Design and construction of instruments with unique specifications : applications to surface science and crystal analysis

De GTD ontwerpt en vervaardigt experimentele apparaten en instrumenten ten behoeve van het wetenschappelijk onderzoek van de TU/e. De ontwerpen van deze apparatuur komen tot stand door een gezamenlijke inspanning van wetenschappelijk medewerkers, ontwerpers en uitvoerende technici, die gericht is op het vinden van functionele oplossingen. De gevolgde strategie is die van overleg, waarbij betrokkenen een zelfde technische taal spreken. Deze taal is gebaseerd op kennis en inzicht van gemeenschappelijk begrepen en aanvaarde ontwerpprincipes. In belangrijke mate komt dit neer op het definiëren van ontwerpcriteria op basis van belemmeringen en vrijheidsgraden: het kinematisch en statisch bepaald construeren. Door deze principes toe te passen, kunnen perfecte oplossingen voor nagenoeg alle ontwerpvraagstukken worden gevonden. Dit geldt zowel voor de algemene werktuigbouw als voor de precisietechnologie. Ten opzichte van de gebruikelijke overbepaalde constructies, zijn kinematisch en statisch bepaalde constructies nauwkeuriger en beter te dimensioneren en desondanks goedkoper doordat minder machinale bewerkingen nodig zijn voor de fabricage van onderdelen. De GTD past deze ontwerpprincipes reeds 30 jaren toe en een selectie van daarmee gerealiseerde instrumenten wordt genoemd. Een drietal experimentele instrumenten ten behoeve van de analyse van oppervlakken en materialen, waarvoor ik verantwoordelijk was voor de constructie, wordt uitvoerig behandeld om te illustreren dat aan unieke specificaties kan worden voldaan door het toepassen van deze principes: • De dubbel toroïdale (LEIS) analysatoren. Hierbij worden edelgas ionen met een bekende en lage energie (0,1 - 10 keV) op een te onderzoeken oppervlak geschoten. De energieniveaus van de teruggestrooide ionen geven informatie over de samenstelling van het beschoten oppervlak; de richting van de teruggestrooide ionen geeft informatie over de structuur van het oppervlak. De energieniveaus worden bepaald met behulp van een uiterst nauwkeurig elektrostatisch (dubbel toroïdaal) lenzenstelsel, waar hoge elektrische potentiaalverschillen tussen de verschillende systeemdelen worden aangebracht. Ionenverstrooiing aan sterk reactieve materialen is alleen in ultra hoog vacuüm (UHV) mogelijk, reden waarom strenge eisen worden gesteld aan de materiaalkeuze en de temperatuurbestendigheid van de constructie. 117 De constructieve eisen zijn deels tegenstrijdig en tevens complex door het grote aantal geometrische, elektrische, magnetische en vacuümtechnische eisen. De (succesvolle) analysatoren hebben een gevoeligheid die een factor 1000 beter is dan die van vergelijkbare elektrostatische ionenverstrooiers. Hierdoor zijn nieuwe ideeën op het gebied van onderzoek naar katalyse, polymeren en keramiek ontstaan. • De hoge energie (HEIS) channeling opstelling. Channeling is een proces dat kan plaatsvinden wanneer ionen door een kristal bewegen in een richting die nagenoeg parallel is aan een hoofdrichting of een vlak van dit kristal. Naarmate de energie van de ionen(bundel) groter is, wordt de hoekafwijking, tussen de bewegingsrichting van de ionen en de hoofdrichting van het kristal waaronder channeling nog plaatsvindt, kleiner: naarmate de energie van de ionenbundel groter wordt, kunnen de hoofdrichtingen en roostervlakken nauwkeuriger bepaald worden. Op de TU/e wordt de hoog energetische ionenbundel (3 - 30 MeV) van het Cyclotron in combinatie met een 6 graden van vrijheid channeling goniometer gebruikt om metingen aan kristallen te verrichten. Deze goniometer met de bijbehorende detectoren is geplaatst in een vacuümvat waarop het ionenbundel geleidingssysteem van het Cyclotron is aangesloten. Er worden hoge eisen gesteld aan deze goniometer. De belangrijkste is het grote instelbereik over drie assen met een nauwkeurigheid <0,001º. De geometrie van de goniometer is zodanig dat ook metingen in transmissie (de bundel gaat door het monster heen) mogelijk zijn. Om aan reactieve monsters te meten, moet het vacuüm in het vat beter zijn dan 10-8 mbar. Uitstookbaarheid van het in vacuüm gedeelte van de goniometer en van het detectormechanisme is dan een voorwaarde. De channeling meetopstelling voldoet ruimschoots aan de gestelde eisen. Dit wordt o.m. bewezen door de succesvolle metingen aan halfgeleider kristallen zoals beschreven in de daaraan gerelateerde publicaties. • Het vacuüm transportsysteem. Er zijn veel technieken nodig om materialen te kunnen karakteriseren. Niet alleen is de verscheidenheid van te onderzoeken materialen groot, maar ook zijn veel verschillende materiaaleigenschappen van belang en daarom moeten veel verschillende metingen worden verricht. Iedere meettechniek heeft zijn specifieke werkgebied. Eén materiaal wordt daarom met verschillende meettechnieken onderzocht. Normaliter heeft iedere meettechniek een specifieke materiaal- monsterhouder. 118 Het combineren van meerdere meettechnieken in één systeem heeft (te) veel nadelen. Stand-alone meetsystemen hebben de voorkeur. Indien transport van monsters tussen de verschillende meetsystemen nodig is, wordt het blootstellen aan de atmosfeer een nadeel. Dit nadeel wordt verholpen met het vacuüm transportsysteem, waarmee monsters onder vacuümcondities worden verplaatst. Dit systeem moet dan wel technisch/fysisch verantwoord, efficiënt en gemakkelijk te bedienen zijn. Er is een universele monsterhouder, een vacuümtransport koffer en een transfer mechanisme ontwikkeld. Deze monsterhouder wordt in een twintigtal meettechnieken en behandelkamers toegepast, waaronder de LEIS analysatoren en de HEIS channeling opstelling. Deze installaties zijn ingericht voor het gebruik van die ene en dezelfde statisch bepaalde monsterhouder. Deze monsterhouders worden voor bijzondere toepassingen eventueel van speciaal materiaal vervaardigd (flitstemperaturen tot 2500º C zijn toegepast). Dit unieke vacuüm transportsysteem heeft bewezen een belangrijk gereedschap te zijn voor het onderzoek van de oppervlakte fysica en voor de oppervlakteanalyse aan de TU/e.