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New insights in impact ionization and in time-of-flight mass spectroscopy with micrometeoroid detectors by improved impact simulations in the laboratory

Stübig, Martin

German Title: Neue Erkenntnisse über Einschlagsionisationsprozesse und über Flugzeitmassenspektroskopie mit Mikrometeoroid-Detektoren durch verbesserte Einschlagssimulation im Labor

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Abstract

The present thesis deals with the impact ionization processes appearing at hypervelocity impacts of microparticles on solid surfaces. With a newly developed dust particle source, applied to the Heidelberg Dust Accelerator facility, aluminium, carbon, sodium contaminated carbon, iron and latex projectiles were shot on the micrometeorite detectors CDA and CIDA. The projectile masses cover a range of 10^-18 to 10^-12 kg, the projectile densities a range of 1100 - 7900 kg/m^3 and the impact speeds a range of 2 - 70 km/s. The resulting data show different impact ionization processes depending on the impact speeds: for low speeds (v < 6 km/s) dominates surface ionization of target contaminants, for high speeds (v > 18 km/s) volume ionization of the target and projectile material is dominating. The charge yield in the intermediate impact speed regime shows a reduced increase due to energy consumption by melting and vaporization processes. Time-of-flight mass spectroscopy, provided by both instruments, enabled the investigation of the chemical composition of the impact plasma depending on the projectile type and on the impact speed. Alkaline ions (Na, K) dominate the mass spectra at low impact speeds. For higher impact speeds appear target ions (Rh), projectile material related ions and hydrogen ions (H). The systematics of characteristic atomic and molecular ion species in the mass spectra helps to get clues on the chemical nature of unknown projectiles in space. An improved model on specific ion yields can be given. Furthermore a lot of results which are important for the instrument calibration and the understanding of flight data, like global charge yields, rise times and sensitivities were obtained. First measurements on the inner instrument wall region are provided.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Dissertation handelt von den Einschlagsionisationsprozessen die bei Höchstgeschwindigkeitseinschlägen von Mikropartikeln auf feste Oberflächen auftreten. Mittels einer neu entwickelten Staubteilchen-Quelle für den Heidelberger Staubbeschleuniger wurden Aluminium-, Kohlenstoff-, Natrium-behandelte Kohlenstoff-, Eisen- und Latex-Projektile auf die Mikrometeoriten-Detektoren CDA und CIDA geschossen. Die Projektilmassen überdecken einen Bereich von 10^-18 bis 10^-12 kg, die Projektildichten einen Bereich von 1100 bis 7900 kg/m^3 und die Einschlagsgeschwindigkeiten einen Bereich von 2 bis 70 km/s. Die resultierenden Daten zeigen verschiedene Einschlagsionisationsprozesse in Abhängigkeit von der Impaktgeschwindigkeit: für niedrige Geschwindigkeiten (v < 6 km/s) dominiert Oberflächen-Ionisation von Target-Verunreinigungen, für hohe Geschwindigkeiten (v > 18 km/s) Volumen-Ionisation des Target- und Projektilmaterials. Aufgrund des Energieverbrauchs durch Schmelz- und Verdampfungsprozesse zeigt die Ladungsausbeute im mittleren Geschwindigkeitsbereich einen reduzierten Anstieg. Flugzeitmassenspektroskopie, die mit beiden Instrumenten durchführbar ist, ermöglicht die Untersuchung der chemischen Bestandteile im Einschlagsplasma in Abhängigkeit von Projektiltyp und Einschlagsgeschwindigkeit. Bei niedrigen Geschwindigkeiten dominieren Alkali-Ionen (Na, K) das Massenspektrum. Bei höheren Geschwindigkeiten erscheinen Targetionen (Rh), Projektilionen und Wasserstoff (H). Die Systematiken charakteristischer atomarer und molekularer Ionenspezies in den Massenspektren hilft bei der Ermittelung der chemischen Natur unbekannter Projektile im Weltraum. Ein verbessertes Model für spezifische Ionenausbeuten konnte angegeben werden. Weiterhin wurden viele Ergebnisse, die für die Instrumentkalibration und für das Verständnis von Flugdaten von Bedeutung sind, wie z.B. Gesamtladungsausbeuten, Anstiegszeiten und Empfindlichkeiten gewonnen. Erste Messungen mit Schüssen auf den inneren Wandbereich des Instruments werden gezeigt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grün, Prof. Dr. Eberhard
Date of thesis defense: 4. December 2002
Date Deposited: 10. Dec 2002 15:23
Date: 2002
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Ionisation, Impakt, Simulation, Massenspektrometrie, Laboratorium, Mikrometeorit, Plasma
Uncontrolled Keywords: micrometeorite , impact , ionization , mass spectrometry , simulation
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