NEUE MESSUNGEN VON ZERSTÄUBUNGSAUSBEUTEN AN FOLIEN AUS VERSCHIEDENEN MATERIALIEN: STIM UND WEIGHT-LOSS TECHNIKEN IM VERGLEICH

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1 NEUE MESSUNGEN VON ZERSTÄUBUNGSAUSBEUTEN AN FOLIEN AUS VERSCHIEDENEN MATERIALIEN: STIM UND WEIGHT-LOSS TECHNIKEN IM VERGLEICH C. Eichhorn 1, D. Manova 1, R. Feder 1, R. Wunderlich 2, C. Nömayr 3, C.G. Zimmermann 3, Horst Neumann 1 1 Institut für Oberflächenmodifizierung, Permoserstraße 15, D Leipzig 2 Institut für Experimentelle Physik II, Linnéstraße 5, D Leipzig 3 Airbus Defense and Space, D München Ionenstrahlprozessen, Mühlleithen, März 2015

2 Motivation: Zerstäubungsausbeuten an Materialien für elektrische Weltraumantriebe

3 Einführung: Zerstäubungsausbeuten von Materialen mit Bezug auf EP Warum sind Zerstäubungsausbeuten für Electric Propulsion Anwendungen interessant? Sputterprozesse als lebensdauerbegrenzende Phänomene für Triebwerksund Satellitensysteme, in Form von Erosion von Triebwerkskomponenten, insbesondere des Extraktionsgittersystems Charge exchange ions Auswirkungen der Wechselwirkung von Freistrahl auf die Funktionsfähigkeit des Raumflugkörpers: Mögliche Erosion von Teilen des Raumfahrzeugs, z.b. von Solarpaneelen Kontamination von Oberflächen des Raumfahrzeugs durch gesputterte Spezies

4 Einführung: North-South Station Keeping North-South Station Keeping (NSSK) in geostationärer Umlaufbahn [1] D.M. Goebel, M. Martinez-Lavin, T.A. Bond A.M. King, Proc. 38th Joint Propul. Conf. Paper AIAA / B.M. Anzel, U.S. Pat (1995)

5 Einführung: Potentielle Materialien für Solarzellenverbinder Potentielle Materialien für Solarzellenverbinder Vorteilhaft: Kleiner thermischer Ausdehnungskoeffizient Kleine Zerstäubungsrate Hier untersuchte Materialien: KOVAR (55% Fe, 17% Co, 28% Ni) Federstahl (laufende Messkampagne) AlMgSc (KO8242, laufende Messkampagne) [2] Alle zu untersuchenden Materialien liegen als dünne Folien von typ µm Dicke vor Aufhängung der Folien in 2.0 x 1.5 cm 2 Rahmen, Gewicht ca. 1 g (praktikabel für weight loss-messungen) [2] C.G. Zimmermann, 5th Russ. Germ. Conf. Electric Propul. 2014, Talk-1-Op. Sess./

6 Experimenteller Aufbau: Sputterteststand am IOM & Methodik Teststandparameter: UHV Kammer (Länge 60 cm, 30 cm) Vor-/Turbopumpensystem 2000 l/s Umgebungsdruck < 10-7 mbar (ohne Last) 8 x sccm (Xenon) Ionenquelle: ISQ40DC (Kaufman-Quelle, IOM-Entwicklung) Dreigittersystem, 3 cm Gitterradius Parameterbereich: Ionenenergien ev Einfallswinkel 0-60 Angewandte Methoden: Weight loss measurements Scanning Transmission Ion Microscopy (STIM)

7 Messtechnik: Scanning Transmission Ion Microscopy Scanning Transmission Ion Microscopy Abbildung übernommen aus [4] Sub-µm Strahl hochenergetischer Protonen (2.25 MeV), über Probe gerastert Geringe Ströme (10000 s -1 ), keine Schädigung der Probe Analyse der Energie der transmittierten Ionen 2D-Energieverlustbilder führen auf Flächenmassendichteverteilung der Probe Durchführung der Messungen am LIPSION Beschleunigerlabor [5] der Universität Leipzig [4] Ruder Boscovich Institute, Laboratory-for-ion-beam-interactions/Nuclear-microprobe [5] Spemann et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 269 (2011) 2175 Ionenstrahlprozessen, Mühlleithen, März 2014

8 Messtechnik: Scanning Transmission Ion Microscopy In den vorliegenden Messungen: Ausdehnung des abgetragenen Footprints größer als durch STIM untersuchtes Gebiet Einführung eines Korrekturfaktors zur Berücksichtigung der Ränder Ionenstrahlprozessen, Mühlleithen, März 2014

9 Resultate: Messungen an Kovar Folien (1) Kovar Folien: Zerstäubungsaubeuten bei 0 Einfallswinkel (Xenon); STIM vs. weight loss Abschätzung der Zerstäubungsausbeuten aus Messungen und Kovar bulk Material Gute Übereinstimmung zwischen STIM- und weight loss Messungen Deutlich geringere Zerstäubungsausbeuten im Vergleich zu Silber (bulk Material)

10 Resultate: Messungen an Kovar Folien (2) Kovar Folien: SEM Untersuchungen zur Entwicklung der Oberflächentopologie a) unbestrahlte Folie c) 1h bei 500 ev b) 17h bei 100 ev c) 2h bei 300 ev e) und f) 15 min bei 1000 ev

11 Resultate: Messungen an Federstahl (1.4310) und AlMgSc Folien Stainless Steel und AlMgSc: Zerstäubungsaubeuten energie- und winkelabhägig; weight loss AlMgSc

12 TALIF-Spektroskopie: Kurze Einführung Eine weitere aktuelle Baustelle: TALIF an neutralem Xenon Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz: Anregung eines ausgewählten atomaren/molekularen Übergangs Detektion der Fluoreszenzstrahlung Extraktion physikalischer Parameter aus der detektierten Fluoreszenz, z.b. Intensität der Fluoreszenz Teilchendichte Dopplershift der Absorptionslinie Translationsgeschwindigkeit Breite der Absorptionslinie Temperatur Triebwerksplasma: Kein Boltzmann-Gleichgewicht Besetzungsverteilung unbekannt Niedrigtemperaturplasma: Grundzustand nicht wesentlich entleert Bei Grundzustandsanregung S N 0 Hier: Two-Photon Absorption Laser Induced Fluorescence (TALIF) Neutrales Xenon 5p 6 1 S o 5p 5 ( 2 P o 3/2) 6s 2 [3/2] o 1 5p 5 ( 2 P o 3/2) 6p 2 [5/2] 2 Energie / cm exc / nm x Grundzustand 1 Photon, Auswahlregeln 2 Photonen, Auswahlregeln

13 TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon Plasmen TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon-Plasmen Anregung von 6p [1/2] 0 Bevorzugtes TALIF Schema in RIT-10 Studie [7] 7p [3/2] 2 Frühere TALIF-Studie im Freistrahl eines Kaufmann Triebwerks [8] 6p [3/2] 2 Frühere TALIF-Studie in einer Helicon-Entladung [9] [7] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116 [8] Crofton, Paper AIAA [9] Aanesland et al, Appl. Phys. Lett. 12 (2007) /1-3

14 TALIF: Vorgesehener Versuchsaufbau

15 TALIF im Freistrahl des RIT-10 unter Anregung des 6p [1/2] 0 Zustands TALIF im Freistrahl des RIT-10 unter Anregung des 6p [1/2] 0 Zustands [9] Testbedingung 5.7 sccm, P RFG = 58.4 W, U PHV = 913 V 500 Einzelpulsen pro Wellenlänge Variation des Massenflusses, U PHV = 913 V zentrale Plasmaachse, d = 12 cm [9] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116, Messungen durchgeführt am Institut für Raumfahrsysteme, Universität Stuttgart

16 Anstehende TALIF-Forschungsaufgaben Quantitative, ortsaufgelöste Bestimmung von Neutralteilchendichten Xenons im Freistrahl und der Entladungskammer von Triebwerkssystemen Direkte Messung durch CEX-Prozesse erzeugter Neutralteilchenspezies Untersuchungen in Krypton-Plasmen als alternativer Treibstoff Weitergehende interessante Fragestellungen TALIF Untersuchungen mit exc <200 nm Zugang zu Ar I und Xe II Detektion von Sputterspezies

17 Dank Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Besonderer Dank an Dietmar Hirsch (IOM) Stephan Mändl, Frank Scholze, Carsten Bundesmann (IOM) Ronny Woyciechowski, Marco Müller (IOM) Werkstatt des IOM STIM/LIPSION Team Uni Leipzig DLR Göttingen