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

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




              Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
              Ionenstrahlprozessen, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
NEUE MESSUNGEN VON ZERSTÄUBUNGSAUSBEUTEN AN FOLIEN AUS VERSCHIEDENEN MATERIALIEN: STIM UND WEIGHT-LOSS TECHNIKEN IM VERGLEICH
Motivation: Zerstäubungsausbeuten an Materialien für elektrische Weltraumantriebe




Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
NEUE MESSUNGEN VON ZERSTÄUBUNGSAUSBEUTEN AN FOLIEN AUS VERSCHIEDENEN MATERIALIEN: STIM UND WEIGHT-LOSS TECHNIKEN IM VERGLEICH
Einführung: Zerstäubungsausbeuten von Materialen mit Bezug auf EP



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




                                              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


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




                   Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
                   Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
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Einführung: Potentielle Materialien für Solarzellenverbinder



 Potentielle Materialien für Solarzellenverbinder

 Vorteilhaft:
                   Kleiner thermischer Ausdehnungs-
                   koeffizient
                   Kleine Zerstäubungsrate

 Hier untersuchte Materialien:                                                                        [2]
              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




                  Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
                  Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
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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 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)

           Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
           Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
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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, http://www.irb.hr/eng/Research/Divisions-and-Centers/Division-of-Experimental-Physics/
     Laboratory-for-ion-beam-interactions/Nuclear-microprobe
 [5] Spemann et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 269 (2011) 2175



                     Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
                     Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 12.-14. März 2014
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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“




         Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
         Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 12.-14. März 2014
NEUE MESSUNGEN VON ZERSTÄUBUNGSAUSBEUTEN AN FOLIEN AUS VERSCHIEDENEN MATERIALIEN: STIM UND WEIGHT-LOSS TECHNIKEN IM VERGLEICH
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)

             Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
             Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
Resultate: Messungen an Kovar Folien (2)


Kovar Folien: SEM Untersuchungen zur Entwicklung der Oberflächentopologie




       a) unbestrahlte Folie        b) 17h bei 100 eV        c) 2h bei 300 eV
       c) 1h bei 500 eV             e) und f) 15 min bei 1000 eV

            Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
            Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
Resultate: Messungen an Federstahl (1.4310) und AlMgSc Folien



Stainless Steel 1.4310 und AlMgSc:
Zerstäubungsaubeuten energie- und winkelabhägig; weight loss




                             1.4310                                        AlMgSc




           Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
           Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
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  N0

  Hier: Two-Photon Absorption Laser Induced Fluorescence (TALIF)
     Neutrales Xenon             Energie / cm-1   exc / nm
     5p6 1So                     0                0                     Grundzustand
            o              o
     5p5 (2P 3/2) 6s 2[3/2] 1    68045.16         147.0                 1 Photon , Auswahlregeln
            o
     5p5 (2P 3/2) 6p 2[5/2]2     78119.80         2 x 256.0             2 Photonen , Auswahlregeln


                Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
                Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
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-1996-2290
[9] Aanesland et al, Appl. Phys. Lett. 12 (2007) 121502/1-3



                Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
                Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
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


TALIF im Freistrahl des RIT-10 unter Anregung des 6p‘[1/2]0 Zustands [9]




   Testbedingung 5.7 sccm,                                                       Variation des Massenflusses,
   PRFG= 58.4 W, UPHV = 913 V                                                    UPHV = 913 V
   500 Einzelpulsen pro Wellenlänge                                              zentrale Plasmaachse, d = 12 cm
  [9] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116, Messungen durchgeführt am Institut für Raumfahrsysteme, Universität Stuttgart




              Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
              Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
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
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




Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und
Ionenstrahlprozessen“, Mühlleithen, 10.-12. März 2015
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