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Ortsabbildende Flugzeitspektrometer
Thorsten Schäfer
Vortrag zur Diplomarbeit
14. Juli 2004
A. Bergmaier, G. Dollinger, T. Schäfer
ERD : Materialanalytik mittels Detektion elastisch
genaue Teilchen-Identifikation
WinkelmessungEnergiemessung notwendig
gestreuter Recoil-Ionen
ERD ( Elastic Recoil Detection )
FeMeV 56
32OAlAlGaN /
RR MZ ,,
Elementtrennung mittels - - Methode stEE Re
IMeV 127 170
32OAlAlGaN / antike Tonscherbe
hochaufgelöste Messungen mit dem Q3D
0 .1
1 .0
1 0 .0
1 0 0 .0K
onze
ntra
tion
[ a
t% ]
-5 0 5 1 0 1 5 2 0Tiefe [ 1 0 1 6 a t/c m , n m2 ]
NOCH
Beispiel: - Profil Si-c / SiON/OAl 32
:AuMeV 197 40
- gute Tiefen – Auflösung: < 1 nm - geringe Strahlenschädigung
AuMeV 197 40
Schwierigkeit bei bisheriger Detektionsmethode
IMeV 127 170
erhöhte Strahlenschädigung bei Verwendung des - Strahls
schlechte Elementtrennung bei der - -
Monitormessung bei Verwendung des - Strahls
stEE Re
AuMeV 197 40
Monitormessungen mittels Flugzeit – Methode
Massentrennung mittels Vergleich TOF – E:
Flugzeit bzw. TOF – E- Methode
Simulation : Gestalt eines TOF – Spektrums Projektil : 40 MeV 197 GoldStreuwinkel : 40 Grad
222
E
E
t
t
m
m40
Spektrum aus NIMB 136-138 (1998) 633-637The Berlin time-of-.flight ERDA setup
eigenes Spektrum aus der Strahlzeit11 / 2003
TOF – E – Beispiel - Spektren
eigene Flugzeitmessungen bisher: gepulster Strahl
Flugzeitmessung mittels Start – Stop - Detektoren
Konstruktion und Aufbau eines Sekundärelektronendetektors mit hoherZeit – und Ortsauflösung
Schwierigkeit : Raumwinkel
d. h. Winkelmessung bzw. Ortsmessung notwendig
Flugzeitmessung mittels Start – Stop - Detektoren
Konstruktion und Aufbau eines Sekundärelektronendetektors mit hoherZeit – und Ortsauflösung
Schwierigkeit : Raumwinkel
d. h. Winkelmessung bzw. Ortsmessung notwendig
Flugzeitmessung mittels Start – Stop - Detektoren
Konstruktion und Aufbau eines Sekundärelektronendetektors mit hoherZeit – und Ortsauflösung
Schwierigkeit : Raumwinkel
d. h. Winkelmessung bzw. Ortsmessung notwendig
Konzept des Detektors
Nebenbedingungen :
- Vermeidung von Gittern wegen Streueffekten- kompakte Bauweise wegen Zeitauflösung- großer Akzeptanzwinkel wegen Zählrate
Modularer Aufbau des Detektors
Der Detektor besteht aus drei Modulen :
Zur Optimierung der Ortsauflösung kann eine
Elektronen – Linsen – Optik eingefügt werden
Simulation des Beschleunigungsteils
Durchflug der Recoil-
Ionen
Vergl.: Absaugvorgang
ohne und mit
Korrekturspannungen
„ohne“ „mit“
Durchlaufene Spannung:
2.6 kV
90 mm Durchmesser
Zeitauflösung
von ca. 80 – 100 ps aufgrund der Flugzeitdifferenzent
Verbesserung von : Durch Gitter oder Erhöhung der
Vorbeschleunigungsspannung
t
Alternative 1 : Absaugen mit Gitter
Einbau eines Gitters als Alternative
ist vorbereitet
von 20 ps ohne Berücksichtigung
von Gitterablenkungen
t
Gitterablenkung der
vernachlässigbar
e
Untergrund durch
Streuung der Recoil –
Ionen zu erwarten( Ablenkung der e bei Gitter – Durchflug )
Alternative 2 : Erhöhung der Folienspannung
ca. 35 ps erreichbar in Kombination mit
Ortsauflösung von mind. 1 mm
Problematik : Aufspreizung der Elektronenbahnen
Sekundärelektronenemission
Ion Anzahl
HLiBeCOFAlSiPVNiCuGe
e1,51520325080120120140160160160170
Maximum bei ca. 1 – 5 eV, dann Abfall , n = 1,5 bis 2,5
hohe Anzahl begünstigt Ortsauflösung bei Schwerpunktbildung
nE
wie groß ist die Anzahl der emittieren ?
e
Die Konstruktion des „einfachen“ Detekors
Zusammengebaute Module „Beschleuniger“ und „Detektionsmodul“ :
Durchmesser: 90 mm
Absaugstrecke: 34 mm
Die Konzeption des ortsauflösenden Detektionsmoduls
MCP - Detektor
Elektrodensystem zur Auskopplung von
Orts- und Zeitsignalen
Ortsanoden
Ladungstrennung mittels Streifen-
bzw. Backgammon-Struktur
gute 2- D - Ortsauflösung erreichbar :
kapazitive Kopplung durch vier keilförmige Gegenelektroden
ges
CA
Q
QQx
ges
BA
Q
QQy
Die Backgammon - Anode
erste Version : durchgehende Flächen Ortsauflösung erfolgreich
Problem: Schwingungen durch hohe Störkapazitäten
Backgammon – Anode : Zweite Version
Trennung der Flächen
Einfügen von zusätzlichen Widerständen
Material: Epoxidharzplatine oder Glas
Die Konstruktion des Detektionsmoduls
Komplette Montage :
MCP – Assembly
Ortsauflösung des Detektionsmoduls
erste Tests: mit Alpha – Quelle und Blende
Ortsauflösung funktioniert
mind. 1 mm Auflösung,
vermutlich besser
xy
Zeitauflösung
Test : bisher mit
SI – Streifenzähler als Energie– und Stopzähler
Beispiel: Folie Germanium auf Kohlenstoff
40 MeV Au
Auflösung : 1 ns realistisch, bis 700 ps gesehen
FWHM : ca. 1 ns
TOF – E- Spektrum
Beispiel: - Profil Si / TiN / OTa / TiN 32
: Schichtstruktur erkennbarAuMeV 197 40
theoretische Abschätzung der Brechkraft (Einzellinse):
dzEU
EU
U
E
fL
L
A
L
3
2
8
11
es gilt:
baf
111
die Brechkraft wird enorm vergrößert durch den Einsatz einer Gitterlinse : Abhängig von EL/UA, Faktor 5 und mehr das Gitter ist nur eindimensional: Abbildung in x – Richtung soll gut erhalten bleiben
Elektronenoptik
Praktikable Spannungen : < 5 – 6 kV
nsTOFDetektore
39,4,
Simulation des Detektors mit Linsenoptik
Simulation des
konstruierten Detekors
mit Immersionobjektiv
Schwierigkeit :
größere Flugzeit –
differenzen
Beispiel : Anfängliche Energieverteilung der Elektronen 0 bis 5 eV in alle Richtungen
6 kV
- 0.5 kV
2.1 kV
Zusätzlich montiert:elektrostatische Linse mit Driftstrecke und Blenden
Konstruktion des Detektors mit Linsenoptik
Das Konzept für die Flugzeitmessung ist entwickelt
Der Sekundärelektronendetektor wird bereitsroutinemäßig verwendet
Zeitauflösung von 200 – 300 ps Orstauflösung < 0.5 mm Energieauflösung < 1 %
scheint realisierbar
Zusammenfassung und Ausblick
Elementtrennung mittels - - Methode stEE Re
IMeV 127 170