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

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

Elementtrennung mittels - - Methode antike Tonscherbe

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

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

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

TOF – E – Beispiel - Spektren eigene Flugzeitmessungen bisher: gepulster Strahl eigenes Spektrum aus der Strahlzeit 11 / 2003 Spektrum aus NIMB 136-138 (1998) 633-637 The Berlin time-of-.flight ERDA setup

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

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

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

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 90 mm Durchmesser Durchflug der Recoil- Ionen Vergl.: Absaugvorgang ohne und mit Korrekturspannungen Durchlaufene Spannung: 2.6 kV „ohne“ „mit“

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

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 )

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

Sekundärelektronenemission Maximum bei ca. 1 – 5 eV, dann Abfall , n = 1,5 bis 2,5 wie groß ist die Anzahl der emittieren ? Ion Anzahl H Li Be C O F Al Si P V Ni Cu Ge 1,5 15 20 32 50 80 120 140 160 170 hohe Anzahl begünstigt Ortsauflösung bei Schwerpunktbildung

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

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

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

SI – Streifenzähler als Energie– und Stopzähler Zeitauflösung Test : bisher mit SI – Streifenzähler als Energie– und Stopzähler Beispiel: Folie Germanium auf Kohlenstoff FWHM : ca. 1 ns 40 MeV Au Auflösung : 1 ns realistisch, bis 700 ps gesehen

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

Elektronenoptik theoretische Abschätzung der Brechkraft (Einzellinse): es gilt: Praktikable Spannungen : < 5 – 6 kV 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

Simulation des Detektors mit Linsenoptik konstruierten Detekors mit Immersionobjektiv 6 kV 2.1 kV - 0.5 kV Schwierigkeit : größere Flugzeit – differenzen Beispiel : Anfängliche Energieverteilung der Elektronen 0 bis 5 eV in alle Richtungen

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

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

Elementtrennung mittels - - Methode