Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5976

Zusammenfassung

Die Qualität der mit dem Protonenbeschleuniger KALIF erzeugten Ionenstrahlen hängt wesentlich von den Eigenschaften der Anoden- und Kathodenplasmen sowie von elektromagnetischen Fluktuationen in der Beschleunigungsstrecke ab. Eine Voraussetzung für die Verbesserung der Strahlqualität ist die genaue Kenntnis der Plasmaeigenschaften und der elektromagnetischen Feldverteilung im Beschleunigungsspalt.

In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften des Anodenplasmas untersucht. Elek-tronendichte und -Temperatur und die Zusammensetzung des Anodenplasmas wurden mit optischer Spektroskopie bestimmt. Die ermittelte Elektronendichte wuchs von 110¹⁶ cm^-3 zu Beginn auf bis zu 510¹⁷cm^-3 am Ende des KALIF-Impulses an. Die Elektronentemperatur erreichte sehr schnell Werte um 7 eV. Neben Wasserstoff befand sich überwiegend dreifach ionisierter Kohlenstoff im Anodenplasma. Die Wasserstoffdichte nahm kontinuierlich während des gesamten Impulses zu.

Die Dynamik des Magnetfelds im Anodenplasma einer Hochleistungsionendiode konnte erstmals aus orts- und zeitaufgelösten Messungen der Zeemanaufspaltung von CIII und CIV-Linien ermittelt werden. Aus dem beobachteten Eindringen des durch die Elektronendrift im Diodenspalt induzierten diamagnetischen Feldes in die Anodenplasmaschicht ergeben sich wichtige Konzequenzen für das Be-triebsverhalten der Diode. Dazu gehören die Schwächung der magnetischen Isolation, was eine Abnahme der Diodenimpedanz im Laufe des Impulses und möglicherweise sogar einen Kollaps der virtuellen Kathode auf die Anode zur Folge hat. Noch bedeutendere Auswirkungen ergeben sich aus der induzierten Wirbelstromheizung der Anodenplasmaschicht, was zu einem exponentiellen Wachstum der Teilchendichte im Plasma führt.

Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Messung des Strahldivergenzwachstums im Beschleunigungsspalt der Diode. Die Strahldivergenz sollte aus der Doppler-verbreiterung von Spektrallinien geeigneter im Diodenspalt beschleunigter Ionen, z.B. Kohlenstoff, die als natürliche Kontaminanten im Anodenplasma vorhanden waren, ermittelt werden. Obwohl diese Kontaminanten in genügender Menge im Anodenplasma vorkamen, blieb ihre Intensität im Diodenspalt unterhalb der Nachweisgrenze. Als Ursache hierfür wird die Abschirmung des elektrischen Extraktionsfeldes für die Kohlenstoffionen durch eine dünne Protonenschicht an der Plasmafront angesehen. Eine Messung der Strahldivergenz direkt am Plasma-rand war jedoch möglich. Diese Ergebnisse zeigen, daß ein großer Teil der Strahldivergenz bereits am Rand des Anodenplasmas entsteht, was auf eine räumlich inhomogene Plasmaoberfläche hindeutet.

Spectroscopic Measurements in the Anode Plasma of an Applied-Magnetic-Field High-Power Ion Diode

Abstract

The quality of the ion beam which is produced by the proton accelerator KALIF depends essentially on the properties of the anode and cathode plasmas and on electromagnetic fluctuations occuring in the accelerating gap of the diode. For the enhancement of the beam quality the properties of the plasma and the electromagnetic field distribution in the diode gap should be well known.

In this thesis, therefore, the properties of the anode plasma were investigated.

The measurements of the electron density and temperature and the composition of the anode plasma were carried out through the spectroscopic diagnostic method. The electron density varied from 110¹⁶ cm^-3 early in the KALIF-pulse to 510¹⁷ cm^-3 at the end of the pulse. The electron temperature grew very fast up to 7 eV early in the pulse. Apart from the hydrogen atoms and ions triple ionized carbon was dominant in the anode plasma. The density of the hydrogen atoms and ions grew continuously during the pulse.

For the first time, the dynamics of the magnetic field in the anode plasma of a high-power ion diode could be measured using the Zeeman splitting of CIII and CIV lines. This measurement was time dependent and spatially-resolved. Several important consequences resulted from the diamagnetic field penetration into the anode plasma: the weaker magnetic insulation reduces the diode impedance and may even cause the electron sheath to collapse to the anode, plasma heating by the induced eddy currents leads to exponential growth of the particle density in the plasma.

It was further tried to measure the growth of the beam divergence in the acceler-ating gap. The beam divergence could be determined from the Doppler broadening of a spectral line of carbon which existed as a natural contaminant in the anode plasma. Although the abundance of carbon in the anode plasma was sufficient for the measurement, the carbon ions were not accelerated in sufficient quantities to measure their emission lines in the accelerating gap. We suppose that a sheath of hydrogen ions in front of the anode plasma shields the electric field off from the carbon ions. A measurement performed just near the anode plasma front shows that much of the beam divergence is already created at the anode plasma front. It means that the plasma surface is spatially inhomogeneous.