Verbundprojekt: Innovative Vakuumtechnologie für Quantensensoren - Akronym: InnoVaQ; Teilvorhaben: Miniaturisierte Vakuumpumpentechnologie für den Einsatz in kompakten Sensorsystemen

Abstract

Für den Betrieb moderner Quantensensoren, insbesondere optischer Atomuhren, wird eine Ultrahochvakuumumgebung benötigt, die bislang überwiegend mit großvolumigen Kammern und konventionellen Ionengetterpumpen realisiert wird. Im vorliegenden Projekt wurde daher eine miniaturisierte, magnetfreie Ionengetterpumpe entwickelt, bei der eine mikrotechnologisch gefertigte Feldemissionsquelle sowohl zur Aufrechterhaltung des Ultrahochvakuums als auch zur Druckmessung eingesetzt wird. Im Rahmen des Projekts wurden am IMPT zunächst trenngeschliffene Siliziumfeldemitter und glasbasierte Spitzenstrukturen in Kombination mit einer Glasextraktionselektrode konzipiert und umgesetzt, sodass eine kompakte Elektronenquelle für die miniaturisierte Pumpe zur Verfügung steht. Für die Realisierung der glasbasierten Strukturen sowie der Extraktionselektrode kam der LIDE Prozess zum Einsatz, mit dem hochpräzise Mikrostrukturen in Glas bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität erzeugt werden können. Darauf aufbauend konnten laserbasierte Bondverfahren für Glas-Silizium und Glas-Glas Systeme etabliert und in batchfähige Fertigungsprozesse überführt werden, die die reproduzierbare Herstellung umfangreicher Emitterarrays ermöglichen. Ergänzend wurden spezielle Charakterisierungsaufbauten und eine darauf abgestimmte Ansteuerungselektronik entwickelt, mit denen sowohl die Emissionskennlinien als auch die Langzeitstabilität der Elektronenquelle unter realitätsnahen Betriebsbedingungen untersucht werden können. In einem Demonstratoraufbau mit Titangetter konnte gezeigt werden, dass die integrierte, magnetfreie Vakuumpumpe Drücke im Bereich von etwa 10-5 mbar erreicht und über viele Stunden stabil hält, sodass die Eignung des Konzepts für den Einsatz in miniaturisierten Quantensensorsystemen nachgewiesen ist.