DE102014116965B320151231

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Patentschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2014 116 965.4
(22) Anmeldetag: 20.11.2014
(43) Offenlegungstag: –
(45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 31.12.2015
(51) Int Cl.:
G01L 1/04 (2006.01)
G01L 1/24 (2006.01)
G01B 9/02 (2006.01)
C23C 14/52 (2006.01)
Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent
Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist
eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu §
2 Abs. 1 Patentkostengesetz).
(73) Patentinhaber:
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 24118
Kiel, DE
(74) Vertreter:
Hansen und Heeschen Patentanwälte, 21680
Stade, DE
(72) Erfinder:
Trottenberg, Thomas, Dr., 24145 Kiel, DE;
Spethmann, Alexander, 24119 Kronshagen, DE;
Kersten, Holger, Prof. Dr., 24113 Molfsee, DE
(56) Ermittelter Stand der Technik:
DE
US
EP
WO
44 44 647
3 304 773
2 045 572
01/ 93 304
A1
A
A1
A1
(54) Bezeichnung: Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung und Partikelstrahl-Kraftmessverfahren sowie Vorrichtung
und Verfahren zum Sputtermonitoring
(57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft eine Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung (1) aufweisend eine Messanordnung (9) mit wenigstens einem einseitig innerhalb der
Messanordnung (9) gelagerten oder eingespannten Biegebalken (2, 2’, 2’’) mit einem freien Ende; einem Target (5)
am freien Ende des Biegebalkens (2, 2’, 2’’), wobei das Target (5) von dem Partikelstrahl einseitig beschossen werden
kann, wenigstens zwei Interferometersensoroptiken (71, 72,
73) oder Beleuchtungsfasern (81, 82) zur Lichtleitung für
eine wenigstens zweiachsige interferometrische Abstandsmessung, ausgerichtet auf wenigstens zwei Spiegel (61,
62, 63) / Spiegelflächenabschnitte, wobei diese (61, 62, 63)
auf dem Biegebalken (2, 2’, 2’’) zwischen dem gelagerten
oder eingespannten und dem freien Ende des Biegebalkens
(2, 2’, 2’’) fest angeordnet sind und die Normalenvektoren
im Bereich der interferometrisch wirksamen Bereiche der
Spiegelflächen oder der Spiegelflächenabschnitte orthogonal auf dem Biegebalken (2, 2’, 2’’) und nicht parallel zueinander ausgerichtet sind und einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur interferometrischen vektoriellen Kraftmessung
durch Messung und Auswertung einer Verbiegung des Biegebalkens (2, 2’, 2’’) anhand der Spiegel / Spiegelflächenabschnitte (61, 62, 63).
Ferner betrifft die Erfindung ein Partikelstrahl-Kraftmessverfahren.
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Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung und ein Partikelstrahl-Kraftmessverfahren sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Sputtermonitoring.
[0002] Partikel im Sinne dieser Erfindung sind Ionen, Atome, Elementarteilchen, wobei hierunter sowohl die neutralen als auch die geladenen Teilchen
fallen. Die Kräfte der zu detektierenden Partikelstrahlen werden hierbei insbesondere im Vakuum gemessen und sind sehr klein, wobei die Kräfte beispielsweise bei Ionen- oder Atomstrahlen typisch im Bereich von wenigen µN bis hin zu mehreren Hundert
µN liegen. Die Untersuchung der Kräfte erfolgt üblich
durch das Richten der Partikelstrahlen auf ein Target.
[0003] Die auf das Target auftreffenden Partikelstrahlen können aus Plasma- und Ionenstrahlquellen aller Art, aber auch etwa aus natürlichen Zerfallsprozessen (Neutronenquellen) oder Festkörperverdampfung (Atomstrahlen) hervorgehen. In der Regel weisen die einzelnen Partikel eines Partikelstrahls
wenigstens die Masse eines Protons oder Neutrons
auf. Von besonderem Interesse in der Raumfahrt sind
Ionen- oder Triebwerksstrahlen erzeugt durch elektrische Strahlantriebe oder Kaltgasantriebe.
[0004] In der Physik ist es gewünscht, die Kraft eines
Partikelstrahls zu detektieren, nämlich insbesondere
von Ionen-, Atom-, Elementarteilchen- bzw. Plasmastrahlen sowie eines Plasmas, das ein Teilchengemisch auf atomarermolekularer Ebene ist und dessen
Bestandteile teilweise oder vollständig in Ionen und
Elektronen aufgeteilt sind (und somit freie Ladungsträger umfassen). Es können in einem Hintergrundgas Ladungsaustauschstöße zu energiereichen neutralen Teilchen führen, die ebenfalls detektierbar sein
sollen.
[0005] Weiter ist in der Physik auch das Detektieren von Sputtereffekten erwünscht. Sputtern oder Ionenstrahlzerstäuben ist im Verlauf der vergangenen
Jahrzehnte eine industriell wichtige Methode zur Herstellung von dünnen Schichten und zur Reinigung,
Glättung und Strukturierung von Oberflächen geworden. Auf der anderen Seite tritt Sputtern auch ungewollt in Prozessen auf, zum Beispiel bei der Erosion der Gitter von industriellen Ionenstrahlquellen, bei
elektrischen Antrieben für die Raumfahrt und in Anlagen der Fusionsforschung. Daher ist die Diagnostik
von Sputterprozessen in diesen Bereichen von großer Bedeutung.
[0006] Experimentelle Untersuchungen von Sputterprozessen werden oft auf die Bestimmung der Sputterausbeute (sputter yield) beschränkt, da hierbei lediglich die Massenabnahme oder Schichtdickenabnahme des bestrahlten Materials bestimmt werden
muss. Die Bestimmung der Richtungen, in denen
die herausgelösten Partikel die bestrahlte Oberfläche verlassen, und der Energien, die die herausgelösten Partikel haben, ist dagegen erheblich aufwändiger. Zur Richtungsmessung werden zum Beispiel
Substrate in unterschiedlichen Richtungen über der
bestrahlten Oberfläche angebracht, damit Schichten
des gesputterten Materials auf diesen aufwachsen
können, und die Dicken dieser Schichten werden gemessen. Dies kann nachträglich mit Profilometern geschehen oder in situ und während des Prozesses
mit Hilfe von Quarz-Schichtdickenmessungen erfolgen, sofern das gesputterte Material überhaupt abgeschieden werden kann. Dieses Verfahren sagt jedoch
nichts über die Energie der gesputterten Partikel aus.
Mit Hilfe von energieselektiven Massenspekrometern
können im Prinzip die Richtung und die Energie bestimmt werden, jedoch sind diese Geräte sehr sperrig
und teuer.
[0007] Wegen der experimentellen Unzulänglichkeiten werden daher oft Sputtermodelle verwendet, die
mit Computern berechnet werden. Insbesondere im
Energiebereich unterhalb von 1 keV sind diese Modelle jedoch nur bedingt zuverlässig, da benötigte
Eingangsgrößen, wie z.B. die Oberflächenbindungsenergie, für viele Materialien nur ungenau bekannt
sind. Eine Validierung der Computerprogramme zur
Sputtersimulation ist daher sehr wünschenswert. Bisher erfolgt die Validierung aus den oben bereits genannten Gründen hauptsächlich in Form einer Überprüfung der Sputterausbeute. Oft werden die unbekannten Eingangsgrößen der Computerprogramme
dahingehend ausgewählt, dass das Simulationsergebnis mit der experimentell ermittelten Sputterausbeute in Übereinstimmung kommt. Dieses Vorgehen
ist aber nicht zuverlässig hinsichtlich der Richtungsund Energieverteilungen der gesputterten Partikel,
die eine weitergehende Überprüfung erfordern.
[0008] Abseits des Sputterns ist ganz grundsätzlich
die Strahldiagnostik einer beliebigen Partikelstrahlenquelle von wissenschaftlichem und/oder technischem
Interesse.
[0009] In der Druckschrift DE 44 44 647 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung
der Impulse einzelner mikrometergroßer Partikel beschrieben. Dabei üben die Partikel bei ihrem Auftreffen auf ein Target jeweils einen Kraftstoß aus, der zu
einem Auslenken und Zurückschwingen eines Biegebalkens führt. Es handelt sich hier also um ein Messprinzip, wie man es von ballistischen Pendeln kennt,
welche zur Messung von Geschossgeschwindigkeiten verwendet werden. Die Messung der Auslenkungen erfolgt hierbei entweder mit einem Lichtzeiger in
Verbindung mit einem positionsempfindlichen Detektor, ähnlich wie in Rasterkraftmikroskopen, mit Hilfe eines Nomarski-Interferometers oder mittels Mes-
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sung des im Balken verursachten piezoresistiven Effekts.
[0010] Weiterhin
wird
in
der
Druckschrift
US 3,304,773 A eine Vorrichtung zur Messung von
Impulsen von Mikrometeoriten, d.h. mikrometergroßer Partikel mit hoher Geschwindigkeit, beschrieben,
bei dem piezoelektrische bimorphe Biegeelemente
als Biegebalken und zugleich als Sensoren verwendet werden.
[0011] Schließlich beschreibt die Druckschrift
WO 01/93304 A1 eine Methode und ein Gerät zur
Messung von Impulsen von Teilchen der Größe eines einzelnen Atoms bis zu einem Zehntel eines Mikrometers, welches einen Biegebalken mit einem festen und einem freien Ende verwendet. Hierbei wird
die Auslenkung des Balkens ähnlich detektiert wie bei
einem Rasterkraftmikroskop mittels Ablenkung eines
Lichtstrahls an einem Spiegel, der an dem Balken
befestigt ist, alternativ mittels Messung einer elektrischen Kapazität, die sich ähnlich wie bei kapazitiven
Druckmessgeräten durch die mechanische Auslenkung verändert, oder auch mit Hilfe von elektrischen
Schaltern.
[0012] Aus der noch nicht veröffentlichten Druckschrift DE 10 2014 003 118.7 ist eine Messvorrichtung zur simultanen ortsgleichen Messung von Kräften geladener und ungeladener Teilchen und elektrischen Strömen bekannt, wobei die Messvorrichtung
aus einem Stator und einem in diesem drehbar gelagerten Rotor besteht, wobei an dem Rotor mindestens eine Messfläche befestigt ist. Hierbei werden
die senkrechte Kraftkomponente eines aus ungeladenen oder geladenen Teilchen bestehenden Partikelstrahls sowie die durch die geladenen Teilchen generierten elektrischen Ströme gemessen.
[0013] Ferner ist die Interferometrie bekannt, bei
der Interferenzen von eingestrahltem und reflektiertem Licht für Präzisionsmessungen, insbesondere für
Längen- und/oder Abstandsmessungen in Bezug auf
die verwendete Wellenlänge, genutzt werden.
[0014] Einsatzbereiche der Erfindung sind insbesondere die Forschung als auch die Entwicklung im Bereich der Plasma- und Ionenstrahltechnologie sowie
von elektrischen Antrieben für die Raumfahrt. Ferner
kann die Erfindung im Bereich der Sputtertechnologie
und der Materialwissenschaften, wie z.B. der Oberflächentechnologie, genutzt werden, um insbesondere
Sputterprozesse zu beobachten und quantitativ auszuwerten.
[0015] Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kräfte eines Partikelstrahls, wenn dieser auf ein Target trifft, präziser als bisher im Stand
der Technik möglich zu detektieren. Hierbei sollen
insbesondere die Probleme von elektrischen, magne-
tischen und/oder elektromagnetischen Störungen eliminiert und die Durchführung der Messung vereinfacht werden, beispielsweise soll auf ein Nachführen
des Partikelstrahls resp. des Targets verzichtet werden. In dieser Messung, bei der von sehr kleinen Kräften im Bereich von wenigen µN auf eine Fläche von
wenigen cm2 ausgegangen wird, ist es notwendig,
eine äußerst präzise Messung vorzunehmen, wobei
insbesondere der Messvorgang störungsfrei gegenüber elektrischen und elektromagnetischen Feldern
sein muss.
[0016] Zudem besteht die weitere technische und
wenigstens gleichbedeutende Aufgabe darin eine
Messvorrichtung sowie ein Messverfahren anzugeben, das zur energie-, material- und winkelabhängigen Diagnostik von Sputterprozessen dient, wobei der Kraftvektor hervorgerufen aus energiereichen
einfallenden und gesputterten oder reflektierten ausfallenden Teilchen detektiert werden soll.
[0017] Eine weitere technische Aufgabe liegt in der
Strahldiagnostik. Es soll mit Hilfe eines Anordnung
und eines Verfahrens möglich sein, die Impulsverteilung im Partikelstrahl vektoriell zu bestimmen.
[0018] Eine ähnliche Aufgabe stellt sich bei der
Druckmessung in Vakuumanlagen, wo kapazitive
oder piezoelektrische Verfahren verwendet werden.
Eine Übertragung auf den Bereich der Partikelstrahlvermessung ist jedoch keine Lösung der Aufgabe,
da dort nur eine Komponente der Kraft und zwar die
Komponente senkrecht zur Flächennormalen gemessen werden kann. Gleiches gilt auch für das Verfahren der genannten DE 10 2014 003 118.7.
[0019] Gelöst werden diese Aufgaben anordnungsgemäß durch die Merkmalskombinationen gemäß
Hauptanspruch sowie verfahrensgemäß durch die
Merkmalskombination gemäß dem nebengeordneten
Anspruch.
[0020] Die Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung weist
eine Messanordnung auf mit wenigstens einem einseitig innerhalb der Messanordnung gelagerten oder
eingespannten Biegebalken mit einem freien Ende;
einem Target am freien Ende des Biegebalkens,
wobei das Target von dem Partikelstrahl einseitig
beschossen werden kann, wenigstens zwei Interferometersensoroptiken oder Beleuchtungsfasern zur
Lichtleitung für eine wenigstens zweiachsige, interferometrische Abstandsmessung, ausgerichtet auf
wenigstens zwei Spiegel / Spiegelflächenabschnitte,
wobei diese auf dem Biegebalken zwischen dem gelagerten oder eingespannten und dem freien Ende
des Biegebalkens fest angeordnet sind und die Normalenvektoren im Bereich der interferometrisch wirksamen Bereiche der Spiegelflächen oder der Spiegelflächenabschnitte orthogonal auf dem Biegebalken und nicht parallel zueinander ausgerichtet sind;
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und einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur interferometrischen vektoriellen Kraftmessung durch Messung und Auswertung einer Verbiegung des Biegebalkens anhand der Spiegel / Spiegelflächenabschnitte.
[0021] Es sollen daher mittels einer wenigstens
zweiachsigen Messung wenigstens zwei Komponenten eines Kraftvektors detektiert werden. Die Kraftmessung basiert dabei auf einer direkten Messung
der Verbiegung des Biegebalkens durch die am Target angreifende Kraft infolge des auftreffenden Partikelstrahls. Die Verbiegung wird mit hoher Abtastfrequenz (größer kHz) kontinuierlich interferometrisch
bestimmt.
[0022] Es ist von ganz besonderem Vorteil, dass
die wenigstens zwei Kraftkomponenten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichzeitig – oder auch:
simultan – bestimmbar sind.
[0023] Insbesondere ist es nunmehr erstmalig aufgrund der Zweiachsigkeit der Messung möglich, kombiniert mit der Präzision eines Interferometers, eine neue Art der Untersuchung von Sputtereffekten
durchzuführen. Es können nunmehr Kraftmessungen bzgl. Sputtereffekten auf einem Target, einem
Sputtertarget, energie-, material- und winkelabhängig
durchgeführt werden.
[0024] Durch diese Merkmalskombination ist es
möglich, die vektorielle Kraft, die durch einen Partikelstrahl auf eine Oberfläche eines Targets ausgeübt
wird, zu messen, wobei die optische Sensorik frei von
elektromagnetischen Einflüssen ist und über ein sehr
hohes Auflösungsvermögen verfügt. Es können sehr
kleine Kräfte im Bereich weniger µN, die auf die Oberfläche des Targets durch den Partikelstrahl ausgeübt werden, detektiert und ausgewertet werden. Die
erfindungsgemäße Interferometer-Kraftmessvorrichtung weist im experimentellen Laboraufbau derzeit eine Genauigkeit kleiner als 1 µN auf.
[0025] Die Interferometer-Kraftmessvorrichtung ist
als Ganzes relativ robust, da sie weder durch elektrische Ströme, elektromagnetische Felder, beispielsweise Hochfrequenzendladungen oder Mikrowellen,
noch durch magnetische Felder gestört bzw. beeinflusst werden kann. Sogar kleinere Stöße stören die
Vorrichtung nicht nachhaltig, solange der Biegebalken selbst keinen Schaden nimmt. Das kleine Target
am Biegebalken ist die empfindlichste Stelle der Apparatur, und sie widersteht einem Kraftimpuls bis zu
etwa 1000 µN auf jeden Fall unbeschadet.
[0026] Aufgrund der Lichtwellenlänge des Interferometers im Bereich von beispielsweise 1 µm sind Auslenkungen des Biegebalkens der Größenordnung 1
µm und sogar darunter detektierbar.
[0027] Insbesondere ist durch die Nutzung von zwei
voneinander unabhängigen Interferometern auch die
Detektion von kraftbedingten Bewegungen des Targets entlang beliebiger Richtungen in der Einfallsebene des Partikelstrahls senkrecht zum Biegebalken
miterfasst. Unabhängig vom Auftreffen des Strahls ist
somit eine richtungsunabhängige Messung möglich.
[0028] Durch die simultane zweiachsige Messung ist
auch eine vektorielle Detektierung von Impulsverteilungen in einem Partikelstrahl möglich.
[0029] Die zweiachsige Kraftmessung ist nun in der
Lage durch axiale und radiale Messung das Vektorfeld der Kräfte im Strahl aufzuzeichnen. Die Kenntnis
eines solchen Vektorfeldes kann bei der Optimierung
von Strahlquellen helfen.
[0030] Ferner ist die Interferometer-Kraftmessvorrichtung vom Schwerkraftvektor richtungsunabhängig, da die Schwerkraft das Target lediglich konstant
in seiner Gleichgewichtslage verändert.
[0031] Die Ruhelage des Targets kann jederzeit ohne Partikelstrahl kalibriert werden, was aber oftmals
gar nicht nötig erscheint bzw. zumindest nicht oft wiederholt werden muss.
[0032] Die Kalibrierung der Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung erfolgt mittels feinster Kalibriergewichte,
wobei die Kalibriergewichte, beispielsweise µg-Gewichte oder beispielsweise kleinste Drahtgewichte,
auf das Target aufgelegt werden und sich eine detektierbare Verbiegung des Biegebalkens aufgrund der
Schwerkraft einstellt. Dabei zeigt sich, dass im hier
interessierenden Kraftbereich eine exzellente Linearität zwischen Kraft und Auslenkung des Biegebalkens besteht. Mittels dieser sehr einfachen Art der
Kalibrierung kann daher einfach über den Dreisatz
die Verbiegung des Biegebalkens in eine Kraft umgerechnet werden. Anders gesagt sind Auslenkung
und Kraft schlicht proportional und die Proportionalitätskonstante, auch als Federkonstante bezeichnet,
ist unmittelbar aus einer solchen Wägung zu bestimmen. Die Kalibrierung durch die Wägung ist in der
Regel nur einmal in Ruhelage notwendig.
[0033] Es ist an dieser Stelle hervorzuheben, dass
die Einfachheit der Kalibrierung durch die Verwendung vorgefertigter und geeichter Gewichte schon
für sich genommen eine sehr vorteilhafte Eigenschaft
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist. Beispielsweise kann die eingangs erwähnte galvanometrische
Kraftsonde keineswegs so leicht kalibriert werden, da
diese ihre Ruhelage ohne Bestromung typisch unter Schwerkraftwirkung derart findet, dass das Target nach unten hängt und nicht mit Gewichten belegt werden kann. Man müsste also zuerst einen definierten Strom vorgeben, der das Target in die Horizontale bringt, um eine Wägung durchzuführen. Der
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Kalibrieraufwand wäre erheblich höher und müsste
zudem immer wiederholt werden, sobald die Vorrichtung nur geringfügig bewegt bzw. verdreht worden ist.
[0034] Ein möglicher Offset durch die Sonde an sich
oder durch eine Verdrehung spielt bei der Erfindung
keine Rolle, da es sich um eine Differenzmessung
handelt. Die interferometrische Messung wird quasi zu Beginn der Messung auf Null gesetzt, und anschließend erfolgt die Messung. Oder anders gesagt
reicht es aus, den Zeitverlauf der interferometrisch
gemessenen Abstände der am Biegebalken befestigten und von den Interferometersensoroptiken oder
Beleuchtungsfasern bestrahlten und in diese zurückspiegelnden – i. F. auch als interferometrisch wirksam bezeichneten – Spiegelflächen zu den Interferometersensoroptiken oder Beleuchtungsfaserenden
zu beobachten oder aufzuzeichnen und den Zeitpunkt des Auftreffens des Partikelstrahls auf das Target zu kennen, um hiernach den Verbiegungseffekt
aufgrund der Krafteinwirkung des Partikelstrahls aus
der Änderung der Abstandsmessungen abzulesen.
[0035] Der exemplarisch verwendete Biegebalken
besteht aus einer Keramik mit hohlem, rundem Querschnitt (Hohlzylinder) und weist bei einer Länge von
ca. 200 mm eine Linearität auf, die eine Messung bis
in den Bereich von 1 mN zulässt. Eine Verbiegung
dieses beispielhaften Biegebalkens von ca. 1 mm auf
Höhe der angeordneten Spiegel bedeutet eine Krafteinwirkung auf das Target von etwa 1 mN.
[0036] Das neue Verfahren bietet eine höhere als
bisher mögliche Auflösung und Abtastfrequenz, ermöglicht insbesondere die simultane Messung von
zwei Komponenten des Kraftvektors und ist in Form
einer kompakten und robusten Sonde realisierbar.
Hierdurch ist eine zweidimensionale Projektion des
Kraftvektors erstmalig möglich.
[0037] Als mögliche Anwendungsgebiete der Interferometer-Kraftmessvorrichtung sind insbesondere
zu sehen:
– Untersuchung von Zerstäubungsphänomenen
(Sputtern),
– Untersuchung von Plasmarandschichten,
– Diagnostik für/an industriellen Ionenstrahlquellen,
– Diagnostik für/an elektrischen Antrieben in der
Raumfahrt,
– Messung von Materialeigenschaften für die Berechnung von Drag-Koeffizienten von Satelliten in
niedrigen Umlaufbahnen (z.B. resultierende Kraftvektoren verschiedener Anstellwinkel, also bspw.
der einzelnen Teilflächen der zusammengesetzten Satellitenoberfläche), wobei diese Aufzählung
nicht abschließend sein dürfte.
[0038] Die wenigstens eine Spiegelfläche mit den
wenigstens zwei Spiegelflächenabschnitten ist be-
vorzugt als zylindrische bzw. elliptische, konvexe und
oberflächlich spiegelnde Fläche ausgestaltet. Die wenigstens zwei Spiegel sind bevorzugt als plane Spiegel, Planspiegel ausgestaltet. Die spiegelnde Fläche kann zudem als reflektierende Oberfläche, beispielsweise eine Metalloberfläche ausgebildet sein.
Die zwei Spiegel bzw. Spiegelflächenabschnitte sind
in einer bevorzugten Ausgestaltung in einem Winkel
von 90° zueinander angeordnet.
[0039] Der Biegebalken ist vorzugsweise aus einer
Keramik, insbesondere mit rundem Querschnitt, gebildet. Der Biegebalken kann als Vollzylinder oder
Hohlzylinder ausgestaltet werden, wobei in der bevorzugten Ausgestaltung als Hohlzylinder der Biegebalken eine Länge von ca. 100 bis 300 mm, insbesondere 200 mm aufweist und einen Außendurchmesser
von 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere 0,5 bis 1,0 mm und
einen Innendurchmesser von 0,2 bis 1,0 mm hat. Zudem kann der Biegebalken auch aus einem Glas oder
einem anderen Material mit entsprechenden Eigenschaften, nämlich nicht leitend, nicht flexibel und somit starr und nicht plastisch verformbar, gebildet werden. Bevorzugt weist der Biegebalken einen kreisrunden Querschnitt auf, wodurch dann die Elastizität
in alle Richtungen gleich groß ist und somit zu einer
leichteren Berechnung und Kalibrierung führt. Ferner
ist der Biegebalken, wenn er aus einer Keramik gefertigt ist, insbesondere hitzebeständig bei Temperaturen um die 800°C, so dass die entsprechenden Partikelstrahlen den Biegebalken nicht temperaturmäßig
beeinflussen können.
[0040] Bei Ausgestaltung des Biegebalkens als
Hohlzylinder besteht zudem die Möglichkeit einen
Draht durch den Hohlraum bis zum Target durchzuführen, um auf diese Art und Weise elektrische Messungen im Targetbereich tätigen zu können.
[0041] Das Target kann aus verschiedenen Materialien, z.B. einem Metall oder einer Legierung, Keramik
oder einem Kunststoff gefertigt werden. In einer Ausgestaltung besteht das Target aus Kupfer. Bei Sputterexperimenten werden entsprechende Elementmetalle als Target verwendet.
[0042] Die Verbindung zwischen Target und Biegebalken ist als eine Klemmverbindung ausgebildet.
Bei Verwendung nur eines Biegebalkens ist eine feste Verbindung zwischen Biegebalken und Target erwünscht, wohingegen bei Verwendung dreier Biegebalken, wie bspw. einer Hexapod-Ausgestaltung (siehe weiter unten) eine flexible und verschiebbare Verbindung notwendig ist, so dass sämtliche Freiheitsgrade detektierbar werden.
[0043] Anstelle eines ebenen Targets kann auch ein
kugelförmiges Target mit vergleichbarem Radius eingesetzt werden. Diese Ausführung hat den Vorteil,
sich für alle Richtungen des einfallenden Partikel-
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strahls gleich zu verhalten. Für die Diagnostik von
Triebwerksstrahlen elektrischer Antriebe der Raumfahrt entfällt damit eine Ausrichtung zur Strahlrichtung. Die Targetkugel kann wie im Fall eines ebenen
Targets aus beliebigem Material, insbesondere Kupfer, gefertigt werden. Es wird dabei auch vorgeschlagen, das kugelförmige Target als Hohlkugel auszugestalten, um das Eigengewicht bzw. die träge Masse des Targets gering zu halten.
[0044] Es ist insbesondere ein Fabry-Pérot-Interferometer mit modulierter Wellenlänge zur interferometrischen Kraftmessung vorgesehen. Es wurde erkannt, dass ein Fabry-Pérot-Interferometer mit modulierter Wellenlänge besonders gut für die Messaufgabe geeignet ist, weil damit die Bewegungsrichtung
des Targets eindeutig bestimmt ist und die Auflösung
gleichbleibend ist. Dazu wird das Licht für die interferometrische Messung in dessen Wellenlänge zeitlich variiert. Ein derartiges Frequenzmodulationsverfahren ist bspw. aus der Druckschrift EP 2 045 572 A1
bekannt.
[0045] Der Targetbereich kann vom Spiegel-tragenden Bereich des Biegebalkens, der der interferometrischen Messung dient, durch eine Blende separiert
sein, was verhindert, dass die optischen Komponenten durch z.B. Sputtern oder Materialabscheidungen
erodiert oder kontaminiert werden. Die Kraftmessvorrichtung wird üblicherweise in einem Gehäuse angeordnet. Hierbei wird ebenfalls üblicherweise die Kraftmessvorrichtung in einem Vakuum betrieben.
lang wenigstens zweier nicht paralleler Richtungen senkrecht zum Biegebalken;
– Bestimmen der durch das Einstrahlen des Partikelstrahls auf das Target ausgeübten vektoriellen
Kraft aus der Verbiegung des wenigstens einen
Biegebalkens mittels einer zuvor durch Kalibration
ermittelten Federkonstante.
[0048] Mittels dieses Verfahrens ist es möglich, mikro- bis hin zu nanoskalige Auslenkungen bzw. Bewegungen des Biegebalken im Bereich der Anordnung der Spiegelflächen zu detektieren und daraus
die Kräfte hervorgerufen durch auf das Target auftreffende Teilchen eines Partikelstrahls zu bestimmen.
[0049] Die Kalibration erfolgt durch eine Wägung im
Schwerefeld mit geeichten Gewichten, die auf das
Target gelegt werden.
[0050] Das Einstrahlen des Partikelstrahls auf das
Target erfolgt oft durch Einführen des Targets in
den Partikelstrahl. Hierdurch ist beispielsweise ein
Verfahren als auch eine entsprechende Anordnung
denkbar, die es beispielsweise ermöglicht, an einen
vorhandenen Antrieb eines Raumfahrzeuges eine
entsprechende Anordnung anzubauen und zu Testzwecken das Target in den Partikelstrahl des Raumfahrzeugantriebes einzuführen, um auf diese Weise eine Kraftmessung vornehmen zu können. Hierzu
kann die Biegebalkentargetanordnung entsprechend
verfahrbar und/oder verschwenkbar an dem Raumfahrzeug und dergleichen angeordnet sein.
[0046] In einer besonderen Ausgestaltung sind genau drei Biegebalken mit einem Target verbunden.
Bei einer derartigen Ausgestaltung ist es besonders
bevorzugt, wenn zu jedem der drei Biegebalken wenigstens zwei Interferometersensoroptiken oder Beleuchtungsfasern zur Lichtleitung für die interferometrische Messung vorgesehen sind, wobei diese
auf wenigstens pro Biegebalken jeweils zwei Spiegel / Spiegelflächenabschnitte ausgerichtet und wobei diese auf jedem Biegebalken zwischen dem gelagerten oder eingespannten und dem freien Ende des
Biegebalkens fest angeordnet und weiter die Normalenvektoren im Bereich der interferometrisch wirksamen Bereiche der Spiegelflächen oder der Spiegelflächenabschnitte orthogonal auf dem Biegebalken und
nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.
[0051] Insbesondere wird auf die weiteren Ausführungen im Folgenden hingewiesen, woraus sich weitere spezielle Ausgestaltungen und Details ergeben.
[0047] Das interferometrische Partikelstrahl-Kraftmessverfahren, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung, weist die Schritte
auf:
– Einstrahlen eines Partikelstrahls auf ein an wenigstens einem Biegebalken angeordnetes Target;
– Interferometrisches Messen der Verbiegung des
wenigstens einen Biegebalkens zeitgleich ent-
[0055] Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung mit zwei
planen Spiegeln auf einem Spiegelträger und zu den
jeweiligen planen Spiegeln zugehörige optische Fasern / Lichtwellenleiter mit plangeschliffenen Faserenden;
[0052] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen
detailliert beschrieben.
[0053] Darin zeigen:
[0054] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Interferometer-Kraftmessvorrichtung mit zwei planen
Spiegeln auf einem Spiegelträger und zu den jeweiligen planen Spiegeln zugehörige Interferometersensoroptik;
[0056] Fig. 3 eine schematische Darstellung eines
dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
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Interferometer-Kraftmessvorrichtung mit drei planen
Spiegeln auf einem Spiegelträger und zu den jeweiligen planen Spiegeln zugehörige Interferometersensoroptik;
[0057] Fig. 4 eine schematische Darstellung des einseitig eingespannten Biegebalkens mit dem daran
angeordneten Target in einer Seitenansicht;
[0058] Fig. 5 eine schematische Darstellung des
Biegebalkens mit dem daran angeordneten Target in
einer rückwärtigen Draufsicht;
[0059] Fig. 6 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung mit drei
Biegebalken und jeweils zwei an den jeweiligen Biegebalken vorgesehenen Spiegeln mit dazugehörigen
Interferometersensoroptik (Hexapod-Ausgestaltung);
[0060] Fig. 7 eine Detaildarstellung des Targetbereiches aus Fig. 6 mit den drei Biegebalken;
[0061] Fig. 8 eine schematische Darstellung einer
Messanordnung mit einer Kraftmessvorrichtung gemäß Fig. 1 in einer ersten geöffneten Ansicht;
[0062] Fig. 9 eine schematische Darstellung einer
Messanordnung mit einer Kraftmessvorrichtung gemäß Fig. 1 in einer zweiten geöffneten Ansicht;
[0063] Fig. 10 eine schematische Darstellung einer
Messanordnung mit einer Kraftmessvorrichtung gemäß Fig. 1 in einer geschlossenen Darstellung;
[0064] Fig. 11 eine gleichzeitige Messung eines Partikelstrahls mit einer im Stand der Technik bekannten
galvanometrischen und einer neuartigen interferometrischen Sonde;
[0065] Fig. 12 einen Linearitätstest der Kraftmesssonde und
[0066] Fig. 13 einen zeitlichen Verlauf der interferometrisch gemessenen Auslenkungen beider Achsen
beim Ein- und Ausschalten des Ionenstrahls.
[0067] Im Folgenden werden die Figuren einzeln und
detailliert beschrieben und erläutert:
[0068] In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung
eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 mit
zwei planen Spiegeln 61, 62 auf einem Spiegelträger
60 und zu den jeweiligen planen Spiegeln 61, 62 zugehörige Interferometersensoroptiken 71, 72 gezeigt.
[0069] Die Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1
weist einen Biegebalken 2 auf, der in einer zylindrischen Biegebalkenhalterung 3 mit einer Biegebal-
kenaufnahme 31 angeordnet und einseitig gelagert
ist, wobei die Lagerung keine Drehung und kein Verschieben zulässt. Der Biegebalken ist somit einseitig
eingespannt. Am freien Ende des Biegebalkens 2 ist
ein Target 5 angeordnet.
[0070] Der Biegebalken 2 besteht aus einer Keramik
und ist als Keramikröhrchen ausgebildet. Der Biegebalken 2 hat einen Außendurchmesser von 0,5 bis 1,
5 mm, insbesondere 0,6 bis 1,0 mm sowie einen entsprechenden Innendurchmesser im Bereich von 0,2
bis 1.0 mm, da der Biegebalken aus einer innen hohl
ausgebildeten Keramik besteht. Die Länge des Biegebalkens 2 liegt im Bereich von 100 bis 300 mm,
bevorzugt ca. 200 mm.
[0071] Das Target 5 ist aus einem beliebigen Material gefertigt, bevorzugt wird Kupfermaterial verwendet. Das Target 5 ist als ebenes Plättchen ausgebildet und hat eine Fläche von wenigen cm2.
[0072] Auf dem Biegebalken 2 ist ein Spiegelträger
60 angeordnet, der in diesem Ausführungsbeispiel
einen dreieckigen Querschnitt aufweist und eine zueinander rechtwinklige Anordnung wenigstens zweier Spiegel 61, 62 ermöglicht.
[0073] An zwei Flächen des Spiegelträgers 60 sind
ein erster 61 bzw. ein zweiter planer Spiegel 62 angeordnet, wobei die Flächennormalenvektoren von 61,
62 senkrecht auf dem Biegebalken 2 stehen und deren Flächennormalenvektoren in einem Winkel von
90°, zumindest jedoch ungleich 0°, zueinander ausgerichtet bzw. angeordnet sind.
[0074] Zugehörig zu den jeweiligen planen Spiegeln
61, 62 ist jeweils eine Interferometersensoroptik 71,
72 vorgesehen und entsprechend auf den jeweiligen
Spiegel 61, 62 ausgerichtet und justiert. Die Interferometersensoroptik 71, 72 umfasst eine Kollimatoroptik zum Bündeln des Lichtes, dass von einem Lichtwellenleiter (nicht dargestellt) durch die Linse in Richtung des planen Spiegels ausgesendet bzw. nach der
Reflektion am Spiegel 61, 62 aufgefangen wird. Ferner sind, hier nicht dargestellt, zu den Interferometersensoroptiken 71, 72 jeweils zugehörige Lichtwellenleiter/optische Fasern als Zu- und Rückleitungen für
das Licht, das für die Interferenz notwendig ist, vorgesehen. Ferner, ebenfalls nicht dargestellt, sind für
die Interferenzmessung notwendige Lichtquellen und
Auswerteeinheiten zugehörig.
[0075] Der Spiegelträger 60 mit den planen Spiegel
61, 62 zusammen mit der Interferometersensoroptik
71, 72 bilden die optische Sensorik 6.
[0076] Zwischen der optischen Sensorik 6 und dem
Target 5 ist eine Blende 4 mit einer Durchführung 41
für den Biegebalken 2 vorgesehen. Diese Blende 4
dient dazu, die optische Sensorik 6 von dem Target-
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bereich zu trennen und vor dem Plasma bzw. den Ionen zu schützen.
[0077] Die Messung erfolgt in der Art, dass das Target 5 mit einem Partikelstrahl aus einer nicht dargestellten und im Übrigen beliebigen Ionen-/Atom-/
Plasmastrahlquelle angestrahlt wird und sich der Biegebalken 2 in Strahlrichtung verbiegt, wobei die Verbiegung über die interferometrische Messung detektiert wird. Während des Messvorganges werden Auslenkungen über das interferometrische Messverfahren schon im Bereich von deutlich weniger als 1 µm
erkannt. Das Interferometer kann prinzipiell Verschiebungen deutlich unterhalb einer Wellenlänge also im
Bereich von Nanometern, detektieren.
[0078] Es werden zwei unabhängige interferometrische Sensoren 71, 72 in Verbindung mit jeweils einem zugeordneten planen Spiegel 61, 62 verwendet, um die Auslenkung des Targets 5 über die optische Sensorik 6 in einem Schritt messen zu können.
Bei dem hier angewandten Einfaserverfahren transportiert ein und derselbe optische Leiter das Probenlicht und das Referenzlicht des Interferometers. Als
Referenzlicht kann beispielsweise ein beim Austritt
aus dem Lichtwellenleiter vom Faserende unmittelbar in die Faser zurück reflektierter Lichtanteil verwendet werden. Der aus der Faser austretende Lichtanteil wird als Probenlicht über die Kollimatorlinse auf
den Spiegel gerichtet und von dort reflektiert, wobei
das Probenlicht über dieselbe Kollimatorlinse wieder
in die Faser eintritt und dort mit dem Referenzlicht
interferiert. Das Probenlicht trägt dabei die Information über den Abstand des Faserendes zum Spiegel.
Diese Information wird schließlich von der Auswerteeinheit des Interferometers, die das zurückgeführte
Licht analysiert, gewonnen und ausgeben. Mit dieser
Anordnung lässt sich ein äußerst platzsparender und
kompakter Aufbau realisieren.
[0079] Aus bereits in der EP 2 045 572 A1 genannten Gründen, die auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung als relevant erkannt wurden, wird die Wellenlänge der Interferometer-Lichtquelle vorzugsweise moduliert. Dies schließt aber nicht aus, dass andere hochpräzise, interferometrische Messverfahren zu
vergleichbar guten Ergebnissen führen können. Als
Beispiele wären hier Weißlicht-Interferometer, insbesondere Weißlicht-Profilometer, zu nennen.
[0080] Die Ausrichtung der Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 ist schwerkraftunabhängig, da das
Gewicht des Targets lediglich eine zeitlich konstante Verschiebung der Gleichgewichtslage bewirkt und
somit keinen Einfluss auf die – üblich auf vorbekannte Zeitintervalle begrenzte – Verschiebung durch die
Krafteinwirkung der Partikelstrahlen hat.
[0081] Eine derartige Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 verzichtet nahezu vollständig auf beweg-
liche Teile wie beispielsweise Drehachsen einer galvanometrischen Sonde und führt zu einem unkomplizierten Einsatz der Vorrichtung.
[0082] Im Weiteren werden für gleiche Elemente die
gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Zu
deren prinzipieller Funktion wird auf Fig. 1 verwiesen.
[0083] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung
eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 mit
zwei planen Spiegeln 61, 62 auf einem Spiegelträger 60 und zu den jeweiligen planen Spiegeln 61, 62
zugehörige optische Fasern / Lichtwellenleiter 81, 82
mit plangeschliffenen Faserenden.
[0084] In diesem Ausführungsbeispiel kann die optische Sensorik 6 stark reduziert werden, indem auf
die Interferometersensoroptiken 71, 72 mit den Kollimatorlinsen, zu denen die Lichtwellenleiter im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bisher geführt worden sind, verzichtet werden kann, wobei die Lichtwellenleiter/optische Fasern 81, 82 nunmehr mit plangeschliffenen Faserenden ausgestattet sind und bis
ca. 1,0 mm an den jeweils zugehörigen planen Spiegel 61 bzw. 62 herangeführt sind. Idealerweise ist
in diesem Ausführungsbeispiel der Abstand der Faserenden zum Spiegel möglichst klein zu wählen
und ist dann ausreichend für die interferometrische
Messung. Bei der Verwendung von Wellenleitern mit
plan geschliffenen Enden ist ein sehr kurzer Abstand,
bedingt durch die sehr geringen Auslenkungen der
Spiegel im µm-Bereich, zum Spiegel möglich und
vollkommen ausreichend damit das am Spiegel reflektierte Licht wieder in die Faser eintreten kann.
Hierzu sind die plan geschliffene optische Faser und
der Spiegel senkrecht zueinander ausgerichtet.
[0085] Zur optimalen Führung und Halterung der Fasern können diese in handelsüblichen Lichtwellenleiter-Steckverbindern angeordnet werden oder aber
beispielsweise mit Hilfe von feinen Bohrungen in einem Halter geführt werden.
[0086] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung
eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 mit
drei planen Spiegeln 61, 62 und 63 auf einem Spiegelträger 60 und zu den jeweiligen planen Spiegeln
61, 62, 63 zugehörige Interferometersensoroptik 71,
72, 73.
[0087] Durch diese Ausgestaltung der Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 erhöht sich zum einen
die Messgenauigkeit bzw. ermöglicht erstmalig die
Redundanz und somit wird eine Ausfallsicherheit geschaffen. Bereits in der Ausgestaltung mit zwei Spiegel, die einem beliebigen Winkel zueinander, jedoch
ungleich 0°, vorzugsweise 90°, angeordnet sind wird
eine gleichmäßig gute Auflösung in allen Richtun-
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gen erreicht. Solange zwei der drei Interferometersensoroptiken 71, 72, 73 sowie deren dazugehörige Interferometrieauswerteeinheiten funktionstüchtig
sind, ist die gesamte Interferometerkraftmessvorrichtung 1 funktionsfähig und die Messungen können
ausgewertet werden.
[0088] In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung
des einseitig eingespannten Biegebalkens 2 mit dem
daran angeordneten Target 5 in einer Seitenansicht
dargestellt.
[0089] Die Verbindung zwischen Target 5 und Biegebalken 2 kann über eine Klemmverbindung hergestellt sein. Weiter kann die Verbindung auch über eine ineinander verschiebbare Keramik (Hexapod-Ausgestaltung) ausgebildet sein.
[0090] In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung
des Biegebalkens 2 mit dem daran angeordneten
Target 5 entsprechend der Fig. 4 in einer rückwärtigen Draufsicht gezeigt.
[0091] Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung
eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 mit
drei Biegebalken 2, 2’, 2’’ und jeweils zwei an den
jeweiligen Biegebalken 2, 2’, 2’’ vorgesehenen Spiegeln 61, 62 mit dazugehörigen Interferometersensoroptiken 71, 72 in Form der optischen Sensorik 6, 6’,
6’’ (Hexapod-Ausgestaltung).
[0092] Als Besonderheit wird hier, wie in Fig. 7 genauer gezeigt, das Target 5 über spezielle auf dem
Target 5 aufgebrachte Targetverbindungen 51, 51’,
51’’ mit den jeweiligen Biegebalken 2, 2’, 2’’ verschiebbar verbunden.
[0093] In dieser Hexapod-Ausgestaltung kann eine
Messung in 6 Freiheitsgraden erfolgen, nämlich in
Richtung der Flächennormalen, zweimal Verschiebung in der Ebene des Targets 5, zweimal die Verkippung zur ursprünglichen Ebene des Targets 5 und
zuletzt die Verdrehung des Targets 5 um die Flächennormale.
[0094] Fig. 7 zeigt eine Detaildarstellung des Targets 5 aus Fig. 6 mit den drei Biegebalken 2, 2’, 2’’.
[0095] In den Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 10 sind schematische Darstellungen einer Messanordnung 9 mit
einer in die Messanordnung integrierten Interferometer-Kraftmessvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 dargestellt.
[0096] Die Messanordnung 9 weist ergänzend ein
Gehäuse 91 auf, das in einem Bereich der Messkammer 95 und der Targetzone 94 aufgeteilt ist.
[0097] Das geschlossen ausgebildete Gehäuse 91
weist zur Zuführung des Partikelstrahls einen Einlass
97 auf, durch den der Partikelstrahl hindurch auf das
Target 5 im Innern der Targetzone 94 auftreffen kann.
[0098] Von der Targetzone 94 durch eine Targetblende 96 getrennt ist der oben einseitig eingespannte Biegebalken 2 mit der optischen Sensorik 6 innerhalb der Messkammer 95 angeordnet. Innerhalb der
Messkammer 95 sind die Biegebalkenaufnahme 92
sowie die Sensorhalterung 93 vorgesehen.
[0099] In den Figuren nicht dargestellt, gleichwohl
von erfinderischer Bedeutung ist die Ausgestaltung
der wenigstens zwei planen Spiegel mit dem Spiegelträger in Form einer zylindrisch ausgebildeten Spiegelfläche, die um den Biegebalken gelegt ist. Diese
Ausgestaltung bietet Vorteile in der Spiegelfertigung
und zudem ist es möglich, die Masse weiter zu reduzieren. Insbesondere ist auch eine Ausgestaltung
als halbzylindrischer Spiegel zur weiteren Verbesserung möglich. Um die Interferometer-Kraftmessvorrichtung weiter zu optimieren, sind bei Ausgestaltung der Spiegelfläche als zylindrische Spiegelfläche
Lichtwellenleiter / optische Fasern mit plangeschliffenen Faserenden vorgesehen. Das reflektierte Licht
wäre zwar divergent, was aber bei den hier möglichen
kleinen Abständen tolerierbar ist und lediglich zu einer Abschwächung des reflektierten Signals führen
würde. Der Abstand der Faserenden der Lichtwellenleiter zu der Spiegelfläche ist hierbei auf ein Minimum
reduziert, wobei der Abstand zwischen Spiegelfläche
und den plangeschliffenen Faserenden ca. 1 mm beträgt oder sogar noch weiter reduziert sein könnte.
Die plangeschliffenen Faserenden stehen senkrecht
zur Spiegelfläche. Bei Verwendung der plangeschliffenen Fasern kann, wie in Fig. 2 gezeigt, auf eine Linse vollständig verzichtet werden.
[0100] Fig. 11 zeigt einen experimentellen Vergleich der erfindungsgemäßen interferometrischen
mit der galvanometrischen Kraftsonde aus der
DE 10 2014 003 118.7, die gleichzeitig in der Testkammer verwendet wurden. Man erkennt, dass die
Kräfte im Rahmen der jeweiligen Fehler übereinstimmen.
[0101] Die Schwankungen der Messwerte sind im
Fall der galvanometrischen Sonde jedoch erheblich
größer und können nicht allein auf die Schwankungen des Ionenstrahls selbst zurückgeführt werden.
[0102] Fig. 12 zeigt einen Linearitätstest mit Hilfe eines pulsweitenmodulierten Argon-Ionenstrahls (Partikelenergie 1,2 keV) in einem Abstand von 380 mm
von der Ionenquelle. Durch die Pulsweitenmodulation werden die Eigenschaften des Strahls nicht verändert, jedoch wird dieser in seiner zeitgemittelten
Intensität abgeschwächt. Auf diese Weise lässt sich
zeigen, dass das Messergebnis wie erwartet proportional zur ausgeübten Kraft ist.
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[0103] Fig. 13 zeigt den zeitlichen Verlauf der Auslenkungen beider Achsen beim Ein- und Ausschalten
des Ionenstrahls. Die Schwingungen haben eine Frequenz von etwa 15 Hz, was den Eigenschwingungen
des Biegebalkens entspricht. Die Schwingungen erfolgen um die Gleichgewichtslagen mit bzw. ohne Ionenstrahl, die durch Mittelung weniger Perioden erhalten werden können.
thogonal auf dem Biegebalken (2, 2’, 2’’) und nicht
parallel zueinander ausgerichtet sind;
und
– einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur interferometrischen vektoriellen Kraftmessung durch Messung und Auswertung einer Verbiegung des Biegebalkens (2, 2’, 2’’) anhand der Spiegel / Spiegelflächenabschnitte (61, 62, 63).
Bezugszeichenliste
2. Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine
Spiegelfläche mit den wenigstens zwei Spiegelflächenabschnitten als zylindrische und oberflächlich
spiegelnde Fläche ausgestaltet ist.
1
2, 2‘, 2‘‘
3
31
4
41
5
51, 51‘, 51‘‘
6, 6‘, 6‘‘
60
61, 62, 63
71, 72, 73
81, 82
9
91
92
93
94
95
96
97
Interferometer-Kraftmessvorrichtung
Biegebalken
zylindrische Biegebalkenhalterung
Biegebalkenaufnahme
Blende
Durchführung
Target
Targetverbindung zum
Biegebalken
optische Sensorik
Spiegelträger
plane Spiegel
Interferometersensoroptik
Lichtwellenleiter / optische
Faser
Messanordnung
Gehäuse
Biegebalkenaufnahme
Sensorhalterung
Targetzone
Messkammer
Targetblende
Einlass für Ionen-/Plasmastrahl
Patentansprüche
1. Partikelstrahl-Kraftmessvorrichtung (1) aufweisend eine Messanordnung (9) mit:
– wenigstens einem einseitig innerhalb der Messanordnung (9) gelagerten oder eingespannten Biegebalken (2, 2’, 2’’) mit einem freien Ende;
– einem Target (5) am freien Ende des Biegebalkens
(2, 2’, 2’’), wobei das Target (5) von dem Partikelstrahl einseitig beschossen werden kann,
– wenigstens zwei Interferometersensoroptiken (71,
72, 73) oder Beleuchtungsfasern (81, 82) zur Lichtleitung für eine wenigstens zweiachsige interferometrische Abstandsmessung, ausgerichtet auf wenigstens
zwei Spiegel (61, 62, 63) / Spiegelflächenabschnitte, wobei diese (61, 62, 63) auf dem Biegebalken (2,
2’, 2’’) zwischen dem gelagerten oder eingespannten
und dem freien Ende des Biegebalkens (2, 2’, 2’’) fest
angeordnet sind und die Normalenvektoren im Bereich der interferometrisch wirksamen Bereiche der
Spiegelflächen oder der Spiegelflächenabschnitte or-
3. Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Spiegel
(61, 62, 63) / Spiegelflächenabschnitte in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
4. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Biegebalken (2, 2’, 2’’) aus einer Keramik oder
einem Glas gebildet ist und bevorzugt einen kreisrunden Querschnitt aufweist, besonders bevorzugt innen
hohl ausgebildet ist.
5. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung zwischen Target (5) und Biegebalken
(2, 2’, 2’’) als eine Klemmverbindung ausgebildet ist.
6. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Fabry-Pérot-Interferometer mit modulierter Wellenlänge zur interferometrischen Kraftmessung vorgesehen ist.
7. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
genau drei Biegebalken (2, 2’, 2’’) mit dem Target verbunden sind.
8. Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem der drei Biegebalken (2, 2’, 2’’) wenigstens zwei Interferometersensoroptiken (71, 72, 73) oder Beleuchtungsfasern (81, 82) zur Lichtleitung für die interferometrische Abstandsmessung, ausgerichtet auf wenigstens pro Biegebalken (2, 2’, 2’’) jeweils zwei Spiegel (61, 62, 63) / Spiegelflächenabschnitte, wobei
diese auf jedem Biegebalken (2, 2’, 2’’) zwischen
dem gelagerten oder eingespannten und dem freien Ende des Biegebalkens (2, 2’, 2’’) fest angeordnet sind und die Normalenvektoren im Bereich der
interferometrisch wirksamen Bereiche der Spiegelflächen oder der Spiegelflächenabschnitte orthogonal
auf dem Biegebalken (2, 2’, 2’’) und nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.
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9. Partikelstrahl-Kraftmessverfahren, insbesondere mit einer Kraftmessvorrichtung (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche, aufweisend die Schritte:
– Einstrahlen eines Partikelstrahls auf ein an einem
Biegebalken (2, 2’, 2’’) angeordneten Target (5);
– Interferometrisches Messen der Verbiegung des
wenigstens einen Biegebalkens zeitgleich entlang
wenigstens zweier nicht paralleler Richtungen senkrecht zum Biegebalken
– Bestimmen der durch das Einstrahlen des Partikelstrahls auf das Target (5) ausgeübten vektoriellen
Kraft aus der Verbiegung des wenigstens einen Biegebalkens mittels einer vorab durch Kalibration ermittelten Federkonstante.
10. Kraftmessverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibration durch
eine Wägung im Schwerefeld mit geeichten Gewichten erfolgt, die auf das Target gelegt werden.
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