5 MV Tandemaccelerator

5 MV 15SDH-2 Tandem Pelletron-acceleratorn från NEC är den största acceleratorn vid Tandemlaboratoriet. Fyra jonkällor producerar ett brett spektrum av lätta och tunga joner med energier mellan 2 MeV och flera 10 MeV. Tandemacceleratorn levererar joner till sex olika strålrör, som används för en rad olika tekniker inom jonstråleanalys och jonstrålemodifiering av material.

Strålrör 1: högupplöst väteprofilering med kärnreaktioner

Strålrör 2: materialanalys med mikrosstråle

Strålrör 3: här byggs den nya LigHt plattformen

Strålrör 4: omfattande jonstråleanalys

Strålrör 5: MeV jonbestrålningar

Strålrör 6: in-situ tillverkning, modifiering och jonstråleanalys

  • En duaplasmatronkälla avsedd för produktion av heliumisotoper.
  • En duaplasmatron, också med gas som utgångsmaterial, som levererar strålar av t.ex. protoner, deuteroner eller kväveisotoper.
  • Två Cs-sputterkällor som använder fasta targets. Exempel på joner som produceras av dessa källor, som regelbundet används i vårt laboratorium, är: 6Li, 7Li, 12C, 16O, 19F, 31P, 35Cl, 74Ge, 79Br, 107Ag, 127I och 197Au.
  • Acceleration i två steg: först accelereras negativa joner mot högspänningsterminalen där (en del av) deras elektroner avlägsnas i en gascell. De nu positiva jonerna accelereras igen när de lämnar terminalen.
  • Övre energigräns på ungefär 50 MeV för tunga joner beroende på det maximalt uppnåbara laddningstillståndet vid strippning inuti gascellen.
  • En ytterligare elektronstripper bakom acceleratorn möjliggör laddningstillstånd upp till minst 25+ utan att jonenergin förändras ytterligare.

Strålrör 1: högupplöst väteprofilering med kärnreaktioner

Denna experimentella uppställning främst används för att mäta vätekoncentrationer med hög djupupplösning. Vid en energi på 6,385 MeV genomgår 15N en resonant kärnreaktion med väte (15N(H,αγ)12C) som leder till emission av en karakteristisk gammafoton med en energi på 4,43 MeV. Uppställningen är utrustad med en gammadetektor som mäter dessa fotoner, vilket gör det möjligt att kvantifiera väte. Genom att utnyttja den karakteristiska energiförlusten av jonerna i ett prov och stegvis öka den strålenergin vid acceleratorn, kan man mäta djupprofiler av väte med en upplösning på några nanometer.

Provet är monterat på en goniometer som möjliggör vinkelupplösta mätningar och experiment där joner kanaliseras. På detta sätt kunde man t.ex. bestämma positionen för väteatomer som befinner sig i Fe/V-supergitter.

I kammaren finns också en partikeldetektor som kan användas samtidigt med gammadetektorn för RBS- och EBS-analys.

  • Blyskärmad scintillationsdetektor av vismutgermanat för detektion av gammastrålning, som täcker en rymdvinkel på 1 sr.
  • PIPS-detektor (passivated implanted planar silicon detector) för RBS- och EBS-mätningar.
  • Automatisk datainsamling för olika strålenergier för bekväm mätning av djupprofiler.
  • Automatiserad goniometerrörelse, inklusive en rotationsaxel vinkelrätt mot strålriktningen.
  • Termisk kontakt med en yttre behållare som möjliggör anpassning av provtemperaturen mellan temperaturen av flytande kväve och ~90°C.
  • Tryck inuti kammaren: ~10-8 mbar.

Strålrör 2: materialanalys med mikrosstråle

Ett långt strålrör sträcker sig hela vägen genom den nedre halvan av bilden. I delen närmast kameran lutar sig en man över strålröret för att justera en yttre mikrometer.

För att ytterligare analysera den laterala fördelningen av grundämnen i ett prov fokuseras jonstrålen ner till mikrometerskala och skannas över provytan. Vår mikrostrål-uppställningen använder proton- eller heliumstrålar från Tandemacceleratorn och fokuserar dem i en högvakuumkammaren med flera detektorer. En spotstorlek på ned till 1,5 mikrometer x 1,0 mikrometer kan uppnås. För högströmstillämpningar, med jonströmmar på flera hundra pA, är en utmärkt spotstorlek på 3,3 mikrometer × 2,0 mikrometer fortfarande möjlig.

Det största området som kan skannas av strålen är ungefär 2 mm x 2 mm, men större kartor kan genereras genom en automatiserad kombination av strålskanning och provhållarrörelser.

Flera analysmetoder kan kombineras med mikrostrålen. PIXE, RBS, STIM, ERDA och NRA är integrerade och används under den dagliga driften. Digitala bildbehandlingstekniker kan utföras på uppmätta IBA-kartor för att automatiskt identifiera och analysera enskilda mikrometerstora partiklar.

Mikrosonden är ett mycket mångsidigt verktyg som kan användas inom många olika forskningsområden. Bland de senaste exemplen finns en studie om deposition av bläck som är relevant för kriminalteknik och djupupplöst elementär kartläggning av enskilda kristaller i metallorganiska ramverk (MOF) med tillämpningar inom katalys.

  • Jonoptiska element från Oxford Microprobe Ltd.; bland annat aperturer, en magnetisk kvadrupollins-triplett för strålfokussering och dipolspolar för skanning.
  • Tjock, ringformad ytbarriärdetektor (tjocklek: 1500 µm, rymdvinkel: 0,39 sr) för RBS/EBS- och NRA-analys.
  • Infällbar Si(Li)-detektor kyld med flytande kväve och med 30 mm2 aktiv yta för PIXE-analys.
  • Dioddetektorer för ERDA- och STIM-mätningar. Enheten är flyttbar vilket möjliggör STIM-mätningar i olika geometrier.
  • Optiskt mikroskop i målkammaren.
  • Elektrisk isolering av målkammaren från strålröret och stödstrukturer för mätningar av strålströmmen. Dessutom kan strålströmmen mätas vid provhållaren och, om proverna är tillräckligt tunna, med en separerad detektor installerad i transmissionsgeometrin.

Strålrör 4: omfattande jonstråleanalys

Detta strålrör har två spridningskammare med många detektorer för en rad olika jonstråleanalysmetoder (IBA). Möjligheten att köra flera IBA-metoder samtidigt ger användarna kompletterande information och möjliggör en omfattande materialkarakterisering. Detta arbetssätt med flera metoder har demonstrerats exemplariskt för legeringar av övergångsmetaller.

Den första kammaren är avsedd för IBA-experiment med hög kapacitet, nämligen RBS, EBS, NRA, PIXE och ToF-ERDA. 20 prover kan monteras på samma hållare och köras på ett automatiserat sätt. Provhållaren kan vridas runt två axlar för att möjliggöra jonkanaliseringsexperiment.

Slutstationen för strålrör 4. Två vakuumkammare är fullt synliga, och kanten på en tredje kammare fotograferas i det nedre högra hörnet. Flera mätinstrument och många kablar kan ses. Längst bak syns den blå omkopplingsmagneten. Förutom strålrör 4 med två gröna magneter kan man se startpunkterna för andra strålrör.

Den andra kammaren är främst avsedd för ToF-ERDA-mätningar med en segmenterad gasjonisationskammare som energidetektor. Denna teknik leder till förbättrad massupplösning och lägre känslighet för strålningsskador jämfört med en halvledardetektor som används i den första kammaren. Den senare egenskapen gör denna detektionsteknik lämplig för att även kunna analysera prover som innehåller grundämnen med högt atomnummer. Uppställningen kompletteras med en PIXE-detektor, partikeldetektorer för andra IBA-tekniker samt genomföringar för elektriska signalledningar. Vakuumkammaren är konstruerad för att rymma relativt stora prover med storlekar upp till 20 cm x 15 cm med en tjocklek på flera cm. Ännu större prover kan installeras med begränsade möjligheter till rörelser. Nyligen har denna uppställning använts för att observera förändringar i litium- och syrefördelningen i ett tunnfilms litiumjonbatteri under laddning och urladdning.

En ytterligare tredje kammare ger utrymme för att skapa anpassade uppställningar och demonstrationsförsök, som till exempel används vid utbildning av studenter.

  • En PIPS-detektor (passivated implanted planar silicon detector) är fixerad vid 170° spridningsvinkel, och en andra är fritt rörlig för olika jonstråleanalysmetoder. Fler detektorer kan installeras på behovsbasis, och genom att kombinera deras individuella signaler kan den effektiva rymdvinkeln för experimentet ökas.
  • ToF-ERDA-uppställning för samtidig mätning av energi och flygtid. Den består av en halvledardetektor för energimätning i utgången av en flygsträcka mellan två kolfolier.
  • Ultra-snabb kiseldrivdetektor (Amptek XR-100) för PIXE-mätningar.
  • Automatiserad provförflyttning inklusive slumpmässiga rotationer runt en fast spridningsvinkel för att undvika effekter av kristallstruktur.

  • ToF-ERDA-detektor som använder en gasjoniseringskammare i stället för en halvledardetektor för förbättrad massupplösning och minskad känslighet för strålningsskador.
  • Aktiv pumpning av ToF-ERDA systemet även under standby, vilket minimerar variationer i detektionseffektiviteten.
  • Ultra-snabb kiseldrivdetektor (Amptek XR-100) för PIXE-mätningar.
  • Stora fönster för optisk karakterisering och manipulation.
  • Provet kan förflyttas 20 cm längs den vertikala axeln och 3 cm längs de två vinkelräta axlarna. Provet kan roteras fritt runt den vertikala axeln.

Strålrör 5: MeV jonbestrålningar

Bestrålningar med snabba joner används för att skräddarsy materialegenskaper eller för att skapa nanostrukturer. Jonslag, energi och laddningstillstånd kan väljas vid Tandemacceleratorn i enlighet med önskat resultat eller tillämpning. Dessutom är det möjligt att skanna jonstrålen för att bestråla områden på upp till 10 cm x 10 cm på ett homogent sätt. Uppställningen har bland annat använts för att undersöka defekter och vakanser i flera halvledande material, inklusive nanopartiklar, samt för att producera porer i polyimid för att studera tillverkningen av nanomembran med potentiella tillämpningar inom till exempel filtrering eller gasavkänning.

  • Doser upp till några gånger 1016 per cm2 kan uppnås inom några timmars exponeringstid.
  • Upp till 20 prover kan laddas åt gången i en laddningskammare. Därifrån överförs proverna ett i taget till bestrålningskammaren.
  • Waferstorlekar upp till 4'' kan rymmas i standardiserade provramar.
  • Elektriska genomföringar för att studera elektriska egenskaper under drift.
  • Tryck under bestrålning: ca. 5 x 10-7 mbar.

Strålrör 6: in-situ tillverkning, modifiering och jonstråleanalys

Det sjätte strålröret kombinerar MeV-jonstråleanalys med möjligheter för tunnfilmstillväxt och materialmodifiering för att studera processer på och nära ytan, såsom de allra första stadierna av tillväxt eller oxidation in-situ. Den multifunktionella anläggningen SIGMA (från engelska: Set-up for In-situ Growth, Materials modification and Analysis by ion beams) är utrustad med flera verktyg och detektorer för att uppnå detta mål.

En elektronstråleförångare med tre källor gör det möjligt att tillverka filmer från upp till tre olika material samtidigt. Utrustningen kompletteras med möjligheter att sputterrengöra provet samt att införa gas i kammaren för ytterligare modifiering och reaktiv tillväxt. Det är möjligt att värma eller kyla provet under tillverkning eller jonstråleanalys. I kammaren finns flera partikeldetektorer samt detektorer för röntgenstrålning och gammastrålning, vilket möjliggör omfattande materialanalys med jonstråle utan att de tillväxta eller förberedda proverna utsätts för luft.

En närbild av SIGMA-kammarens utsida. Många flänsar och anslutningar i rostfritt stål är synliga. En man som arbetar med utrustningen syns i bakgrunden, oskarpt.

SIGMA har bland annat använts för att studera bildningen av fotokroma material för smart-fönster-tillämpningar och för att undersöka mikrostruktur och termiskt inducerad segregering och diffusion i fusionsrelevanta material.

  • Tre PIPS-detektorer (passivated implanted planar silicon detectors): en rörlig i bakåt riktning för RBS, EBS och NRA och två för att detektera framåtspridda joner för ERDA-mätningar.
  • Röntgendetektor för PIXE-mätningar.
  • Germaniumdetektor med hög renhet för detektering av gammastrålning från kärnreaktioner (PIGE och NRA).
  • 5-axlig goniometer (3 translationer, 2 rotationer) för exakt positionering av provet.
  • Glödtråd på provets baksida för både resistiv uppvärmning och uppvärmning med elektronstråle upp till 1000°C.
  • Möjlighet att kyla provet med flytande kväve.
  • Elektronstråleförångare med tre källor (FOCUS EFM 3 T) som möjliggör deponering av upp till tre olika material samtidigt.
  • Källa som producerar argon-, deuterium- eller vätejoner med energier mellan 0,12 keV och 5 keV.
  • Möjlighet att använda en högkänslig kvartskristallmikrobalans för realtidsövervakning av massförändringar samtidigt med filmtillväxt, jonimplantation eller jonstråleanalys.
  • Avtagbar kammare som kan användas för att överföra prover under högvakuumförhållanden.
  • Tryck inuti kammaren: ~5 x 10-9 mbar.

Kontakt

Senast uppdaterad:

FÖLJ UPPSALA UNIVERSITET PÅ

Uppsala universitet på facebook
Uppsala universitet på Instagram
Uppsala universitet på Youtube
Uppsala universitet på Linkedin