Πειραματική μελέτη της παραγωγής αρνητικών ιόντων Η- από πλάσμα κυκλοτρονικού συντονισμού ηλεκτρονίων

Abstract

The present PhD thesis is devoted to the experimental study of hydrogen negative ion (H-) production in a microwave-driven multi-dipolar Electron Cyclotron Resonance (ECR) plasma source. H- sources are mainly required in high-energy accelerators and more importantly in neutral beam injection systems for fusion plasma heating. Towards this direction, two sources (namely “Prometheus I” and “ROSAE III”) are designed, fabricated and studied. Both sources are driven by 2D networks of elementary dipolar ECR sources. It is proven that negative ion formation in these sources is governed by the volume production mechanism, which mostly refers to the dissociative attachment of low energy electrons to vibrationally excited molecules. Contrary to the so called surface sources, volume sources have the advantage of cesium-free operation. Extended experimental study is realized in order to optimize the operation of source. Both the operation of the source and the production of negative ions is studied by means of electrostatic probes, laser photodetachment, optical emission spectroscopy, both in the visible and the vacuum-ultraviolet spectral range and finally, vacuum ultraviolet absorption and induced fluorescence spectroscopy using synchrotron radiation in a specially designed setup ("SCHEME"). Analytically: The source "Prometheus I", which is installed in the High Voltage Laboratory of the University of Patras is studied in detail (EEDF, H- density, optical emission spectra etc), under a wide range of experimental conditions (e.g. pressure, power, ECR-zone location), proving its efficiency for H- volume production and unveiling the optimal operational window. The contribution of the dissociative attachment process and neutral resonant ionization to H- production in this source is evaluated, and the dominance of the former is finally confirmed by an equilibrium model. Due to the importance of the ro-vibrationally excited molecules to the dissociative attachment process, the study is focused on their formation reactions. Two formation reactions are considered by adequately adapted experiments: the recombinative desorption of hydrogen atoms on the surface of various materials ("ROSAE III" and "SCHEME") and the electron impact excitation through temporary singlet states ("Prometheus I"). The study of recombinative desorption is approached in two different ways. With the source ROSAE III, which is installed in the Laboratory of Subatomic Physics and Cosmology in Grenoble (France), the indirect impact of the process to the production of negative ions, through the formation of ro-vibrationally excited molecules, is evaluated in ECR plasmas. In the second approach, the source SCHEME is designed and installed in Synchrotron Soleil in Paris (France), for the independent investigation of the recombinative desorption of unexcited atoms using synchrotron radiation based diagnostics. The formation of vibrational states through singlet excitation in the source "Prometheus I" is studied by vacuum-ultraviolet emission measurements. A study that combined vacuum-ultraviolet emission spectroscopy, photodetachment and the characterization of electron kinetics with electrostatic probes, allowed the identification of the factors that limit negative ion production in the ECR plasma of "Prometheus I". Perspectives for overcoming these limitations are finally proposed.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στην πειραματική μελέτη της παραγωγής αρνητικών ιόντων υδρογόνου (H-) από μία πολύ-διπολική πηγή πλάσματος Κυκλοτρονικού Συντονισμού Ηλεκτρονίων (ECR) οδηγούμενη από μικροκύματα. Οι πηγές H- βρίσκουν εφαρμογή κατά κύριο λόγο σε επιταχυντές υψηλής ενέργειας και σε συστήματα έγχυσης ουδετέρων σωματιδίων για τη θέρμανση του πλάσματος θερμοπυρηνικής σύντηξης. Στην κατεύθυνση αυτή, δύο πηγές ("Προμηθέας Ι" και "ROSAE III") σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν. Και οι δύο πηγές οδηγούνται από δισδιάστατα δίκτυα στοιχειωδών διπολικών πηγών ECR. Όπως έχει αποδειχθεί, ο σχηματισμός αρνητικών ιόντων στις πηγές αυτές οφείλεται στον μηχανισμό παραγωγής στον όγκο του πλάσματος, ο οποίος αφορά κυρίως στη διαχωρίζουσα προσάρτηση ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας σε δονητικά διεγερμένα μόρια. Σε αντίθεση με τις αποκαλούμενες πηγές επιφάνειας, οι πηγές όγκου έχουν το πλεονέκτημα της λειτουργίας χωρίς καίσιο. Στα πλαίσια της εργασίας πραγματοποιείται εκτενής παραμετρική μελέτη με σκοπό την βελτιστοποίηση των πηγών αυτών. Η μελέτη αυτή αφορά τόσο στη γενικότερη λειτουργία όσο και στην παραγωγή αρνητικών ιόντων και γίνεται μέσω: ηλεκτροστατικών καθετήρων, φωτο-απόσπασης με laser, οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής, τόσο στην περιοχή του ορατού όσο και στην περιοχή του υπεριώδους κενού, καθώς και φασματοσκοπίας απορρόφησης και επαγόμενου φθορισμού στην περιοχή του υπεριώδους κενού χρησιμοποιώντας την ακτινοβολία συγχροτρονίου σε μία ειδικά σχεδιασμένη διάταξη ("SCHEME"). Αναλυτικά: Η πηγή "Προμηθέας Ι", η οποία είναι εγκατεστημένη στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Πανεπιστημίου Πατρών, μελετάται λεπτομερώς (EEDF, πυκνότητα H-, φάσματα εκπομπής κλπ.), σε μία ευρεία περιοχή πειραματικών συνθηκών (π.χ. πίεση, ισχύ, θέση ζωνών ECR), αποδεικνύοντας την αποδοτικότητα της στην παραγωγή αρνητικών ιόντων και αποκαλύπτοντας την περιοχή βέλτιστης λειτουργίας. Η συνεισφορά της διαχωρίζουσας προσάρτησης και του συντονισμένου ιονισμού ουδετέρων στην παραγωγή ιόντων της πηγής εκτιμάται, και η υπεροχή του πρώτου μηχανισμού αποδεικνύεται βάσει ενός μοντέλο ισορροπίας. Λόγω της σημασίας των περιστροφικά-δονητικά διεγερμένων μορίων για τη διαχωρίζουσα προσάρτηση, η μελέτη επικεντρώνεται στους μηχανισμούς σχηματισμού τους. Δύο μηχανισμοί λαμβάνονται υπόψη με κατάλληλα προσαρμοσμένα πειράματα: η επανασυνδέουσα εκρόφηση ατόμων υδρογόνου στις επιφάνειες διαφόρων υλικών ("ROSAE III" και "SCHEME") και η διέγερση από κρούσεις με ηλεκτρόνια μέσω προσωρινών μοριακών καταστάσεων singlet ("Prometheus I"). Η μελέτη της επανασυνδέουσας εκρόφησης προσεγγίζεται με δύο τρόπους. Με την πηγή "ROSAE III", η οποία είναι εγκατεστημένη στο Εργαστήριο Υποατομικής Φυσικής και Κοσμολογίας στη Grenoble της Γαλλίας, εκτιμάται η έμμεση συνεισφορά του μηχανισμού στην παραγωγή αρνητικών ιόντων, μέσω του σχηματισμού περιστροφικά δονητικά διεγερμένων μορίων σε πλάσμα ECR. Στη δεύτερη προσέγγιση, σχεδιάζεται η πηγή SCHEME και γίνεται η εγκατάσταση της στο Συγχροτρόνιο Soleil στο Παρίσι (Γαλλία), για την ανεξάρτητη μελέτη της συνεισφοράς της επανασυνδέουσας εκρόφησης ατόμων με τη χρήση διαγνωστικών που βασίζονται στην ακτινοβολία συγχροτρονίου. Ο σχηματισμός δονητικά διεγερμένων μορίων μέσω διεγέρσεων μοριακών καταστάσεων singlet στην πηγή "Προμηθέας Ι" μελετάται με τη χρήση φασματοσκοπίας εκπομπής στην περιοχή του υπεριώδους κενού. Μία συνδυαστική μελέτη μέσω φασματοσκοπίας εκπομπής στην περιοχή του υπεριώδους κενού, φωτο-απόσπασης και ηλεκτροστατικών καθετήρων επιτρέπει την ταυτοποίηση των παραγόντων που περιορίζουν την παραγωγή αρνητικών ιόντων στο πλάσμα ECR της πηγή "Προμηθέας Ι". Τέλος, συζητούνται πιθανές λύσεις ώστε να ξεπεραστούν οι περιορισμοί αυτοί.