Sputtering investigations of wollastonite using solar wind ions

Abstract

Sonnenwind-induziertes Zerstäuben, als Teil von Weltraumverwitterung, verändert die Oberfläche von Objekten ohne Atmosphäre im Weltall. Durch den dynamischen Prozess von Teilchenausstoß durch Zerstäubung und deren Fall zurück auf die Oberfläche entsteht eine dünne Exosphäre. Da die Bestandteile dieser von der Oberflächenzusammensetzung abhängen, können Vorbeiflüge Informationen über die Oberfläche liefern. Im Zuge dieser Arbeit wurden Zerstäubungsexperimente an Wollastonit (CaSiO3) mittels einer Quartzkristall-Mikrowaage (QCM) durchgeführt, um die Massenabtragraten für Wasserstoff und Helium, die Hauptbestandteile von Sonnenwind, für verschiedenste Einfallswinkel zu eruieren. Diese werden für präzise Modelle von Weltraumverwitterung benötigt. Bei einer QCM wird das zu untersuchende Material auf einem mit Gold beschichteten Schwingquarz angelagert und aus der Bestrahlungen resultierende Massenänderungen gemessen. Diese Bestrahlungen wurden mit der für den Sonnenwind typischen Energie von 1 keV pro amu durchgeführt und die Ergebnisse mit den Resultaten aus BCA-Simulationen wie SDTrimSP und SRIM verglichen. Des weiteren war der Effekt der potentiellen Zerstäubung durch He2+ von Interesse, da dieser Ladungszustand im Sonnenwind überwiegt und ein drastischer Einfluss auf die Massenabtragrate erwartet wird. Zusätzlich wurden mögliche Aufladungseffekte der isolierenden (CaSiO3) Schicht mittels verschiedener Herangehensweisen untersucht. Ionenstromdichten wurden über einen großen Bereich variiert, eine Elektronenkanone wurde in die Kammer eingebaut und Vergleiche mit einer massiven Wollastonit Probe wurden durchgeführt. Für letztgenannte Experimente wurde der sogenannte Auffängeraufbau am Institut für Angewandte Physik an der TU Wien verwendet, bei welchem eine zweite QCM parallel zur Strahlrichtung eingebaut ist und Massenzunahme durch Einfangen von zerstäubtem Material misst. Unter Verwendung dieses Auffängers wurden die Winkelverteilungen der ausgestoßenen Teilchen von der auf den Quarz aufgebrachten Schicht und der Wollastonite Probe verglichen. Die Ergebnisse der Bestrahlungen mit Sonnenwind-Ionen zeigen, dass kinetisches Zerstäuben durch Helium sehr gut von SDTrimSP Simulationen reproduziert wird, wohingegen Diskrepanzen für Wasserstoff bei flachem Einfall zu beobachten sind. Effekte einer möglichen Aufladung der Schicht konnte mit den oben beschriebenen Methoden nicht festgestellt werden, was darauf hinweist, dass dies keinen signifikanten Einfluss auf Messungen mit der QCM hat.

As part of Space weathering, ion sputtering by the solar wind alters the surface of airless bodies in outer space. Due to the dynamic process of ejection of particles caused by sputtering and their plunge back to the bodies surface, a tenuous exosphere is formed. Its composition depends on the surface compounds, which provides the possibility of getting information about the surface via exosphere analysis during flyby missions. Sputtering experiments using wollastonite (CaSiO3) were performed, evaluating mass removal rates for hydrogen and helium, the ions most prominent in the solar wind, for several angles of incident, as this information is needed for precise space weathering models. These measurements were performed using the quartz crystal microbalance (QCM) technique, where the target material is deposited as a thin film on a gold coated quartz. Irradiations were done with solar wind energies of 1 keV per amu. Results were compared with the outcome of BCA simulations such as SDTrimSP and SRIM. Also of interest was the effect of potential sputtering of He2+, as this is the charge state prominent in solar wind and expected to have a drastic influence on the total mass removal rate. Additionally, charging up effects of the non-conductive CaSiO3 layer were investigated, using several different approaches. Ion current densities were varied over a wide range, an electron flood gun was installed to the target chamber and comparisons using a bulk wollastonite sample were conducted. For the latter experiments, the socalled catcher setup at the Institute of Applied Physics at the TU Wien was used, where a second QCM is placed parallel to the ion beam. Its function is to catch sputtered material and thus measures a resulting mass increase. Additionally, comparisons of the angular distributions of the sputtered particles for both, the layer deposited on the quartz crystal and the bulk wollastonite sample were performed, also using the catcher technique. Results for irradiations with solar wind ions show, that kinetic sputtering with helium is well reproduced by SDTrimSP simulations, whereas discrepancies are observed for hydrogen under flat angles. Regarding a charging up of thin target layers, no such effect was observed using the techniques and the setup described, indicating that this does not have any significant influence on the QCM measurements.