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