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

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NEUE MESSUNGEN VON ZERSTÄUBUNGSAUSBEUTEN AN FOLIEN AUS VERSCHIEDENEN MATERIALIEN: STIM UND WEIGHT-LOSS TECHNIKEN IM VERGLEICH Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 C. Eichhorn1, D. Manova1, R. Feder1, R. Wunderlich2, C. Nömayr3, C.G. Zimmermann3, Horst Neumann1 1Institut für Oberflächenmodifizierung, Permoserstraße 15, D-04318 Leipzig 2Institut für Experimentelle Physik II, Linnéstraße 5, D-04103 Leipzig 3Airbus Defense and Space, D-81663 München

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Motivation: Zerstäubungsausbeuten an Materialien für elektrische Weltraumantriebe Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12.

März 2015

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Einführung: Zerstäubungsausbeuten von Materialen mit Bezug auf EP Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 Warum sind Zerstäubungsausbeuten für Electric Propulsion Anwendungen interessant?  Sputterprozesse als lebensdauerbegrenzende Phänomene für Triebwerks- und Satellitensysteme, in Form von Erosion von Triebwerkskomponenten, insbesondere des Extraktionsgittersystems 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 Charge exchange ions

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Einführung: North-South Station Keeping Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 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-2002-4348 / B.M. Anzel, U.S. Pat. 5443231 (1995)

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Einführung: Potentielle Materialien für Solarzellenverbinder Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 Potentielle Materialien für Solarzellenverbinder Vorteilhaft: Kleiner thermischer Ausdehnungs- koeffizient Kleine Zerstäubungsrate Hier untersuchte Materialien: KOVAR (55% Fe, 17% Co, 28% Ni) Federstahl 1.4310 (laufende Messkampagne) AlMgSc (KO8242, laufende Messkampagne) Alle zu untersuchenden Materialien liegen als dünne Folien von typ.

10-20 µm Dicke vor  Aufhängung der Folien in 2.0 x 1.5 cm2 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./ www.rgceo.org [2]

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Experimenteller Aufbau: Sputterteststand am IOM & Methodik Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 Teststandparameter: UHV Kammer (Länge 60 cm,  30 cm) Vor-/Turbopumpensystem 2000 l/s Umgebungsdruck < 10-7 mbar (ohne Last) 8 x 10-5 mbar @ 0.55 sccm (Xenon) Ionenquelle: ISQ40DC (Kaufman-Quelle, IOM-Entwicklung) Dreigittersystem, 3 cm Gitterradius Parameterbereich: Ionenenergien 100-1000 eV Einfallswinkel 0-60° Angewandte Methoden: Weight loss measurements Scanning Transmission Ion Microscopy (STIM)

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Messtechnik: Scanning Transmission Ion Microscopy Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 12.-14.

März 2014 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 Scanning Transmission Ion Microscopy [4] Ruder Boscovich Institute, http://www.irb.hr/eng/Research/Divisions-and-Centers/Division-of-Experiment al-Physics/ Laboratory-for-ion-beam-interactions/Nuclear-microprobe [5] Spemann et al., Nucl. Instrum. Methods Phys.

Res. B 269 (2011) 2175 Abbildung übernommen aus [4]

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Messtechnik: Scanning Transmission Ion Microscopy Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 12.-14. März 2014 In den vorliegenden Messungen: Ausdehnung des abgetragenen Footprints größer als durch STIM untersuchtes Gebiet Einführung eines Korrekturfaktors zur Berücksichtigung der „Ränder“

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Resultate: Messungen an Kovar Folien (1) Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 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) Kovar Folien: Zerstäubungsaubeuten bei 0°Einfallswinkel (Xenon); STIM vs.

weight loss

Resultate: Messungen an Kovar Folien (2) Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 Kovar Folien: SEM Untersuchungen zur Entwicklung der Oberflächentopologie a) unbestrahlte Folie c) 1h bei 500 eV b) 17h bei 100 eV e) und f) 15 min bei 1000 eV c) 2h bei 300 eV

Resultate: Messungen an Federstahl (1.4310) und AlMgSc Folien Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 Stainless Steel 1.4310 und AlMgSc: Zerstäubungsaubeuten energie- und winkelabhägig; weight loss 1.4310 AlMgSc

TALIF-Spektroskopie: Kurze Einführung Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 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 exc / nm Energie / cm-1 Neutrales Xenon 2 Photonen , Auswahlregeln 2 x 256.0 78119.80 5p5 (2P o 3/2) 6p 2[5/2]2 1 Photon , Auswahlregeln 147.0 68045.16 5p5 (2P o 3/2) 6s 2[3/2] o 1 Grundzustand 5p6 1So Triebwerksplasma: Kein Boltzmann-Gleichgewicht  Besetzungsverteilung unbekannt Niedrigtemperaturplasma: Grundzustand nicht wesentlich entleert  Bei Grundzustandsanregung S  N0 Hier: Two-Photon Absorption Laser Induced Fluorescence (TALIF)

TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon Plasmen Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 [7] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116 [8] Crofton, Paper AIAA-1996-2290 [9] Aanesland et al, Appl. Phys. Lett. 12 (2007) 121502/1-3 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]

TALIF: Vorgesehener Versuchsaufbau Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12.

März 2015

TALIF im Freistrahl des RIT-10 unter Anregung des 6p‘[1/2]0 Zustands Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015 TALIF im Freistrahl des RIT-10 unter Anregung des 6p‘[1/2]0 Zustands [9] [9] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116, Messungen durchgeführt am Institut für Raumfahrsysteme, Universität Stuttgart Variation des Massenflusses, UPHV = 913 V zentrale Plasmaachse, d = 12 cm Testbedingung 5.7 sccm, PRFG= 58.4 W, UPHV = 913 V 500 Einzelpulsen pro Wellenlänge

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 Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12.

März 2015 Weitergehende interessante Fragestellungen TALIF Untersuchungen mit exc

Dank 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 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015

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