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Ortsabbildende Flugzeitspektrometer Thorsten Schäfer Vortrag zur Diplomarbeit 14. Juli 2004 A. Bergmaier, G. Dollinger, T. Schäfer.

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Präsentation zum Thema: "Ortsabbildende Flugzeitspektrometer Thorsten Schäfer Vortrag zur Diplomarbeit 14. Juli 2004 A. Bergmaier, G. Dollinger, T. Schäfer."—  Präsentation transkript:

1 Ortsabbildende Flugzeitspektrometer Thorsten Schäfer Vortrag zur Diplomarbeit 14. Juli 2004 A. Bergmaier, G. Dollinger, T. Schäfer

2 ERD : Materialanalytik mittels Detektion elastisch genaue Teilchen-Identifikation Winkelmessung Energiemessungnotwendig gestreuter Recoil-Ionen ERD ( Elastic Recoil Detection )

3 Elementtrennung mittels - - Methode antike Tonscherbe

4 hochaufgelöste Messungen mit dem Q3D Beispiel: - Profil : - gute Tiefen – Auflösung: < 1 nm - geringe Strahlenschädigung

5 Schwierigkeit bei bisheriger Detektionsmethode erhöhte Strahlenschädigung bei Verwendung des - Strahls schlechte Elementtrennung bei der - - Monitormessung bei Verwendung des - Strahls Monitormessungen mittels Flugzeit – Methode

6 Massentrennung mittels Vergleich TOF – E: Flugzeit bzw. TOF – E- Methode Simulation : Gestalt eines TOF – Spektrums Projektil : 40 MeV 197 Gold Streuwinkel : 40 Grad

7 Spektrum aus NIMB (1998) The Berlin time-of-.flight ERDA setup eigenes Spektrum aus der Strahlzeit 11 / 2003 TOF – E – Beispiel - Spektren eigene Flugzeitmessungen bisher: gepulster Strahl

8 Flugzeitmessung mittels Start – Stop - Detektoren Konstruktion und Aufbau eines Sekundärelektronendetektors mit hoher Zeit – und Ortsauflösung Schwierigkeit : Raumwinkel d. h. Winkelmessung bzw. Ortsmessung notwendig

9 Flugzeitmessung mittels Start – Stop - Detektoren Konstruktion und Aufbau eines Sekundärelektronendetektors mit hoher Zeit – und Ortsauflösung Schwierigkeit : Raumwinkel d. h. Winkelmessung bzw. Ortsmessung notwendig

10 Flugzeitmessung mittels Start – Stop - Detektoren Konstruktion und Aufbau eines Sekundärelektronendetektors mit hoher Zeit – und Ortsauflösung Schwierigkeit : Raumwinkel d. h. Winkelmessung bzw. Ortsmessung notwendig

11 Konzept des Detektors Nebenbedingungen : - Vermeidung von Gittern wegen Streueffekten - kompakte Bauweise wegen Zeitauflösung - großer Akzeptanzwinkel wegen Zählrate

12 Modularer Aufbau des Detektors Der Detektor besteht aus drei Modulen : Zur Optimierung der Ortsauflösung kann eine Elektronen – Linsen – Optik eingefügt werden

13 Simulation des Beschleunigungsteils Durchflug der Recoil- Ionen Vergl.: Absaugvorgang ohne und mit Korrekturspannungen ohnemit Durchlaufene Spannung: 2.6 kV 90 mm Durchmesser

14 Zeitauflösung von ca. 80 – 100 ps aufgrund der Flugzeitdifferenzen Verbesserung von : Durch Gitter oder Erhöhung der Vorbeschleunigungsspannung

15 Alternative 1 : Absaugen mit Gitter Einbau eines Gitters als Alternative ist vorbereitet von 20 ps ohne Berücksichtigung von Gitterablenkungen Gitterablenkung der vernachlässigbar Untergrund durch Streuung der Recoil – Ionen zu erwarten ( Ablenkung der e bei Gitter – Durchflug )

16 Alternative 2 : Erhöhung der Folienspannung ca. 35 ps erreichbar in Kombination mit Ortsauflösung von mind. 1 mm Problematik : Aufspreizung der Elektronenbahnen

17 Sekundärelektronenemission Ion Anzahl H Li Be C O F Al Si P V Ni Cu Ge 1, Maximum bei ca. 1 – 5 eV, dann Abfall, n = 1,5 bis 2,5 hohe Anzahl begünstigt Ortsauflösung bei Schwerpunktbildung wie groß ist die Anzahl der emittieren ?

18 Die Konstruktion des einfachen Detekors Zusammengebaute Module Beschleuniger und Detektionsmodul : Durchmesser: 90 mm Absaugstrecke: 34 mm

19 Die Konzeption des ortsauflösenden Detektionsmoduls MCP - Detektor Elektrodensystem zur Auskopplung von Orts- und Zeitsignalen

20 Ortsanoden Ladungstrennung mittels Streifen- bzw. Backgammon-Struktur gute 2- D - Ortsauflösung erreichbar : kapazitive Kopplung durch vier keilförmige Gegenelektroden

21 Die Backgammon - Anode erste Version : durchgehende Flächen Ortsauflösung erfolgreich Problem: Schwingungen durch hohe Störkapazitäten

22 Backgammon – Anode : Zweite Version Trennung der Flächen Einfügen von zusätzlichen Widerständen Material: Epoxidharzplatine oder Glas

23 Die Konstruktion des Detektionsmoduls Komplette Montage : MCP – Assembly

24 Ortsauflösung des Detektionsmoduls erste Tests: mit Alpha – Quelle und Blende Ortsauflösung funktioniert mind. 1 mm Auflösung, vermutlich besser

25 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

26 TOF – E- Spektrum Beispiel: - Profil : Schichtstruktur erkennbar

27 theoretische Abschätzung der Brechkraft (Einzellinse): es gilt: 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

28 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 kV 2.1 kV

29 Zusätzlich montiert: elektrostatische Linse mit Driftstrecke und Blenden Konstruktion des Detektors mit Linsenoptik

30 Das Konzept für die Flugzeitmessung ist entwickelt Der Sekundärelektronendetektor wird bereits routinemäßig verwendet Zeitauflösung von 200 – 300 ps Orstauflösung < 0.5 mm Energieauflösung < 1 % scheint realisierbar Zusammenfassung und Ausblick

31 Elementtrennung mittels - - Methode


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