert. Die Unterschiede in der Zerstäubungsausbeute werden mit einem Code gut modelliert, der auf verfügbaren BCA-Simulationen (Binary Col- lision Approximation) basiert und zusätzlich die Oberflächengeometrie der Proben berücksichtigt. Die Zerstäubungsausbeute für die Pelletproben wird durch den Vergleich der Winkelverteilung der herausgeschlagenen Teilchen mit den Ergebnissen für den Dünnfilm ermittelt.Bei der Verwendung von 4 keV He+ Ionen ist die Identifizierung der Rauigkeit als einzig relevanter Parameter für die Beschreibung des Zerstäubungsverhaltens der Pellets nicht ohne weiteres möglich. Es wird eine Hypothese vorgeschlagen, nach der Rauigkeitseffekte von den Größenordnungen der Rauheitsmerkmale und den ty- pischen Längenskalen der Ionen im Festkörper abhängen. Darüber hinaus könnten Rauigkeitseffekte mit Kristallinitätseffekten überlagert sein. Weitere Forschungsarbeit ist erforderlich, um diese beiden Beiträge klarer voneinander zu trennen. Zusätzliche Messungen werden genauere Daten über die Pellet-Zerstäubungsausbeute liefern und schließlich dazu dienen, die obige Hypothese zu testen.

Rocky bodies in space without a protective atmosphere or magnetic field experience numerous effects. Some of these lead to the liberation of particles from their surface and, subsequently, to the formation of a tenuous so-called exosphere. The composition of this exosphere highly depends on the planet’s or moon’s surface composition and properties and thus provides a possibility for remote surface analysis. Quantitative models on exosphere formation exist, however especially the sputtering contribution is not yet flawlessly described by computational methods. Therefore, this thesis aims to provide experimental data to validate these codes.Using an advanced Quartz Crystal Microbalance (QCM) setup, the sputtering behaviour of relevant analogue materials is compared between two sample configurations: vitreous films on the one hand and pellets from ground mineral powder on the other. While the thin films are easy to handle and their sputter yields can be studied precisely in situ and in real time, the pellets provide a more realistic representation of regolith material, maintaining surface properties like roughness, grain sizes and crystallinity. Two different minerals serve as samples: wollastonite (CaSiO3) and en- statite (MgSiO3). The presented setup was improved during the course of this thesis to allow for automation of major steps of the experiment. Additionally, prepara- tion routines were adapted to allow for reproducible quantification of experimental results.For irradiations using a 2 keV Ar+ beam, a main parameter in the description of sputtering of the different sample types is identified as surface roughness. The differences in sputter yield are well modelled using a code based on available Binary Collision Approximation (BCA) simulations, additionally taking the sample surface geometry into account. Sputter yields for the pellet samples are obtained through comparison of the angular distribution of ejecta with the thin film results.Using 4 keV He+ ions, on the other hand, the identification of roughness as a single descriptor of the pellet’s sputtering behaviour is not as straight forward as for Ar projectiles. A working hypothesis is proposed, according to which roughness effects depend on the size scales of surface features and the typical length scales of ions inside the material. Moreover, roughness effects could be superimposed with crystallinity effects. Further research will be necessary for a clearer untangling of these two contributions. Additional measurements will also give more precise data on pellet sputter yields and lastly, will serve to test the above hypothesis.