Design, Konstruktion und Test eines hochauflösenden Gegenfeldanalysators mit fokussierender Elektrode und hochgelegtem Kollektor

Abstract

Das Innere eines Ionentriebwerks des RIT-Typs ist der Ort, an dem der neutrale Treibstoff aus den Gastanks in ein Plasma umgewandelt wird. Um nun dieses Plasma zu untersuchen und seine Eigenschaften zu charakterisieren, werden neben invasiven auch nicht-invasive spektroskopische Methoden eingesetzt. Beide Analysemethoden benötigen einen direkten Zugang zum Plasma, um entweder Sonden direkt in das brennende Plasma zu bringen oder um dessen optisches Spektrum zu untersuchen. Zusätzlich gibt es neben diesen beiden Analysemethoden noch die Möglichkeit, aus der Ionenenergie im Strahl auf verschiedene Parameter und Eigenschaften des Plasmas zu schließen. So ein energieselektiver Detektor arbeitet üblicherweise mit elektrostatischen Gegenfeldern und bremst die Ionen so lange ab, bis sie eine wohldefinierte Energiebarriere nicht mehr überwinden können. Auf diese Weise wird die integrale Verteilung der Ionenenergie oberhalb der gesetzten Energieschwelle an einem bestimmten Punkt im Ionenstrahl bestimmt, aus der im Anschluss die Verteilung der Ionenenergie berechnet werden kann. Zusätzlich kann ein Verfahren der Diagnostikdurch räumliches Abtasten (Scannen) die räumliche Verteilung der Ionenenergie im gesamten Ionenstrahl liefern.Interessant sind diese Spektren vor allem deswegen, weil bei einem Gitter-Ionentriebwerk die Ionenenergie eine additive Überlagerung aus der angelegten Beschleunigungsspannung und dem Plasma-Wand-Potential ist. Somit kann in den aufgenommenen Spektren direkt ein wichtiger Parameter des Plasmas im Inneren des Triebwerks abgelesen werden. Der große Vorteil dieser Analysemethode liegt darin, dass die Information über das Plasma aus einer Messung ohne störenden Einfluss auf die eigentliche Messgröße stammen, da der Gegenfeldanalysator weder in direktem Kontakt mit dem Triebwerk noch mit dem Plasma im Inneren steht, sondern in einiger Entfernung vor dem Triebwerk positioniert ist.Das Herzstück eines jeden Gegenfeldanalysators ist sein energieselektiver Messkopf. In diesem wird mittels eines elektrischen Potentials eine wohldefinierte Barriere erzeugt, die nur Ionen mit ausreichender Energie passieren können. Das Besondere an dem in dieser Arbeit entwickelten Gegenfeldanalysator ist, dass diese Barriere nicht vor dem Kollektor aufgestellt ist, sondern der Kollektor selbst diese Barriere erzeugt. Somit werden Ionen mit ausreichender Energie direkt auf dem Gipfel der elektrostatischen Barriere detektiert und nicht erst nach dem Passieren dieser. Dies hat den Vorteil, dass es keine verzerrten Felder um den Gipfel gibt, wie es bei Gegenfeldanalysatoren mit engmaschigen Gittern sonst üblich ist. Bei Verwendung eines Maschengitters liegen lediglich die dünnen Drähten auf dem Retarding-Potential, während das Potential innerhalb einer Masche auf einen kleineren Wert absinkt - an einem massiven Kollektor hingegen ist das Potential auf der gesamten Oberfläche konstant und ohne jegliche Verzerrungen vorhanden.Auch wenn der prinzipielle Aufbau eines RPA mit hochgelegtem Kollektor bereits von J. Arol Simpson im Jahre 1961 vorgeschlagen wurde, so wurde er bis jetzt noch nicht umgesetzt. Die Schwierigkeit des apparativen Aufbaus liegt darin, dass die Kriechströme aufgrund des endlichen elektrischen Widerstands der Isolatoren bereits vergleichbar oder gar größer als der eigentlich zu messende Ionenstrom sind. Somit ist eine besondere Art der Isolierung und Abschirmung des hochgelegten Kollektors zu entwickeln. Zusätzlich muss der Sensor, der den auf den Kollektor auftreffenden Ionenstrom detektiert, auf dem gleichen Potential wie der Kollektor selbst arbeiten und kann nicht auf dem Potential des Labors betrieben werden. Neben diesen eher technischen Problemen ist auch die Fokussierung des abgebremsten Ionenstrahls vor dem Kollektor von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Güte des gesamten Messkopfes zu erzielen. Da die schnellen Ionen direkt vor dem Kollektor derart stark verlangsamt werden, gewinnt die Abstoßung aufgrund der eigenen Ladung an Bedeutung, so dass die Ionen eine transversale Geschwindigkeitskomponente erhalten, die das Ergebnis der RPA-Messung verfälscht. Der resultierenden Aufspaltung des Ionenstrahls im Inneren des Messkopfes muss mit fokussierenden Elektroden entgegengewirkt werden.Neben der Aufspaltung der Ionenbahnen direkt vor dem Kollektor muss auch auf die Ionen geachtet werden, die die Barriere nicht überwinden können und somit reflektiert werden. Die reflektierten Ionen können auf andere Elektroden treffen und an diesen sekundäre Ladungsträger auslösen. Diese im Inneren des Kopfes entstehenden Ladungsträger dürfen auf keinen Fall den Kollektor erreichen, da sie ein zusätzliches ungewolltes Signal erzeugen würden, das zur Messunsicherheit beiträgt.Der entwickelte Gegenfeldanalysator erreicht eine praktische Auflösung der gemessenen Ionenenergie von weniger als einem halben Promille bei einer angelegten Spannung von 1500 V. The aim of this doctoral thesis is the development of a biased retarding potential analyzer for recording the ion energy distribution function Abk{IEDF} in the energy range of 500 to si{2:!000}{eV} with high resolution (achieved resolution is 0,386,textperthousand at si{1:!550}{eV}). This type of analyzer applies the retarding potential to the collector itself. To avoid an increasing divergence the use of a focusing electrode is absolutely essential. In order to reduce secondary effects the entrance orifice consists of two negative electrodes. Moreover, the collector has to be shielded against the environment which is accomplished with both guard rings on the isolators and a metallic cage surrounding the collector.The developed retarding potential analyzer is capable of measuring the IEDF in the beam of the two ion sources RIT-2.5 and RIM-4. In the recorded RPA-spectra, a bimodal structure is seen and leads to the assumption of a periodical variation of the Debye sheath. This leads to the conclusion that the ion transit time is shorter than the half period of the variation of the Debye sheath potential, which is imprinted by the rf-excitation of the inductively coupled plasma. Furthermore, the small amount of ions with energies lower than the main spectra indicates that the ion pass the Debye sheath almost collision less, i.e. the mean free path of the ions is longer than the extension of the Debye sheath.