F. Scholze, F. Pietag, H. Adirim, M. Kreil, M. Kron, R. Woyciechowski, C. Bundesmann, D. Spemann
J. Electric Propulsion 1 (2022) 28
DOI: 10.1007/s44205-022-00028-5
Im Rahmen eines vom DLR geförderten Verbundvorhabens IonJet des IOM und der Aerospace Innovation GmbH wurde ein Engineering Model eines kostengünstigen elektrischen Antriebssystems für Kleinsatelliten entwickelt. Während das Gasversorgungssystem auf dem MICROJET 2000-System des 2016 in den Weltraum gestarteten BIROS-Satelliten basiert, basiert das Triebwerkssystem auf einem neuartigen, zum Patent angemeldeten, Gitterionentriebwerk, bei dem der Neutralisator im Ionentriebwerk integriert ist. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Ionen- und Elektronenextraktion und reduziert die Anzahl der Komponenten und damit die Kosten und Systemkomplexität. Das gesamte System wurde erfolgreich unter Vakuumbedingungen hinsichtlich Zündung und stabilem Betrieb des Antriebssystems getestet. In den Leistungstests konnten mit Xenon Schubkräfte von 1 mN bei einer Gesamtleistungsaufnahme von weniger als 50 W sowie spezifische Impulse größer als 1000 s, den Gasverbrauch des Neutralisators eingeschlossen, erreicht werden. Darüber hinaus wurden erste Tests mit Krypton durchgeführt, die zeigten, dass bei gleicher Gesamtleistung der erreichbare Schub auf 55% bis 68% des Schubes für Xenon abnimmt.
C. Eichhorn, F. Scholze, C. Bundesmann, D. Spemann, H. Neumann, H. Leiter
Journal of Propulsion and Power 35 (2019) 1175
DOI: 10.2514/1.B37487
Gitterionentriebwerke nutzen eine elektrisch vorgespannte Lochgitteranordnung zur Beschleunigung ionisierter Teilchen, die auf diese Weise den „Treibstoff“ des Antriebssystems bilden. Eine intakte Gittergeometrie (insbesondere die Erhaltung der Lochdurchmesser) ist eine Voraussetzung für die in Weltraumapplikationen geforderte Langlebigkeit solcher Triebwerke. Die Kenntnis ortsaufgelöster Dichten von Plasmaspezies nahe der Austrittsfläche ist wichtig für die quantitative Einschätzung plasma- und oberflächenphysikalischer Prozesse, die während des Betriebs des Triebwerks zu einer ungewollten Lochaufweitung (Gittererosion) führen können. Der Inhalt der Arbeit zeigt, wie lokale Neutralteilchendichten eines relevanten Treibstoffs (Krypton) im Freistrahl eines Gitterionentriebwerke während des Betriebs mit laserspektroskopischen Methoden berührungslos gemessen werden können.
P. Räcke, R. Wunderlich, J.W. Gerlach, J. Meijer, D. Spemann
New Journal of Physics 22 (2020) 083028
DOI: 10.1088/1367-2630/aba0e6
Die Ionenimplantation ist nicht nur ein etabliertes Verfahren in der Halbleiterfertigung und -forschung, sondern auch eine Schlüsselmethode für die Forschung an neuartigen Quantentechnologien wie Quantensensorik und Quantencomputing, z.B. auf der Basis von Donatoren in Silizium oder Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant. Eine große Herausforderung für die Realisierung eines Quantencomputers ist die skalierbare Herstellung von Qubits. Im Falle der Ionenimplantation müssen dafür ein hoher Durchsatz mit der örtlich hochpräzisen Platzierung gezählter Dotieratome oder Defekte kombiniert werden. Zu diesem Zweck wurde ein Ionenimplanter basierend auf einem Focussed Ion Beam (FIB)-System und einer Elektronenstrahl-Ionenquelle (EBIS) zur Erzeugung hochgeladener Ionen aufgebaut. Das ionenoptische System wurde einer ersten Optimierung unterzogen und Strahlfleckgrößen < 200 nm erreicht, die zeigen, dass Ionenimplantation auf der Nanoskale mit einer EBIS möglich sind. Als Anwendungsbeispiel wurden durch maskenlose Bestrahlung mit einem fokussierten Ar8+-Ionenstrahl Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant mit einer räumlichen Platzierungsgenauigkeit besser als 1 Mikrometer erzeugt.
C. Bundesmann, H. Neumann
J. Appl. Phys. 124 (2018) 231102
DOI: 10.1063/1.5054046
Dünne Schichten sind ein wesentlicher Bestandteil in Dingen des täglichen Lebens, aber auch in Schlüsseltechnologien. Eine Möglichkeit der Herstellung dünner Schichten ist das Ionenstrahlzerstäuben (IBSD, englisch 'ion beam sputter deposition'). Dazu wird ein Target mit dem Schichtmaterial mit einem niederenergetischen Ionenstrahl beschossen. Aufgrund der Ionen-Target-Wechselwirkung kommt es zum Abtrag von Targetmaterial, welches auf dem zu beschichtendem Objekt die gewünschte Schicht bildet. IBSD ist nur eines von vielen Verfahren zur Herstellung dünner Schichten. Es hat aber - gegenüber verwandten Verfahren aus der physikalischen Gasphase - einige wesentliche Vorteile: bessere Haftung, weniger Defekte, höhere Reinheit oder besser kontrollierbare Zusammensetzung. Am IOM wurde eine einzigartige Anlage entwickelt, die es erlaubt, die grundlegenden Systematiken des Ionenstrahlzerstäubens zu untersuchen. Damit konnte erstmals das volle Potential des Verfahrens beschrieben werden.
F. Haase, D. Manova, D. Hirsch, S. Mändl, H. Kersten
Plasma Sources Sci. Technol. 27 (2018) 044003
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Die Emission von Sekundärelektronen ausgelöst durch Ionenbeschuss ist ein Prozess, der bei allen Oberflächen auftritt. Während Variationen der Elektronenausbeute als Funktion der Oberflächenchemie prinzipiell bekannt sind, sind direkte Ausbeutemessungen sehr aufwändig. Mit einem indirekten Verfahren kann über eine kalorimetrische Thermosonde diese Emission sowohl für Metalle als auch isolierende Materialien, z.B. Polymere, einerseits direkt registriert werden und andererseits deren Zeitentwicklung während Plasma- oder Ionenbehandlungen verfolgt werden. Beispiele hier sind die Entfernung einer oberflächlichen Oxidschicht und die Bildung von Verbindungsschichten.