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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-76879
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7687/


Kröner, Michael

Development of a biplanar micro multipole ion trap

Entwicklung einer biplanaren Mikro-Multipol-Ionenfalle

Dokument1.pdf (24.387 KB) (md5sum: 8214c0f78efe7d63ffaec6aa71d17f1c)

Kurzfassung in Englisch

In this thesis a microfabricated biplanar multipole ion trap for experiments under ultra high vacuum conditions is developed. The basic design stems from a well known 22-pole ion trap, fabricated with conventional machining methods. High-order multipole ion traps have the advantage of large field free trapping regions, perfectly suited for ion-ion or ion-neutral collision experiments. Microfabrication methods enable a higher degree of freedom over conventional methods in electrode design for ion shifting, manipulation, and extraction, as well as improved accuracy. Two generations of ion trap design, with 32, respectively 28 comb-like interdigital RF electrodes and rectangular shaped static endcap electrodes are evaporated and patterned with MEMS processes onto an optically transparent Pyrex substrate. Field shaping electrodes on the back side of each chip enable an efficient extraction of ions. Two chips with mirrored electrode design, facing each other, compose the biplanar trap, which thereby provide unmatched optical access to the trapping region. The active electrode area for both designs is 30 * 30 mm*mm. A packaging concept for ultra high vacuum conditions has been developed and consequently improved for trapping performance and manageability to a pluggable system for the second generation trap design. Special attention has been drawn to the compatibility of the utilized materials regarding vacuum conditions and magnetic properties. The chips are contacted from the back side by drilled trough-wafer vias. For the intended use in combination with a magneto-optical trap, enabling experiments for ion-neutral collisions using transparent electrodes, an ITO sputtering process has been characterized. The trap is analytically modeled using the theory of effective potentials and adiabaticity parameters. Numerical verifications using FEM simulations showed a good agreement with the analytical model. A parameter study for different electrode geometries is accomplished by numerical simulations, showing design limitations regarding producibility and trapping performance. Trajectory simulations are used to illustrate the influence of the static electrodes to the trapping volume. Both traps are characterized under high vacuum conditions, with external and in-trap ion generation. Surface charge-up effects are observed with the in-trap ion generation and described with an differential RC model in good agreement with the measured time constants for the ion signal loss during trapping. Trapping lifetimes are measured as a function of RF frequency and amplitude for different ions. The trapping performance of both traps is almost identical with measured lifetimes of t = 5...16 s. Two analytically predicted operation modes of the biplanar trap could be experimentally verified. The biplanar traps perform in good agreement with the calculated effective trap depths. The second generation design biplanar trap and chip mount considerably improved assembly, manageability and ease of use.


Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Arbeit wird eine neuartige biplanare Multipol Radiofrequenz Ionenfalle für physikalische Experimente unter Hochvakuumbedingungen entwickelt. Die grundlegende Idee der Falle stammt von einer, in weiten Teilen der Experimentalphysik eingesetzten, konventionell hergestellten 22-Pol Ionenfalle ab. Das Speichergebiet von Multipolfallen hoher Ordnung ist in großen Bereichen nahezu feldfrei. Damit sind diese Fallen hervorragend geeignet für Stoßexperimente zwischen Ionen und zwischen Ionen und Neutralteilchen. Die Herstellung dieser Art von Ionenfallen mit mikrotechnischen Mitteln anstelle von konventionellen Fertigungsverfahren eröffnet neue Möglichkeiten im Elektrodendesign zum gezielten Verschieben und Manipulieren von gefangenen Ionen und zu verbesserten Extraktionseigenschaften. Hierbei ist die allgemein höhere Fertigungsgenauigkeit von zusätzlichem Vorteil. Zwei verschiedene Fallengenerationen, mit 32 bzw. 28 in einer Kammstruktur angeordneten radiofrequenz Elektroden und zusätzlichen statischen Endkappenelektroden, werden mittels eines thermischen Aufdampfprozesses einer Goldschicht auf ein optisch transparentes Pyrex Substrat aufgebracht. Für eine gesteigerte Extraktionseffizienz der gefangenen Ionen werden auf der Rückseite der Chips zusätzliche Extraktionselektroden im gleichen Verfahren hergestellt. Eine Falle besteht aus zwei sich gegenüberliegenden Chips mit gespiegelten Elektroden, die in einem Abstand von 5 mm angebracht sind. Dadurch wird ein bisher unerreichter optischer Zugang zu den gespeicherten Ionen in der Mitte zwischen den Chips erreicht. Der funktionale Bereich der Elektrodenstrukturen misst eine Fläche von 30 * 30 mm*mm für beide Fallengenerationen. Es wurde ein spezielles Aufbau- und Verbindungstechnikkonzept für den Einsatz der Fallen unter Ultrahochvakuumbedingungen entwickelt und für die zweite Fallengeneration konsequent verbessert. Durch den Einsatz eines steckbaren Halterungskonzepts konnte die Handhabbarkeit bezüglich des Aufbaus der Falle, sowie vereinfachte Spannungseinstellungen erzielt werden. Die Ionenfallen werden in beiden Generationen von der Rückseite elektrisch kontaktiert. Bei der Konstruktion der Halter wurde bei allen Materialien spezieller Wert auf die Vakuumkompatibilität, als auch auf die magnetischen Eigenschaften der verwendeten Stähle gelegt. Die Möglichkeit für zukünftige Experimente mit einer überlagerten magneto-optischen Falle, welche Stoßexperimente von Ionen mit kalten Neutralteilchen ermöglicht, wird durch die Charakterisierung eines ITO Sputterprozesses untersucht. ITO Elektroden sind sowohl optisch transparent als auch elektrisch leitend, was die Möglichkeit einer uneingeschränkt optisch zugänglichen Ionenfalle bedeutet. Zur analytischen Beschreibung der Ionenfalle wird ein Modell auf Basis der Theorie der effektiven Potentiale in Verbindung mit einem Adiabatizitätsparameter verwendet. Vergleichende numerische Berechnungen mittels FEM Simulation zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit dem analytischen Modell. Verschiedene Elektrodengeometrien wurden in einer Parameterstudie mit dem numerischen Modell durchgeführt. Hierdurch konnten Rahmenbedingungen für die Konstruktion der Fallen bezüglich Herstellbarkeit und Speichereigenschaften abgeleitet werden. Simulationen von Ionentrajektorien wurden durchgeführt um den Einfluss der statischen Elektroden auf das Fallenvolumen darzustellen. Beide Fallengenerationen wurden erfolgreich unter Hochvakuumbedingungen charakterisiert. Durch die Erzeugung von Ionen direkt in der Fallenmitte in der ersten Generation traten Aufladungseffekte des nichtleitenden Substrats auf. Diese werden mit einem differentiellen RC Modell beschrieben, welches sich in guter Übereinstimmung mit dem gemessenen Signalverlust während des Speicherbetriebs befindet. Ionenspeicherzeiten wurden für zwei unterschiedliche Ionenarten als Funktion der RF Amplitude und Frequenz gemessen. Das Speicherverhalten beider Generationen ist vergleichbar. Es wurden Ionen-Lebensdauern zwischen t = 5...16 s gemessen. Hierbei konnten die zwei analytisch hervorgesagten Betriebsmodi der Ionenfallen experimentell nachgewiesen werden. Das Speicherverhalten der Ionenfallen stimmt gut mit den analytisch und numerisch berechneten Fallentiefen überein. Mit der zweiten Generation der Ionenfalle konnte eine wesentliche Verbesserung in der Aufbautechnik bezüglich Handhabbarkeit und Austauschbarkeit der Fallen, sowie in der experimentellen Bedienbarkeit erzielt werden.


SWD-Schlagwörter: Ionenfalle
Freie Schlagwörter (deutsch): Biplanare Ionenfalle , Mikro Ionenfalle , Mikrosystemtechnik
Freie Schlagwörter (englisch): Biplanar ion trap , micro ion trap , multipole ion trap , MEMS
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Woias, Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.08.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 13.08.2010
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