Vacuum Technology for Ion Sources

The basic notions of vacuum technology for ion sources are presented, with emphasis on pressure profile calculation and choice of pumping technique. A Monte Carlo code (Molflow+) for the evaluation of conductances and the vacuum-electrical analogy for the calculation of time-dependent pressure variations are introduced. The specific case of the Linac4 H- source is reviewed.Comment: 40 pages, contribution to the CAS-CERN Accelerator School: Ion Sources, Senec, Slovakia, 29 May - 8 June 2012, edited by R. Bailey, CERN-2013-00

Ionic and electronic properties of the topological insulator Bi2_2Te2_2Se investigated using β\beta-detected nuclear magnetic relaxation and resonance of 8^8Li

We report measurements on the high temperature ionic and low temperature electronic properties of the 3D topological insulator Bi$_2$Te$_2$Se using ion-implanted $^8$Li $\beta$-detected nuclear magnetic relaxation and resonance. With implantation energies in the range 5-28 keV, the probes penetrate beyond the expected range of the topological surface state, but are still within 250 nm of the surface. At temperatures above ~150 K, spin-lattice relaxation measurements reveal isolated $^8$Li$^{+}$ diffusion with an activation energy $E_{A} = 0.185(8)$ eV and attempt frequency $\tau_{0}^{-1} = 8(3) \times 10^{11}$ s$^{-1}$ for atomic site-to-site hopping. At lower temperature, we find a linear Korringa-like relaxation mechanism with a field dependent slope and intercept, which is accompanied by an anomalous field dependence to the resonance shift. We suggest that these may be related to a strong contribution from orbital currents or the magnetic freezeout of charge carriers in this heavily compensated semiconductor, but that conventional theories are unable to account for the extent of the field dependence. Conventional NMR of the stable host nuclei may help elucidate their origin.Comment: 17 pages, 12 figures, submitted to Phys. Rev.

3D PROCESS MODELLING ON PERSONAL COMPUTERS

A method for reducing the computation needs of modellingcomplete fabrication processes for VLSI devices on personal computers in 3 dimensions, a treatment of equitations of basic physical processes, such as diffusion, oxidation, implantation, etching and deposition is presented. In the paper we will describe the structure of the TEDI (TechnologyDialog) program, the main formulas and principles of the models and some examples of 3D process simulation. The third part of the "TEDI" program (creating a set of control parameters, automatic simulation and graphical output of results) provides flexible possibilities of studyingthe connections between 1D, 2D and 3D simulations

Antenna near-field wave studies in magnetized plasmas as part of the optimization of auxiliary heating in fusion devicesAntenna near-field wave studies in magnetized plasmas as part of the optimization of auxiliary heating in fusion devices

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Development of a Hydrogen-Selective Vacuum Pump on the Basis of Superpermeation = Entwicklung einer auf Superpermeation basierenden, wasserstoffselektiven Vakuumpumpe

In zukünftigen Fusionskraftwerken wird für den Einsatz des „Direct Internal Recycling“ Konzepts (DIR) die Abtrennung von Wasserstoff aus Gasmischungen bei niedrigem Druck in einem Verfahrensschritt benötigt. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist dies bisher nicht möglich. Der Effekt der Superpermeation ist in der Lage die Anforderungen für diesen Prozess zu erfüllen. Darauf basierend wird in der vorliegenden Arbeit eine Prozesseinheit, die Metallfolienpumpe (MFP), entwickelt. Um die Bedeutung der dargelegten Entwicklung aufzuzeigen, werden zunächst die Vorteile des DIR herausgearbeitet. Es ist derzeit keine andere Technologie bekannt, die eine solch bedeutende Verbesserung des Brennstoffkreislaufs von zukünftigen Fusionsreaktoren ermöglicht. Die charakteristische Funktionsweise der MFP wird ausgehend von den grundlegenden physikalischen Abläufen erklärt. Die beeinflussenden Materialeigenschaften werden dabei beschrieben und die relevanten Literaturdaten dargestellt. Basierend auf den erläuterten Vorgängen wird ein dimensionsloses Modell abgeleitet, das die dominierenden Prozesse in der Metallfolie, dem Kernelement der MFP, beschreibt. Aus diesem Modell werden die Limitierungen für die möglichen Folienmaterialien abgeleitet. Mit Hilfe der dargestellten Materialeigenschaften wird die dimensionslose Beschreibung in quantifizierte Aussagen für einzelne Materialien umgewandelt. Auf diese Weise wird gezeigt, dass sich die Metalle Niob und Vanadium am besten für Metallfolienpumpen in Fusionskraftwerken eignen. Die Bildung von Wasserstoffbläschen wird als wichtige Materiallimitierung aufgezeigt und begründet. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei experimentelle Einrichtungen genutzt. Dabei wird eine im Rahmen dieser Arbeiten entworfen, gebaut, in Betrieb genommen und eingesetzt. Die Superpermeation wird erfolgreich mit mehreren Metallfolienmaterialien und Energiequellen für Wasserstoff demonstriert. Diese Energiequellen sind neben der Metallfolie das zweite bedeutende Element einer MFP. Ihr Einsatz ist stark vom gewünschten Saugdruck der Pumpe abhängig. Mehrere Vorhersagen des dimensionslosen Modells werden experimentell nachgewiesen. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird ein klarer Entwicklungspfad aufgezeigt. Dabei werden die offenen Forschungsfragen und ihr Einfluss diskutiert

Toward a systematic discovery of artificial functional ferromagnets and their applications

Although ferromagnets are found in all kinds of technological applications, their natural occurrence is rather unusual because only few substances are known to be intrinsically ferromagnetic at room temperature. In the past twenty years, a plethora of new artificial ferromagnetic materials has been found by introducing defects into non-magnetic host materials. In contrast to the intrinsic ferromagnetic materials, they offer an outstanding degree of material engineering freedom, provided one finds a type of defect to functionalize every possible host material to add magnetism to its intrinsic properties. Still, some controversial questions remain: What are the mechanisms behind these ferromagnetic materials? Why are their magnetization values reported in the literature so low? Are these materials really technologically relevant ferromagnets? In this work, we aim to provide a systematic investigation of the phenomenon. We propose a universal scheme for the computational discovery of new artificial functional magnetic materials, which is guided by experimental constraints and based on first principles. The obtained predictions explain very well the experimental data found in the literature. The potential of the method is further demonstrated by the experimental realization of a truly 2D ferromagnetic phase at room temperature, created in nominally non-magnetic TiO$_2$ films by ion irradiation, which follows a characteristic 2D magnetic percolation transition and exhibits a tunable magnetic anisotropy. Furthermore, the technological relevance of these artificial ferromagnetic materials, which comes to shine when one combines the engineered magnetic with some of the intrinsic properties of the host material, is demonstrated by creating a spin filter device in a ZnO host that generates highly spin-polarized currents even at room temperature.:1 Introduction 2 Computational discovery of artificial ferromagnets 2.1 Ferromagnetism in solids 2.1.1 Exchange interaction and magnetic order 2.1.2 Artificial magnetism due to defects 2.2 Predicting defect structures from collision cascades 2.3 Finding magnetic defect candidates 2.4 Magnetic percolation 2.5 Magnetic phase diagram of anatase TiO 2 artificial ferromagnet 2.5.1 Defect creation in anatase TiO 2 2.5.2 Magnetic properties of dFP defects in anatase TiO 2 2.5.3 Constructing a magnetic phase diagram 2.6 Revisiting prior experimental results 3 Artificial ferromagnetism in TiO 2 hosts 3.1 Low energy ion irradiation 3.2 SQUID magnetometry 3.3 Experimental realization of an artificial ferromagnet in TiO2 4 Artificial magnetic monolayers and surface effects 4.1 Critical behavior and 2D magnetism 4.2 Magnetic anisotropy 4.2.1 Demagnetizing field and magnetic shape anisotropy 4.2.2 Magnetocrystalline anisotropy 4.3 Artificial ferromagnetic monolayer at TiO 2 surface with perpendicular magnetic anisotropy 4.4 DFT calculations of the defective anatase TiO 2 [001] surface 5 Spin transport through artificial ferromagnet interfaces 5.1 Artificial ferromagnetism in ZnO hosts 5.2 Spin filter effect at magnetic/non-magnetic interfaces in ZnO 5.2.1 The spin filter effect 5.2.2 Lithium and hydrogen doping in ZnO 5.2.3 Magneto-transport in artificial ferromagnetic Li:ZnO microwires 5.2.4 Spin transport through magnetic/non-magnetic interfaces 5.2.5 Minority spin filter effect 6 Conclusions and Outlook Bibliography Appendix: A List of publications B Computation inputs and codes B.1 DFT electronic structure calculations - Fleur input files B.2 Magnetic Percolation simulations B.3 SQUID raw data analysis code B.4 SRIM Monte Carlo binary collision code automationObwohl Ferromagnete in allen möglichen technischen Anwendungen zu finden sind, ist ihr natürliches Vorkommen eher ungewöhnlich, da nur wenige Stoffe bekannt sind, die bei Raumtemperatur intrinsisch ferromagnetisch sind. In den letzten zwanzig Jahren wurde eine Fülle neuer künstlicher ferromagnetischer Materialien durch das Einbringen von Defekten in nichtmagnetische Wirtsmaterialien entdeckt. Im Gegensatz zu den intrinsischen ferromagnetischen Materialien bieten sie einen herausragenden Grad an materialtechnischer Freiheit, vorausgesetzt man findet zu jedem möglichen Wirtsmaterial einen passenden Typus von Defekten, um dessen intrinsische Eigenschaften um Magnetismus zu ergänzen. Dennoch bleiben einige kontroverse Fragen bislang unbeantwortet: Welche Mechanismen stehen hinter diesen ferromagnetischen Materialien? Warum werden ihre Magnetisierungswerte in der Literatur meist so niedrig angegeben? Sind diese Materialien wirklich technologisch relevante Ferromagneten? In dieser Arbeit wollen wir eine systematische Untersuchung des Phänomens durchführen. Wir schlagen ein universelles ab-initio Protokoll für die computergestützte Entdeckung von neuen künstlichen funktionalen magnetischen Materialien vor, das sich an experimentellen Bedingungen orientiert. Die erhaltenen Vorhersagen erklären die in der Literatur gefundenen experimentellen Daten sehr gut. Wir demonstrieren die Wirksamkeit der Methode durch die experimentelle Realisierung einer echten 2D-ferromagnetischen Phase bei Raumtemperatur, die in nominell nicht-ma'-gne'-tischen TiO$_2$-Filmen durch Ionenbestrahlung erzeugt wird. Die so entstehende ferromagnetische Phase folgt einem charakteristischen zweidimensionalen magnetischen Perkolationsprozess und weist eine steuerbare magnetische Anisotropie auf. Weiterhin wird die technologische Relevanz dieser künstlichen ferromagnetischen Materialien gezeigt, welche besonders zum Vorschein kommt, wenn man die künstlichen magnetischen mit einigen der intrinsischen Eigenschaften des Wirtsmaterials kombiniert, und zwar indem ein Spin-Filter Element auf Basis eines ZnO-Wirts gebaut wird, das selbst bei Raumtemperatur hoch spin-polarisierte Ströme erzeugt.:1 Introduction 2 Computational discovery of artificial ferromagnets 2.1 Ferromagnetism in solids 2.1.1 Exchange interaction and magnetic order 2.1.2 Artificial magnetism due to defects 2.2 Predicting defect structures from collision cascades 2.3 Finding magnetic defect candidates 2.4 Magnetic percolation 2.5 Magnetic phase diagram of anatase TiO 2 artificial ferromagnet 2.5.1 Defect creation in anatase TiO 2 2.5.2 Magnetic properties of dFP defects in anatase TiO 2 2.5.3 Constructing a magnetic phase diagram 2.6 Revisiting prior experimental results 3 Artificial ferromagnetism in TiO 2 hosts 3.1 Low energy ion irradiation 3.2 SQUID magnetometry 3.3 Experimental realization of an artificial ferromagnet in TiO2 4 Artificial magnetic monolayers and surface effects 4.1 Critical behavior and 2D magnetism 4.2 Magnetic anisotropy 4.2.1 Demagnetizing field and magnetic shape anisotropy 4.2.2 Magnetocrystalline anisotropy 4.3 Artificial ferromagnetic monolayer at TiO 2 surface with perpendicular magnetic anisotropy 4.4 DFT calculations of the defective anatase TiO 2 [001] surface 5 Spin transport through artificial ferromagnet interfaces 5.1 Artificial ferromagnetism in ZnO hosts 5.2 Spin filter effect at magnetic/non-magnetic interfaces in ZnO 5.2.1 The spin filter effect 5.2.2 Lithium and hydrogen doping in ZnO 5.2.3 Magneto-transport in artificial ferromagnetic Li:ZnO microwires 5.2.4 Spin transport through magnetic/non-magnetic interfaces 5.2.5 Minority spin filter effect 6 Conclusions and Outlook Bibliography Appendix: A List of publications B Computation inputs and codes B.1 DFT electronic structure calculations - Fleur input files B.2 Magnetic Percolation simulations B.3 SQUID raw data analysis code B.4 SRIM Monte Carlo binary collision code automatio