Konstruktion und Charakterisierung einer lasersynchronisierten Pikosekunden-Ionenquelle zur Erzeugung ultrakurzer Ionenpulse im keV-Bereich

Ionenstrahlen stellen sowohl innerhalb der Festkörperphysik als auch im Bereich industrieller Anwendungen ein leistungsfähiges Werkzeug dar, da sie eine Analyse und Manipulation von Materie auf atomarer Skala ermöglichen. Dennoch ist die Dynamik, welche ein Ioneneinschlag auf einer Festkörperoberfläche auslöst, ausschließlich mithilfe von Computersimulationen zugänglich, da es an hinreichend kurzen Ionenpulsen mangelt, insbesondere für Ionen mit kinetischen Energien im keV-Regime. Es bedarf einer lasersynchronisierten Ionenquelle, welche Ionenpulse einer zeitlichen Dauer in der Größenordnung von Pikosekunden liefert, um diese ultraschnelle Dynamik im Rahmen zeitaufgelöster Anrege-Abfrage-Messungen in Echtzeit experimentell analysieren zu können. Daher behandelt diese Arbeit die Konstruktion und Charakterisierung einer lasersynchronisierten Pikosekunden-Ionenquelle zur Erzeugung ultrakurzer Ionenpulse im keV-Bereich. Dazu wird ein experimenteller Aufbau für den Betrieb einer gepulsten Überschall-Düsenstrahlexpansion mit neutralen Edelgas-Atomen unter Ultrahochvakuum-Bedingungen konzipiert, welche stromabwärts entlang der Expansionsachse durch Skimmer kollimiert wird. Eine Charakterisierung dieser Gaspulse hinsichtlich ihrer räumlichen Ausdehnung, Teilchendichte und Temperatur mittels Flugzeit-Massenspektrometrie ist in diese Arbeit eingebunden. Die Gasexpansion wird daraufhin senkrecht von einem ultrakurzen intensiven Laserpuls gekreuzt, um stark lokalisierte kalte Ionen unterschiedlicher Ladungszustände mithilfe von Tunnelionisa-tion bei hohen Feldstärken zu erzeugen. Eine als Ionenbuncher fungierende Anordnung dreier Elektroden erlaubt eine Extraktion der Ionen senkrecht zur Expansions- und Laserstrahlachse. Eine geeignete Wahl elektrostatischer Potentiale an den einzelnen Elektroden legt dabei die kinetische Energie fest und gewährleistet eine Flugzeitfokussierung erster Ordnung für die Ionen, welche die zweite Elektrode durch ein kleines Loch passieren und auf die dritte Target-Elektrode treffen, repräsentiert durch einen ultraschnellen MCP-Detektor. Die oberen beiden Elektroden sind für eine in situ-Ausrichtung gegenüber der Gas- bzw. Laserstrahlachse mithilfe linearer Piezo-Schrittmotoren konzipiert, was eine Ausdehnung des Ionenbunchers entlang seiner Extraktionsachse von wenigen Millimetern ermöglicht. Diese extreme Miniaturisierung reduziert die absolute Flugzeit der Ionen auf die Größenordnung einiger zehn Nanosekunden und minimiert die durch ihre Startort- und Startgeschwindigkeitsverteilung bedingte Flugzeitdispersion zum Zeitpunkt der Ionisation. Eine Charakterisierung des Ionenbunchers an eingelassenem Argon-Gas bei Raumtemperatur offenbart sowohl die exakte räumliche Lage der einzelnen Elektroden als auch diejenige Laserposition entlang der Extraktionsachse, bei der Flugzeitfokussierung erfolgt. Die gemessenen Flugzeitverteilungen von in unmittelbarer Umgebung des Flugzeitfokus erzeugten Ar+-Ionen weisen eine Zeitauflösung von 180 ps auf, welche im Wesentlichen aus der ursprünglichen, thermisch bedingten Verbreiterung der Geschwindigkeitsverteilung der Neutralteilchen resultiert. Dies zeigt die Notwendigkeit der Kühlung der neutralen Gasatome auf, infolgedessen der Ionenbuncher mitsamt des Laserfokus an der Expansionsachse ausgerichtet wird. Aufgrund immenser Clusterbildung und anschließender Fragmentierung mit Argon wird der Überschall-Gasexpansion mit Neon betrieben, woraus eine minimale Pulsbreite für Ne+ von 130 ps aufgrund der Messmethodik resultiert. Die tatsächliche Zeitauflösung der Flugzeitverteilung der Ionen wird unter Reduktion des Extraktionsfeldes extrapoliert, weshalb mutmaßlich eine Pulsbreite von 18 ps erzeugt und damit die experimentelle Umsetzung zur Erzeugung ultrakurzer Ionenpulse als erfolgreich angesehen werden kann.

Ion beams represent a powerful tool within the field of solid-state physics and industrial applications alike, as they facilitate the analysis and manipulation of matter on the atomic scale. However, the dynamics triggered by an ion impact impinging onto a solid surface are accessible by means of computer simulations exclusively due to the lack of sufficiently short ion pulses, particularly for ions with kinetic energies in the keV range. A laser-synchronized ion source providing ion pulses on the temporal order of picoseconds is required for the experimental analysis of these ultrafast dynamics in real time within the frame of time-resolved pump-probe measurements. Therefore, this thesis delves into the construction and characterization of a laser-synchronized picosecond ion source for the generation of ultra-short ion pulses in the keV regime. For this purpose, an experimental setup is designed for the allocation of neutral rare gas atoms entrained in a pulsed supersonic jet expansion within ultra-high vacuum conditions, collimated by skimmers further downstream its expansion axis. Consequently, the characterization of these gas pulses regarding their spatial extension, number density and temperature via time-of-flight mass spectrometry is incorporated within this thesis. The gas expansion is then intersected perpendicularly by an ultrashort intense laser pulse to produce highly localized cold ions of variable charge state via strong-field tunnel ionization. An arrangement of three electrodes forming an ion buncher allows an extraction of these ions perpendicular to the expansion and laser beam axis respectively. An appropriate choice of the electrostatic potentials at each electrode separately defines the kinetic energy and ensures first-order flight-time focussing conditions for the ions passing the second electrode through a small hole and hitting the third target electrode, mimicked by an ultrafast MCP detector. The top two electrodes are designed for an in situ-alignment against the gas and laser beam axis via linear piezo stages, rendering the extension of the whole ion buncher along its extraction axis to a few millimeters possible. This strong miniaturization reduces the total ion flight time to the order of tens of nanoseconds and minimizes their flight time dispersion due to their spatial and velocity distribution at the moment of ionization, respectively. A characterization of the ion buncher with inserted Argon gas at room temperature unfolds the exact spatial location of the individual electrodes as well as the particular laser position along the extraction axis where flight time focussing occurs. The detected flight time distributions of Ar+ ions generated in the immediate vicinity of the flight time focus reveal a temporal resolution of 180 ps, essentially limited by the initial thermal velocity spread of the neutral particles. This demonstrates the necessity for a cooling of the neutral gas atoms, consequentially the ion buncher and laser focus are aligned to the gas expansion axis. The supersonic jet expansion is then operated with Neon due to immense clustering and subsequent fragmentation for Argon, yielding a minimal pulse width for Ne+ ions of 130 ps due to the resolution of the measurement methodology. The actual temporal resolution of the ion flight time distribution is extrapolated by reduction of the extraction field, rendering a presumed pulse width of 18 ps and therefore the experimental realization for the generation of ultrashort ion pulses appears successful.

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