Transport und Wechselwirkungen hochgeladener Ionen beim Durchgang durch Nanokapillaren

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Zschornack
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 16707426

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Gegenstand des Projektes waren Untersuchungen zur Transmission hochgeladener Ionen durch Mikro- und Nanokapillarfolien bei verschiedenen Ionenladungszuständen und Ionenenergien. Genutzt wurde dabei eine Ionenstrahlanlage der Technischen Universität Dresden, die auf einer EBIS-Ionenquelle zur Erzeugung hochgeladener Ionen, verbunden mit einer Ionenbeamline inklusive magnetischer Ladungszustandsseparation und nachfolgender Ionenabbremsung in einem speziellen ionenoptischen System, beruhte. Als Projektile für die Untersuchungen wurden Argonionen gewählt. Die durchgeführten Arbeiten gliederten sich in drei Schwerpunkte: 1. Ionentransmission durch Nanokapillaren in PET-Folien bzw. durch hochorientierte Al2O3-Folien. 2. Ionentransport durch Mikroglaskapillaren. 3. Experimente mit anwendungsrelevanten Hintergrund. In den durchgeführten Experimenten wurden Voraussagen empirischer Transmissionsmodelle überprüft, die bisher auf einer Einteilung der Kapillare in einen Streu- und einen Führungsbereich beruhten. Dabei konnte verifiziert werden, dass Ergebnisse aus Modellrechnungen, die einen einzigen Wechselwirkungsbereich am Kapillareingang annehmen, konform mit eigenen Messungen sind. Dies erfolgte, indem die Wechselwirkung zwischen Ionen und Kapillarwand über die Analyse der zeitlichen Entwicklung der Transmissionswahrscheinlichkeit, der Divergenz des ausfallenden Ionenstrahls und über Umladungseffekte untersucht wurde. Die betrachteten Größen wurden dabei nach Erreichen eines Gleichgewichtszustandes zwischen Auf- und Entladung in Abhängigkeit von der Projektilenergie und vom Ionenladungszustand vermessen. Aus den erhaltenen Ergebnissen wurden Rückschlüsse auf wirkende Wechselwirkungszonen gezogen und es wurde Konformität zu theoretischen Modellansätzen erhalten. Ebenso wurde eine von der Theorie vorhergesagte Anisotropie bei der Divergenz des abgelenkten Ionenstrahls experimentell bestätigt. Die Eignung konischer Glaskapillaren zur Kompression und Fokussierung von Ionenstrahlen wurde untersucht und es konnte nachgewiesen werden, das bei der Verwendung von Mikrometerkapillaren Strahltransmissionen bis etwa 30% bei einer Erhöhung der Ionenstromdichte um 800% erhalten werden. Ebenso wurde experimentell nachgewiesen, dass Glaskapillaren mit entsprechender elektrischer Beschaltung zur Ionenabbremsung bei gleichzeitiger Zunahme der Ionenstromdichte geeignet sind. Neben der Bearbeitung von wissenschaftlich bedeutsamen Fragestellungen zum Ionentransport durch Mikro- und Nanokapillaren wurden anwendungsrelevante Aspekte wie die Nutzung des Guidingeffektes in Ionenmikrolinsen und der Ionentransport in einzelnen Mikrokapillaren betrachtet. Bedeutsam werden können diese Untersuchungen für Anwendungen in der Strahlenbiologie und für Experimente zur gezielten Modifikation von Oberflächen (Ioneneinzeltreffer, Nanozentren für epitaktisches Wachstum u.a).

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Highly charged ion guiding with nano capillaries. Institutsseminar des FZ Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Schmochtitz, 06.06.2006
  M. Kreller
  
• Guiding of highly charged ions through nano capillaries. Doktorandenseminar des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf, Rabenberg, 26.- 28.09.2007
  M. Kreller, G. Zschornack
  
• Transport of highly charged ions through nano capillaries. Institutsseminar des FZ Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Schmochtitz, 11.06.2007
  M. Kreller, U. Kentsch, G. Zschornack
  
• Transport und Wechselwirkung hochgeladener Ionen beim Durchgang durch Nanokapillaren. Evaluation des FZ Dresden-Rossendorf, 2007
  M. Kreller, G. Zschornack
  
• Guiding of argon ions through nanacapillaries in insulating PET polymers. Institutsseminar des FZ Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Schmochtitz, 01.07.2008
  M. Kreller, G. Zschornack
  
• Guiding of argon ions through PET nano capillary foils. 14th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (HCI 2008), Tokyo, 1.-5.09.2008
  M. Kreller, G. Zschornack, U. Kentsch
  
• Guiding of Argon ions through PET nano capillary foils. Journal of Physics: Conference Series, 163 (2009), 012090
  M. Kreller, G. Zschornack, U. Kentsch
  
• Guiding of highly charged ions through nano capillaries an macroscopic glass capillaries. Institutsseminar des FZ Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Schmochtitz,15.05.2009
  M. Kreller, G. Zschornack
  
• Guiding of argon ions through a tapered glass capillary. 24th International Conference on Atomic Collisions in solids, Krakow, Poland, 18.-23.07.2010
  M. Kreller, G. Zschornack, U. Kentsch
  
• Guiding of Argon ions through a tapered glass capillary. 24th International Conference on Atomic Collisions with Solids, Krakow, Poland, July 18-23, 2010; Book of Abstracts p. Th-P-2
  M. Kreller, G. Zschornack, U. Kentsch
  
• Guiding of Highly Charged Ions through Nanocapillaries an Macroscopic Glass Capillaries. Doktorandenseminar des Institutes für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des Helmholtzzentrums Dresden-Rossendorf, Dresden, 13.12.2010
  M. Kreller
  
• Guiding of argon ions through a tapered glass capillary. Nuclear Instruments and Methods In Physics Research, Section B - Beam Interactions with Materials and Atoms, 269 (2011) S. 1032-1035
  M. Kreller, G. Zschornack, U. Kentsch
  
• Nutzung des Effektes der geführten Transmission zur Abbremsung und Kompression von Ionenstrahlen im µm-Bereich. 75th Annual Meeting of the DPG and combined DPG Spring Meeting 2011, March 13 - 18, 2011, Dresden
  M. Kreller, G. Zschornack