DE2951376C2

DE2951376C2 - Verfahren zur Erzeugung einer Kernspur oder einer Vielzahl von Kernspuren von schweren Ionen und von aus den Kernspuren durch Ätzung gebildeten Mikrolöchern, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2951376C2
Application number: DE2951376A
Authority: DE
Inventors: Reimar 6100 Darmstadt Spohr
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1979-12-20
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1983-09-15
Also published as: US4369370A; FR2472194B1; DE2951376A1; FR2472194A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 2.

Das hier vorgeschlagene Verfahren befaßt sich mit der Herstellung von feinsten Einzellöchern in organischen Folien, Gläsern sowie dünnen dielektrischen Kristallen. Für bestimmte Zwecke sollen bisher ^b5 unerreicht feine Löcher bis herab zu 0,01 μη Lochdurchmesser in reproduzierbarer Weise hergestellt werden. Wünschenswert ist weiterhin ein Verhältnis zwischen Lochdurchmesser und Lochlänge von bis zu 1 :1000.

Einzeilöcher in Folien lassen sich durch mechanische Verfahren, mit Laser, mit Elektronenstrahl, durch Fotobzw. Röntgenlithographie sowie mit Hilfe von Faserverbundtechniken herstellen. Bekannt ist die Herstellung einer Einlochmembran aus unbestrahlten Glimmerfolien. Hierbei nutzt man die Tatsache aus, daß natürlicher Glimmer einige latente Kernspiiren durch das in ihm in geringer Konzentration enthaltene spontanspaltende Uran enthält. Nach der Ätzung der Glimmerfolien wird eine geeignete Kernspur ausgewählt Die nicht benötigten Kernspuren müssen jedoch anschließend abgedichtet werden.

Sieht man von den übrigen Verfahren ab, deren Loch-Durchmesser- zu Längenverhältnis minimal 1 :100 beträgt, so gestattet lediglich die Kernspurtechnik die Herstellung von Löchern kleiner als 0,1 .um bei einem Loch-Durchmesser- zu Längenverhäitnis von bis herab 1 :1000. Die Schwierigkeiten bei der Abdichtung aller übrigen Kernspurlöcher nach Heraussuchen bzw. Auswählen eines einzigen geeignet plazierten Kernspurlochs sind folgende:

1. Die Lochgröße muß zur Sichtbarmachung ausreichen.

2. Es ist sehr schwierig, einzeln liegende Löcher kleiner als 1 μΐπ licht- oder elektronenmikroskopisch zu lokalisieren.

3. Es wird eine Mikromanipulation zur Abdichtung der verbleibenden Löcher z. B. mit Klebstoff benötigt.

4. Beschränkt man sich auf sehr schwach bestrahlte Folien, auf deren gesamte Oberfläche im statistischen Mittelwert nur ein Loch entfällt, so entsteht aufgrund der statistischen Streuung die Notwendigkeit, jede einzelne Folie einer Qualitätskontrolle zu unterziehen, um festzustellen, wieviele Löcher auf der jeweiligen Folie vorliegen.

5. Das Loch kann nicht gezielt auf die Mitte der Folie bzw. an den geeignetsten Ort der Folie gesetzt werden.

6. Es können nicht gleichzeitig mehrere Einzellochfolien hergestellt werden.

Aus der DE-PS 27 17 400 ist es bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzten Art bekannt, den Strahl eines Schwerionenbeschleunigers bei Bestrahlimgsversuchen im Laufe des Strahlenganges auszulenken, um- oder abzublenden, um eine möglichst große Anzahl von parallel laufenden Bestrahlungen mit der jeweils gewünschten Intensität vornehmen zu können. Dabei wird eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 2 angegebenen bekannten Art eingesetzt. Es ist daraus weiterhin bekannt, Kernspuren Ätzverfahren zu unterwerfen, um von der reinen Kernspur her zu mechanisch veränderten Festkörpern zu kommen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung zu seiner Durchführung so zu verbessern, daß die erzeugten Kernspuren bzw. Mikrolöcher in genau vorgegebener Zahl gebildet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der vorliegenden Erfindung bei dem genannten Verfahren bzw. der Vorrichtung durch die in den kennzeichnenden Teilen des PatentansDruchs I bzw. des Patenten-

Spruchs 2 genannten Maßnahmen.

Das eiTindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun die besonders vorteilhafte serienmäßige Herstellung von Einlochmembranen, z. B. in einem nicht experimentell genutzten Zweitstrahl bzw. im nicht genutzten Abfallstrahl hinter anderen kernphysikalischen Experimenten. Weiterhin werden die oben erwähnten Schwierigkeiten umgangen. ,

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert: to

Die Zeichnung zeigt schematisch und vereinfacht den Strahl 1 eines Schwerionen-Beschleunigers, der in Richtung 4 verläuft In den Strahl I sind neben anderen, für die Erfindung nicht wesentlichen und auch nicht näher erläuterten Elementen im weichen, vorderen Teil is 2 desselben zunächst ein schneller, elektrostatischer oder elektromagnetischer Verschluß 3 eingeschaltet, der jedoch nur relativ gering belastbar ist. Im hinteren, schnelleren Teil 5 des Strahles 1 nach mehreren Beschleunigungsstrecken, Umlenkungen und Ausblendüngen, ist ein weiterer, langsamer Verschluß 6 eingeschaltet, beispielsweise ein gekühlter Faraday-Becher, der wesentlich höher belastbar ist und der den Strahl 1 über einen längeren Zeitraum absorbieren kann. Hinter diesem Verschluß 6 ist, wieder in Richtung 4 gesehen, eine Vorblende 7 geschaltet, welcher sich eine zu bestrahlende Probe 8 anschließt. Letztlich ist unmittelbar hinter der Probe ein Teilchendetektor 9 zum Nachweis einzelner Ionen eingeschaltet, der jedoch auch umgekehrt direkt vor der Probe angeordnet werden kann.

Das mit der beschriebenen Beschleunigervorrichtung durchführbare Verfahren verläuft nun folgendermaßen L.-.d wird in mehreren Schritten anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert:

1. Fünf etwa 20 μπι dicke Folien werden kreisförmig ausgestanzt und in eine entsprechende Vertiefung eines Probenhalters eingelegt und damit auch gleichzeitig zentriert. Die kreisförmige Vorblende 7 «> von etwa 0,3 mm Durchmesser definiert den durchstrahlbaren, zentralen Bereich der Folie. Sie und die Folie werden mit einem einrastenden Spannring gleichzeitig fest und unverrückbar mit dem Probenhalter verbunden.

2. Der hochenergetische Strahl 1 der Ionen, z. Ei. mit 7,5 MeV-Ionen von Uran-238 rines Schwerionenbeschleunigers wird unter gleichzeitiger Kontrolle durch einen Fluoreszenzschirm mit nachgeschalteter Bildverstärker-Fernsehkamera durch Defokus- >o sieren von magnetischen Linsen aufgeweitet und dadurch gleichzeitig auch abgeschwächt, solange bis Fluktuationen mit d»m Auge beobachtbar sind.

3. Der Strahl 1 wird abgeschaltet. Der Probenhalter wird über eine nicht dargestellte Einschleusvorrichtung in den St-ahl 1 gebracht und der Fluoreszenzschirm wird durch den hinter der Folie angebrachten Teilchendetektor 9 ersetzt, z. B. einen Halbleiter-Detektor.

4. Der Strahl 1 wird wieder eingeschaltet und solange gewartet, bis ein einzelnes oder eine vorgegebene Zahl von Ionen durch die Vorblende 7 und die fünf Folien den Teilchendetektor 9 zum Nachweis einzelner Ionen trifft und damit den Abschaltvorgang über Vorverstärker. Hauptverstärker, Einkanoldiskriminator und Steuerelektronik für den elektrostatischeii Verschluß.3 einleitet.

5. Da der als schneller Strahlabschalter wirkende

Verschluß 3 den Strahl 1 zwar sofort abschaltet, jedoch die volle Strahlleistung nur sehr kurze Zeit absorbieren kann und darüber hinaus den gesamten Hauptstrahl abschaltet, wird sofort nach Schließen der im Nebengang, d.h. im schnellen Teil des Strahles 1 liegende langsame Verschluß 6 betätigt, der durch seine Kühlung, z. B. bei einem gekühlten Faraday-Becher, die Strahlleistung aufnehmen kann. Danach kann der Hauptstrahl am schnellen Verschluß 3 wieder durch Öffnen eingeschaltet werden.

6. Der Spannring mit der Probe 8 wird aus dem Strahlengang wieder ausgeschleust und die Probe bzw. Folie ihm entnommen.

7. Die Folien bzw. Festkörper mit den nunmehr aufgebrachten einzelnen Kernspuren werden mit entsprechendem Ätzmittel geätzt, bis das oder die Mikrolöcher den gewünschten Durchmesser erreicht haben.

Der Strahl 1 kann nun um so intensiver sein, je schneller der »BelichtungsverschluK., d. h. die zusammenwirkenden beiden Verschlüsse 3 und 5, arbeitet Der Belichtungsverschluß besteht, wie bereits beschrieben, aus einem langsamen, direkt vor der zu bestrahlenden Folie befindlichen mechanischen Verschluß 6, der zur Unterdrückung von stets in schwacher Intensität ankommenden Streuteilchen dient und einem schnellen, im Injektorbereich des Beschleunigers direkt hinter den lonenquellen befindlichen, elektrostatischen oder elektromagnetischen Verschluß 3. Dieser elektrostatische Verschluß kommt an diesem Ort noch mit relativ kleinen Spannungen von wenigen kV aus, da die Ionen dort noch sehr langsam sind und kann daher ein sehr rasch ansteigendes bzw. abfallendes Spannungsprofil aufweisen. Durch geeignet synchronisiertes Zusammenspiel beider Abschwächer werden sehr kurze Bestrahlungszeiten von z. B. wenigen msec bis zu wenigen μsec möglich und dies, ohne die übrigen Arbeiten am Beschleuniger wesentlich zu behindern, da der S<rahl 1 durch dieses Zusammenspiel beider Verschlüsse 3 und 6 nur während der Schaltzeit des relativ langsamen Verschlusses 6 durch den elektrostatischen Verschluß vollständig, d. h. für alle übrigen Experimente am Beschleuniger abgeschaltet werden muß. Der mechanische Strahlabschalter 6 kann ein Faraday-Becher mit einer Schaltzeit von ca. 0,5 see sein und kann durch einen mit diesem zusammenspielenden elektromechanischen Fotoverschluß mit einer Schaltzeit von kleiner als 0,01 see ergänzt werden.

Zusammengefaßt bestehen die wesentlichen Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens nun in folgenden Punkten:

1. Lin oder mehrere Folien bzw. Festkörper können je nach Energie und Teilchenart der verwendeten Ionen gleichzeitig an einem durch die Vorblende gegebenen Ort durchschlagen werden.

2. Das Verfahren läßt sich durch Verwendung eines zwischen Vorhlende und Folie eingeschobenen durchstrahlbaren Detektors auch auf dicke, undurehstrahlbare Proben übertragen und damit wesentlich erweitern.

3. Das Verfahren ermöglicht die genaue Vorwahl des durchstrahlenden bzw. zu bestrahlenden Orts durch die Vorblende 7.

4. Durch Verwendung einer fertig hergestellten Einlochmembran als Vorblende kann der Durch-

stoßpunkt bei weiteren Serienbestrahlungen sehr genau festgelegt und damit weitgehend identisch repliziert werden.

Durch Verwendung eines zweifachen Verschlußsystems lassen sich sehr zuverlässig Einzellochbe-Strahlungen ohne wesentliche Behinderung des übrigen Beschleunigersbetriebes durchführen.

Das Verfahren ermöglicht die zuverlässigen, serienmäßige Herstellung von fiinlochstrukturen bzw. von Mehrlochstrukturen genau vorhersagbarer Lochanzahl dadurch, daß es nunmehr möglich ist, ein oder mehrere einzelne Teilchen zur Erzeugung eines Effektes heranzuziehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer Kernspur oder einer Vielzahl von Kernspuren von schweren Ionen eines Schwerionenbeschleunigers in Festkörpern und gegebenenfalls von aus den Kernspuren durch Ausätzung der Kernspuren nach der Bestrahlung gebildeter Mikrolöcher unter Modulierung des Strahles der Ionen durch Auffächern, Abschwächen oder Ausblenden der nicht benötigten Ionen mittels "> Modulationseinrichtungen nach Maßgabe der Messung eines in den Strahlengang eingebrachten Detektors und mindestens einem von diesem beeinflußten Strahlabschalter, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreffen eines einzel- ι ■> nen Ions nach oder vor Durchtritt durch den Festkörper (8) unmittelbar mit Hilfe eines dem Festkörper (8) nach- oder vorgeschalteten Detektors (9) zum Nachweis einzelner Ionen zur Auslösung des Abschaltvorganges festgestetrt wird und im glichen Moment nach Maßgabe dieser Feststellung das Abschalten des Strahles (1) durch erstes Betätigen eines schnell wirkenden, im weichen Teil des Strahlenganges angeordneten Strahlabschalters (3) für den Gesamtstrahl eingeleitet wird, daß anschließend daran ein langsamerer, jedoch zur Aufnahme größerer StrahJleistungen ausgelegter Strahlabschalter (6) für den Teilstrahl in dem Strahlengang (1) hinter dem ersten Strahlabschalter (3) betätigt wird und anschließend der erste Strahlabschalter (3) wieder geöffnet wird.

2. Vorric'' tung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Schwerionenbeschleuniger, dessen Strahl durch eine Vorblende auf einen Festkörper auftrifft, sovie w't mindestens einem durch einen Detektor gesteuerten Strahlabschalter, dadurch gekennzeichnet, daß nach Maßgabe der Dicke des Festkörpers (8) vor oder hinter demselben ein Detektor (9) zum Nachweis von einzelnen Ionen angebracht ist, der eine, als schneller Strahlabschalter wirkende elektrostatische oder elektromagnetische Blende (3) im vorderen, weichen Teil des Strahlenganges (1) und gleichzeitig oder in definhrtem Zeitabstand danach ein als langsamer Strahlabschalter im hinteren, abgeleiteten Strahlenauffangelement (6) betätigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strahlabschalter (6) nach dem Schließen ein Signal abgibt, welches den ersten Strahlabschalter (3) wieder öffnet. so

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorblende (7) eine Einlochmembran mit einem Mikroloch ist.