5 MV Tandemaccelerator

Tandem Pelletron-acceleratorn är den största acceleratorn vid Tandemlaboratoriet. Fyra jonkällor producerar ett brett spektrum av lätta och tunga joner med energier från 2 MeV till cirka 50 MeV.

Tandemacceleratorn (5 MV 15SDH-2 Tandem Pelletron från NEC) levererar joner till sex olika strålrör, som används för en rad olika tekniker inom jonstråleanalys och jonstrålemodifiering av material.

  • 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

Forskare vid apparat

Strålrör 1 används främst för att mäta vätekoncentrationer med hög djupupplösning ned till ett fåtal nanometer

Vid en energi på 6,385 MeV genomgår kväveisotopen 15N en resonant kärnreaktion med väte (15N(H,αγ)12C) som leder till emission av en karaktäristisk gammafoton med en energi på 4,43 MeV. Uppställningen i strålrör 1 är utrustad med en gammadetektor som mäter dessa fotoner, vilket gör det möjligt att kvantifiera väte.

Genom att utnyttja den karaktäristiska energiförlusten för jonerna i ett prov och stegvis öka strålenergin vid acceleratorn, kan man mäta djupprofiler av väte med en upplösning på några nanometer. I kammaren finns också en partikeldetektor som kan användas samtidigt med gammadetektorn för RBS- och EBS-analys.

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

  • 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.

Strålrör 2 används för att kartlägga hur grundämnen och partiklar fördelar sig i ett prov. Här kan material analyseras ned till 1,5 mikrometer.

För att analysera yt- och djupfördelningen av grundämnen i ett prov fokuseras jonstrålen i detta strålrör ner till mikrometerskala och skannas över provytan.

Mikrosstrålen är ett mångsidigt verktyg som kan användas inom olika forskningsområden, till exempel för att studera var mikropartiklar i befinner sig tandköttet vid tandimplantat, och kartlägga var och på vilka djup olika grundämnen förekommer i så kallade MOF-kristaller som används för katalys.

Jonstrålarna från detta strålrör kan också användas för att simulera strålskador på komponenter i kärnkraftsreaktorer och rymdfarkoster utan att materialet blir alltför radioaktivt.

Spotstorlek 1,5 mikrometer x 1 mikrometer

Vår mikrostråle-uppställning använder proton- eller heliumstrålar från Tandemacceleratorn och fokuserar dem till en högvakuumkammare med flera detektorer. Det går att uppnå en spotstorlek ned till 1,5 mikrometer x 1,0 mikrometer. Även för högströmstillämpningar, med jonströmmar på flera hundra pA, är en spotstorlek på så litet som 3,3 mikrometer × 2,0 mikrometer möjlig.

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

Flera analysmetoder

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.

  • 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 3: här byggs den nya LigHt plattformen

LigHt

Här byggs den nya infrastrukturplattformen för karakterisering av lätta grundämnen (LigHt)

Strålrör 4: omfattande jonstråleanalys

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.

Strålrör 4 är anpassad för att analysera många prover och stora prover med flera olika analysmetoder samtidigt. Även förändringar i provet när det utsätts för elektrisk ström kan studeras.

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.

Upp till 20 prover samtidigt

Den första kammaren är avsedd för IBA-experiment med hög kapacitet i fråga om antal analyserade prover. De jonstrålemetoder som finns tillgängliga är RBS, EBS, NRA, PIXE och ToF-ERDA. Upp till 20 prover kan monteras på samma hållare och köras automatiskt. Provhållaren kan ridas runt två axlar för att möjliggöra jonkanaliseringsexperiment.

Fördelar med segmenterad gasjonisationskammare

Den andra kammaren är främst avsedd för ToF-ERDA-mätningar med en segmenterad gasjonisationskammare som energidetektor. Denna teknik leder till förbättrad massupplösning för tyngre grundämnen och lägre känslighet för strålningsskador jämfört med en halvledardetektor som används i den första kammaren. Detta gör denna detektionsteknik lämplig för att analysera prover som innehåller grundämnen med högt atomnummer.

Flera IBA-tekniker och utrymme för stora prov, som batterier

Uppställningen kompletteras med en PIXE-detektor, partikeldetektorer för andra IBA-tekniker samt genomföringar för elektriska signalledningar. Vakuumkammaren är vidare 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. Denna uppställning har till exempel använts för att observera förändringar i litium- och syrefördelningen i ett tunnfilmslitiumjonbatteri 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.
  • Ultrasnabb 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

Ett horisontellt strålrör i ett laboratorium som sträcker sig genom hela bilden. Två vertikala delar sträcker sig upp till toppen. En kvinna arbetar i laboratoriet och ser koncentrerad ut. Hon står mellan de två vertikala delarna och ser ut att justera ett instrument som är placerat på toppen av det horisontella strålröret.

Strålrör 5 används för att skräddarsy ett material på nanometernivå och homogent bestråla en yta.

I detta strålrör skickas joner i hög hastighet mot provet för att skräddarsy materialegenskaper eller för att skapa nanostrukturer.

Jonslag, energi och laddningstillstånd kan väljas vid Tandemacceleratorn för 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 till exempel använts för att undersöka defekter och vakanser i halvledande material, inklusive nanopartiklar. Det har även använts för att producera porer i polyimid, för att att studera tillverkningen av nanomembran. Nanomembran kan till exempel användas till bioteknologisk filtrering eller gasdetektetion.

Jonstrålarna från detta strålrör kan också användas för att simulera strålskador på komponenter i kärnkraftsreaktorer och rymdfarkoster utan att materialet blir alltför radioaktivt.

  • 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

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.

Strålrör 6 används för att studera förändringar i ett prov samtidigt som det utsätts för gas, värme eller kyla. Det är också möjligt att studera tunnfilmstillväxt.

Det sjätte strålröret kombinerar MeV-jonstråleanalys med möjligheten att studera processer på och nära ytan samtidigt som provet utsätts för gas, värme eller kyla.

Det är också möjligt att göra jonstråleanalys medan provet byggs upp som en tunnfilm i flera lager. Man kan därmed studera de allra första stadierna av tunnfilmstillväxt eller oxidation in-situ.

SIGMA - byggd på tandemlaboratoriet

Den multifunktionella uppställningen SIGMA är byggd på plats på Tandemlaboratoriet. SIGMA, kort för "Set-up for In-situ Growth, Materials modification and Analysis by ion beams", är utrustad med flera verktyg och detektorer för att kunna studera processerna ovan.

En elektronstråleförångare med tre källor gör det möjligt att tillverka tunnfilmer 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.

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