F&E Schwerpunkte / Schwerpunkt: Ultra-Präzisions Oberflächenformgebung

Simulation von Ladungstransportprozessen in ionenoptischen Systemen

Im IOM wurde eine effektive Modellierungsstrategie entwickelt, mit der die Ionenextraktion und die Bildung des Ionenstrahles in Breitstrahlionenquellen umfassend beschrieben wird. In enger Wechselwirkung mit dem Experiment wurde die Simulation validiert. Sie erweist sich als ein effektives Werkzeug für die Entwicklung und Optimierung von Extraktionssystemen für die speziellen Anforderungen der Anwender bezüglich Strahlform und Strahldivergenz.

Grundsätzlich wird immer ein Einzelstrahl betrachtet, eine Modellierung des kompletten Breitstrahles in einer umfassenden Simulation ist nicht möglich. Der Breitstrahl kann dann aus den vielen Einzelstrahlen überlagert werden.

Simulierte Einzelstrahlen aus dem Extraktionssystem (3 Extraktionsgitter) einer Breitstrahl-Ionenquelle bei variierter Plasmadichte (von unten nach oben: Plasmadichte wächst), berechnet mit IGUN

Aufgrund der räumlich inhomogenen Plasmaerzeugung, dem Einfluß von Magnetfeldern, der Ladungsträgerdiffusion sowie den Wandverlusten weist das Plasma im Entladungsraum einer Breitstrahlionenquelle eine inhomogene Dichteverteilung auf. Diese bildet sich mehr oder weniger stark auch an der Plasmagrenzschicht ab. Somit werden den Einzelstrahlen unterschiedliche Eigenschaften aufprägt. Für eine Modellierung realistischer Breitstrahlprofile ist daher die Kenntnis dieser Plasmaverteilung unabdingbar. Es wurde ein Verfahren erarbeitet, das die vorliegende inhomogene Verteilung der Plasmadichte an der Plasmagrenzschicht aus experimentell einfach zugänglichen elektrischen Charakteristiken abzuleiten gestattet.

Neben den Ionen verläßt auch Neutralgas den Entladungsraum und strömt durch das Gittersystem aus. Infolge von Ladungsaustauschprozessen entstehen niederenergetische Ionen innerhalb des Extraktionssystem. Diese Ionen können auf eines der Gitter hin beschleunigt werden und beim Aufprall zur Zerstörung des Gitters beitragen (Gittererosion). Der komplexe Prozeß der Gittererosion wurde modelliert, um Aussagen über die Gitterlebensdauer treffen zu können.

Geometrische Störungen der axialsymmetrischen Extraktionsoptik beispielsweise durch eine Verschiebung der Extraktionsgitter gegeneinander oder eine Verkippung führen zu einer Verkippung des extrahierten Einzelstrahles. Dieser Effekt wird für fokussierende ebene Gitter ausgenutzt.

Versatz des Beschleunigungsgitters (zweites Gitter) führt zur Verkippung des Beamlets
(Simulation mit KOBRA3)

Ausgewählte Publikationen zu diesem Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt

• M. Tartz, E. Hartmann, R. Deltschew, H. Neumann, Approximation of the plasma inhomogenity by broad beam measurements and simulation, Rev. Sci. Instrum. 71 (2) (2000) 678-680.
• F. Scholze, H. Neumann, M. Tartz, J. Dienelt, H. Schlemm, Ion current density profile control of a scalable linear ion source and its application, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03C107 .
• J. H. Peters, M. Tartz, H. Neumann, Using design of experiments method to model beamlet properties, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03B905 .
• M. Tartz, E. Hartmann, R. Deltschew, H. Neumann, Effects of aperture displacement in broad-beam ion extraction systems, Rev. Sci. Instrum. 73 (2002) 928-930.
• M. Tartz, Simulation des Ladungstransportes in Breitstrahlionenquellen, Dissertation, Uni Leipzig, 2003.

Kontakt

Siehe auch

• Modellierung des Strahlprofiles einer Breitstrahlionenquelle
• Modellierung der Gitterlebensdauer (Gittererosion)
• Entwicklung von Breitstrahlionenquellen