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Intense heavy ion beam-induced effects in carbon-based stripper foils

Kupka, Katharina :
Intense heavy ion beam-induced effects in carbon-based stripper foils.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Intense heavy ion beam-induced effects in carbon-based stripper foils
Language: English
Abstract:

Amorphous carbon or carbon-based stripper foils are commonly applied in accelerator technology for electron stripping of ions. At the planned facility for antiproton and ion research (FAIR) at the Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt, thin carbon stripper foils provide an option for directly delivering ions of intermediate charge states to the heavy ion synchrotron, SIS 18, in order to mitigate space charge limitations during high-intensity operation. In case of desired high end-energies in the synchrotron, a second stripping process by a thicker carbon foil provides ions of higher charge states for injection into the SIS18. High beam intensities and a pulsed beam structure as foreseen at FAIR pose new challenges to the stripper foils which experience enhanced degradation by radiation damage, thermal effects, and stress waves. In order to ensure reliable accelerator operation, radiation-hard stripper foils are required. This thesis aims to a better understanding of processes leading to degradation of carbon-based thin foils. Special focus is placed on ion-beam induced structure and physical property changes and on the influence of different beam parameters. Irradiation experiments were performed at the M3-beamline of the universal linear accelerator (UNILAC) at GSI, using swift heavy ion beams with different pulse lengths and repetition rates. Tested carbon foils were standard amorphous carbon stripper foils produced by the GSI target laboratory, as well as commercial amorphous and diamond-like carbon foils and buckypaper foils. Microstructural changes were investigated with various methods such as optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), profilometry and chromatic aberration measurements. For the investigation of structural changes X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), in-situ Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and small angle X-ray scattering (SAXS) were used. The changes of physical properties, in particular the electrical resistivity, thermal conductivity and stiffness of the foils were studied by in-situ 4-point probe, laser flash analysis and atomic force microscopy, respectively. A technique for measuring temperature of very thin, semitransparent and free-standing stripper foils during irradiation by means of an infrared (IR) camera was developed and applied. The experimental investigations were complemented by molecular dynamics simulations of amorphous carbon exposed to different swift heavy ions. The simulations provide information on the structural changes in the tracks at atomic scale. Virtual amorphous carbon cells were created by simulating liquid quenching and plasma deposition, yielding cells with different degrees of clustering of sp2 and sp3 bonding. The impacts of swift heavy ions were modeled by an instantaneous energy deposition deduced from inelastic thermal spike model calculations. Results of experiments and simulations provide evidence for the beam-induced transformation of amorphous carbon to a defected graphitic structure and for clustering of sp2 and sp3 bonds. These structural changes result in severe property changes. The electrical and thermal properties of amorphous carbon seem to improve during beam exposure, but the mechanical properties degrade severely. The beam conditions have a strong influence on the evolution of induced structure and property changes. A better understanding of the response of (amorphous) carbon stripper foils to swift heavy ion beams as revealed by dedicated irradiation and characterization experiments performed within this thesis, provides criteria for material requirements for future stripper foils used in high-power heavy ion accelerators such as FAIR.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Amorphe Kohlenstofffolien oder kohlenstoffbasierte Folien werden typischerweise für das Strippen von Elektronen zur Ladungserhöhung von Ionen in Beschleunigern eingesetzt. In der geplanten Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) bieten dünne amorphe Stripperfolien eine Möglichkeit, Ionen mit mittleren Ladungszuständen zu erzeugen und direkt in das Schwerionensynchrotron SIS18 zu injizieren, um Raumladungseffekte während des Hochstrombetriebs abzuschwächen. Für hohe Endenergien im Synchrotron liefert eine zweite, dickere Kohlenstofffolie Ionen mit höheren Ladungszuständen für die Injektion ins SIS18. Die bei FAIR geplanten hohen Strahlintensitäten und eine gepulste Strahlstruktur stellen eine Herausforderung für die eingesetzten Stripperfolien dar, die durch Strahlenschäden, thermische Effekte und Spannungswellen eine besondere Schädigung erfahren. Um einen zuverlässigen Beschleunigerbetrieb zu gewährleisten, sind strahlenharte Stripperfolien essentiell. Diese Arbeit hat zum Ziel, ein besseres Verständnis der Prozesse zu erlangen, die zur Stripperfolien- Schädigung führen. Ein Fokus liegt dabei auf ionenstrahlinduzierten Änderungen der Struktur und physikalischen Eigenschaften, sowie auf dem Einfluss der Stahlparameter. Bestrahlungsexperimente wurden am M3-Strahlzweig des Linearbeschleunigers UNILAC des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt mit verschiedenen Schwerionenstrahlen, unterschiedlichen Pulslängen und Wiederholraten durchgeführt. Die getesteten Folien beinhalteten amorphe Kohlenstofffolien, die im GSI Targetlabor hergestellt wurden, sowie kommerzielle amorphe und diamantähnliche Kohlenstofffolien und Buckypaper Folien. Mikrostrukturelle Änderungen wurden mit verschiedenen Methoden untersucht, zu denen optische Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM), Profilometrie, und chromatische Aberrations-Messungen gehören. Für die Charakterisierung der strukturellen Änderungen wurden Photoelektronenspektroskopie (XPS), Raman Spektroskopie, Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), in-situ Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Röntgen-Kleinwinkelstreuung (SAXS) genutzt. Die Änderung physikalischer Eigenschaften, wie die des elektrischen Widerstandes, der thermischen Diffusivität und der Steifigkeit wurden mittels Vier-Punkt-Methode, Laser Flash Analyse und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Für die Messung der Temperatur der dünnen, freistehenden und semi-transparenten Stripperfolien während der Bestrahlung wurde eine Kalibierungsmethode für eine Infrarot-Kamera entwickelt. Die experimentellen Untersuchungen wurden durch molekulardynamische Simulationen von ionenbestrahlten amorphem Kohlenstoff ergänzt. Die Simulationen liefern Informationen über strukturelle Änderungen in der Ionenspur auf atomarer Ebene. Die Simulationszellen wurden mit dem Verfahren des Quenchen aus der flüssigen Phase und mittels Plasmaabscheidung hergestellt. Die resultierenden Zellen besitzen eine unterschiedliche Ausprägung von Clustern aus sp2 und sp3 gebundenen Bereichen. Die Schwerionen wurden durch eine instantane Energiedeposition simuliert, die von Berechnungen basierend auf dem inelastischen Thermal Spike Model abgeleitet wurde. Die Ergebnisse der Experimente und Simulationen zeigen eine Transformation des amorphen Kohlenstoffs in eine defektreiche graphitische Struktur und zeigen die Präsenz von sp2 und sp3 gebunden Clustern. Diese Strukturänderungen führen zu erheblichen Eigenschaftsänderungen. Während sich die elektrische und thermische Leitfähigkeit durch die Bestrahlung verbessert, verschelchtern sich die mechanischen Eigenschaften. Die Strahlparameter zeigen einen starken Einfluss auf den Verlauf der induzierten Struktur- und Eigenschaftsänderungen. Die umfangreichen Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von (amorphen) Kohlenstoff-Stripperfolien unter Schwerionenbestrahlung bei und liefern Kriterien für Materialvorgaben für die Anwendung von Stripperfolien in Schwerionen-Beschleunigeranlagen wie FAIR.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: heavy ion beams, stripper foils, ion stripping, radiation damage, FAIR, GSI, amorphous carbon
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Ionenstrahlen, Stripperfolien, , Beschleuniger, Strahlenschäden, amorpher KohlenstoffGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Ion-Beam-Modified Materials
Date Deposited: 04 Aug 2016 07:48
Last Modified: 16 Sep 2016 07:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56116
Referees: Trautmann, Prof. Dr. Christina and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 7 July 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5611
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