Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und mögliche Anwendungen Thomas Trottenberg, Holger Kersten Christian-Albrechts-Universität Kiel Mühlleithen, 10.03.2009 XVI. Workshop Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 1
Gliederung Kontaktaufladung für die Simulation von Mikrometeoriten Kontaktaufladung vs. Aufladung im Plasma Unser Experiment: drei Neuerungen Raumantrieb und terrestrische Anwendungen Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 2
Kontaktaufladung für die Simulation von Mikrometeoriten Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 3
Kontakt-Aufladung 100-µm-Kugel Vorrichtung zur Aufladung und Injektion Masse hohes positives Potential (+15 kv) Eisenpulver Shelton et al., Electrostatic Acceleration of Microparticles to Hypervelocities Journal of Applied Physics, 1960, 31, 1243-1246 hohes positives Potential (+15 kv), kurzer negativer Spannungspuls Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 4
Kontakt-Aufladung Shelton et al., Electrostatic Acceleration of Microparticles to Hypervelocities Journal of Applied Physics, 1960, 31, 1243-1246 Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 5
Kontakt-Aufladung Partikelquelle des Heidelberger Staubbeschleunigers http://www.mpi-hd.mpg.de/dustgroup Stübig, Schäfer, Ho, Srama, and Grün, Planetary and Space Science 49, 853, (2001) Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 6
Kontaktaufladung vs. Aufladung im Plasma Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 7
Aufladung im Plasma OML-Sondentheorie: I i 1/ 2 T i ( φ p ) 1 mi eφ T i p I e ( φ ) p T m e e 1/ 2 eφ p exp Te q = 4πε 0 p r p φ p Typische Parameter für ein Argon-Laborplasma: kt n e e = 3 ev, = n i = 10 15 kt i m = 25 mev, 3 2000-4000 Elektronen je µm Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 8
Aufladung an einer Kontaktfläche mit fokussierten Feldlinien Mikropartikel r p << R n : q p = 2 3 π ε 0 3 ( R R n n r 2 p + r p ) 2 U n 2 3 π ε 0 3 r 2 p R n U n U 2 n E p 1. 6 6 Rn π E n Nadelelektrode Beispiel: U n = ±20 kv and R n = 12 µm: q p = ±220 000 e Shelton et al., J. Appl. Phys. 31, 1243 (1960) Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 9
Unser Experiment: drei Neuerungen Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 10
1. Idee Gegenelektrode mit Öffnung Nadel Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 11
1. Idee 0 V Gegenelektrode mit Öffnung 20 kv Nadel Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 12
1. Idee Mikropartikel Ein Mikropartikel berührt zufällig die Spitze der Elektrode und wird geladen Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 13
1. Idee Mikropartikel das Partikel wird zur Gegenelektrode beschleunigt und verlässt das System durch die Öffnung. Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 14
1. Idee Mikropartikel Ein Mikropartikel berührt irgendwo die Spitze der Elektrode und wird (weniger!) geladen Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 15
1. Idee Mikropartikel das Partikel wird zur Gegenelektrode beschleunigt und stößt mit dieser zusammen. Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 16
1. Idee Gegenelektrode mit Öffnung Nadel Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 17
1. Idee: seitlich eingebettete Elektrode Mikropartikel Ein Mikropartikel berührt die Elektrode immer an ihrer Spitze und wird geladen Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 18
1. Idee: seitlich eingebettete Elektrode Mikropartikel das Partikel wird zur Gegenelektrode beschleunigt und verlässt das System durch die Öffnung. Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 19
Elektrostatisches Feld um eine eingebettete Elektrode Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 20
2. Idee: Elektrodenarray Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 21
2. Idee: Elektrodenarray Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 22
3. Idee: Fertigung in MEMS Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 23
Demo-Version aus Aluminiumfolie und Epoxidharz Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 24
Demo-Version aus Aluminiumfolie und Epoxidharz Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 25
Demo-Version aus Golddrähten und Epoxidharz (nur die vier wesentlich stärkeren Kupferdrähte sind hier sichtbar) Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 26
Experimenteller Aufbau Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 27
Mechanischer Partikeldetektor Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 28
Elektrostatischer Partikeldetektor 50 GOhm 0.22 Kalibrierung: Entladewiderstand: 50 GOhm Gesamtkapazität (aus Abklingzeit): 10,0 pf => Hub von 0,1 V entspricht 6 x 10^6 e Detektorsignal / V 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0 200 400 600 800 1000 Zeit / ms Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 29
Raumantrieb und terrestrische Anwendungen Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 30
Elektrostatischer Weltraumantrieb New Journal of Physics 10 (2008) 063012 Schlussbericht Projekt 50 JR 0644 Machbarkeitsuntersuchungen zu einem elektrostatischen Mikropartikeltriebwerk Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 31
Terrestrische Anwendungen Sputtern und Beschichten mit Mikropartikeln??? - Verfeinertes Glasperlstrahlen - Alternative zum Kaltgasspritzen? Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 32
Alternative zum Kaltgasspritzen Was ist Kaltgasspritzen? - Mitte 1980er, Papyrin et al., Russischen Akademie der Wissenschaften, Nowosibirsk: Ab einer bestimmten Partikelgeschwindigkeit kehrt sich die abtragende Wirkung der Teilchen in eine sehr stark Haftung um. - z.b. Kupfer: ab 570 m/s fest haftende, dichte Schicht - kein Aufschmelzen wie bei konventionellen Verfahren - für Substrate mit niedrigem Schmelzpunkt geeignet - sehr schnelles Aufwachsen von Schichten - Entwicklung zur industriellen Nutzung ab 1994 in den USA - Deutschland: CGT Cold Gas Technology GmbH Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 33
Alternative zum Kaltgasspritzen (COLD GAS TECHNOLOGY GmbH, http://www.cgt-gmbh.com/) Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 34
Zusammenfassung Kontaktaufladung, Vorbild: Simulatoren von Mikrometeoriten Drei Neuerungen: - Seitliche Einbettung der Elektroden - Hohe Zahl von Elektroden - Miniaturisierung (MEMS) Mögliche Anwendungen: - Raumantrieb - Mikropartikelstrahlen (verfeinertes Glasperlstrahlen) - Alternative zum Kaltgasspritzen Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 35
Dank IOM Leipzig, Arbeitsgruppe von Horst Neumann (hilfreiche Diskussionen) DLR: Projekte 50 RS 0802 und 50 RS 0902 Thomas Trottenberg Kontaktaufladung von Mikropartikeln: Neue Experimente und Anwendungen 10.03.2009 36