Study of the degradation process of polyimide induced by high energetic ion irradiation

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Analyse der Strahlenbeständigkeit von Kapton gegenüber hochenergetischer Teilchenstrahlung. Hintergrund der Untersuchung ist der Einsatz dieses Polyimids als elektrischer Isolator in supraleitenden Magneten für das FAIR Projekt (Facility for Antiproton and Ion Research) der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI). Diese neue Beschleunigeranlage erzeugt Protonen- und Schwerionenstrahlung mit extremen Energien (10 GeV/u) und sehr hohen Intensitäten (1E12 Ionen/Puls). Zuverlässige Daten über die Strahlenbeständigkeit von Polymeren hinsichtlich ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie ihres Ausgasverhaltens sind auch für andere Beschleunigerzentren wie z.B. den Large Hadron Collider (LHC) des CERNs von zentraler Bedeutung. Kaptonfolien wurden am Linearbeschleuniger (UNILAC) der GSI mit verschiedenen Projektilen (z.B. Ti, Mo, Au und U) innerhalb eines breiten Fluenzbereichs (1E10 – 5E12 Ionen/cm2) bestrahlt, um die ionenstrahlinduzierte Materialveränderung zu untersuchen. Es folgten Analysen der bestrahlten Kaptonfolien mittels Infrarot- und UV/Vis Spektroskopie, Zug-Dehnungsmessungen, Massenverlustanalyse und Dielektrischer Relaxationsspektroskopie. Zur Testung der Strahlenbeständigkeit von Kapton bei den kryogenen Operationstemperaturen der supraleitenden Magnete (5-10 K) wurden zusätzliche Bestrahlungsexperimente am Grand Accelerateur National d’ Ions Lourds (GANIL) in Frankreich durchgeführt. Diese konzentrierten sich auf die online Analyse von Ausgasprozessen kleiner, flüchtiger Abbaufragmente. Die Ergebnisse der optischen Spektroskopie, der Zug-Dehnungsmessungen und der Massenverlustanalyse zeigen einheitliche Trends und sind skalierbar mit der Bestrahlungsdosis. Diese berechnet sich aus der Fluenz und der deponierten Energie entlang der Ionenspur. Ein kritischer Materialabbau tritt oberhalb einer Dosis von 1 MGy auf. Die Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften mittels dielektrischer Relaxationsspektroskopie weisen einen anderen Trend auf: Hochfluenzbestrahlungen (1E12 Ionen/cm2) mit leichten Ionen (z.B. Ti) führen nur zu einem leichten Anstieg der Leitfähigkeit, während schwere Ionen (z.B. Sm und Au) schon in einem Fluenzbereich von 5E10 Ionen/cm2 einen drastischen Anstieg der Leitfähigkeit verursachen. Bemerkenswert erscheint, dass in diesem Fluenzbereich ein Spurüberlapp ausgeschlossen werden kann. Die online Analyse des Ausgasprozesses während der Bestrahlung bei kryogenen Temperaturen zeigt, dass kleine, gasförmige Moleküle (CO, CO2 und kurze Kohlenwasserstoffe) freigesetzt werden. Auch einige große Polymerfragmente ließen sich identifizieren und bestätigen den in früheren Arbeiten postulierten Abbaumechanismus von Kapton. Gleichzeitig belegt die in-situ Infrarotspektroskopie die Akkumulation kleiner Moleküle innerhalb des Polymers bei kryogenen Temperaturen. Diese Moleküle gasen während des Aufheizzyklus in spezifischen Temperaturbereichen aus. Die Ergebnisse der einzelnen analytischen Methoden sind im Folgenden unter Berücksichtigung der Anwendung von Kapton als elektrisches Isolationsmaterial in einer Umgebung von hochenergetischer Partikelstrahlung zusammengefasst. a) Der mittels optischer Spektroskopie und Zug-Dehnungsmessungen definierte Materialabbau ist skalierbar mit der durch die Ionen deponierten Dosis. Die hohe Korrelation der Ergebnisse zwischen den Methoden ermöglicht die Vorhersage des mechanischen Abbaus mit Hilfe der einfachen, zerstörungsfreien Infrarotspektroskopie. Die Abbau¬kurve verweist auf einen kritischen Materialabbau oberhalb einer Dosis von 1 MGy. b) Die dielektrische Relaxationsspektroskopie zeigt einen dramatischen Anstieg der Leitfähigkeit bei Bestrahlung mit Ionen, die eine bestimmte Schwelle bezüglich Masse und deponierter Energie (dE/dx) überschritten haben. Die Ergebnisse veranschaulichen, dass nur wenige Einschläge von schweren, hoch energetischen Ionen (Fluenz von 1E10 Ionen/cm2) zu einer signifikanten Erhöhung der Leitfähigkeit führen. c) Die Bildung von kleinen Abbaufragmenten und deren Freisetzung sogar bei kryogenen Temperaturen führen zu einer Gasentwicklung während der Bestrahlung. Zusätzlich kommt es zu einer Akkumulation dieser Moleküle innerhalb des Polymers bei Temperaturen unter 20 K. Die bei tiefen Temperaturen immobilisierten, kleinen Moleküle verursachen eine enorme Gasfreisetzung während des Aufheizzyklus.