metode experimentale pentru determinarea parametrilor

PROIECT CORINT 79/ 2005 “INITIATIVA INFRASTRUCTURII INTEGRATE A STRUCTURII NUCLEARE EUROPENE”

CERCETARI PRIVIND PROCESE FIZICE FUNDAMENTALE IN SURSELE AVANSATE

DE IONI DE TIP ECR

Metode experimentale pentru determinarea parametrilor fizici ai surselor de ioni de tip ECR

L. Schachter, S. Dobrescu Institutul National de Fizica si Inginerie Nucleara, IFIN-HH P.O. Box, MG-6-76900, Romania Rezumat Studiile efectuate au permis stabilirea influentei unei structuri metal- dielectric de tip MD elaborata la IFIN- HH introdusa in camera de plasma a unei surse de ioni de tip ECR asupra productiei de ioni cu stari inalte de ionizare. A fost studiata influenta asupra principalilor parametri ai sursei: potentialul plasmei, densitatea de electroni si temperatura electronilor. S-a observat o crestere a valorilor acestor parametri in prezenta structurii MD in sursa. Influenta principala s-a caracterizat prin cresterea semnificativa a valorii potentialului plasmei ceace indica cresterea valorii timpului de viata atat pentru ioni cat si pentru electronii din plasma datorata prezentei structurii MD. Cum se stie timpul de viata al ionilor este un parametru esential in productia de ioni cu stari inalte de ionizare. Studiile experimentale au fost efectuate la Institutul de Fizica Nucleara al Universitatii J. W. Goethe din Frankfurt/ Main, Germania.

Proiectul propus in cadrul Proiectului CORINT are ca scop: Sustinerea participarii romanesti la realizarea Proiectului European ISIBHI din cadrul EURONS avand ca obiectiv: Realizarea celor mai puternce surse de ioni multiplu ionizati din lume cu tinta finala: Amplificarea performantelor marilor compexe de acceleratoare europene de particule nucleare in ceace priveste varietatea fasciculului livrat, energia, intensitatea si stabilitatea acestuia. Proiectul ISIBHI are ca obiective strategice generale: •

•

•

•

• •

Imbunatatirea cunoasterii producerii si transportului fasciculelor intense de ioni cu stari inalte de ionizare Satisfacerea necesitatilor acceleratoarelor mari de particule din Uniunea Europeana

Mentinerea pozitiei de lider a tarilor Uniunii Europene in domeniul surselor de ioni de tip ECR In cadrul Proiectului ISIBHI se prevede a fi realizate doua surse de ioni de tip ECR :

O sursa supraconductoare pentru scopuri multiple MS- ECRIS sursa compacta cu densitate mare de putere bazata pe bobine supraconductoare HTS de temperatura ridicata si magneti permanenti A- PHOENIX

Programul de realizare a Proiectului prevede si o strategie de cercetare care include:

Studiul proceselor fizice in sursele de ioni de tip ECR Realizarea de densitati inalte de electroni si durate mari de confinare

In cadrul proiectului CORINT: IFIN-HH:

•

•

•

•

•

Contributii la elucidarea unor procese fizice de baza care au loc in sursele de ioni ECR Metode de crestere semnificativa a performantelor sursei de ioni

In corelare cu termenele si obiectivele Proiectului European ne propunem:

Extinderea cercetarilor privind conditiile de utilizare a metodelor la IFIN la noile surse. Studiul teoretic si experimental al metodelor de diagnoza a sursei ECR. Participare efectiva la realizarea si punerea in functiune a celor 2 surse.

EURONS PCC Meeting, Funchal (Portugal), 7.-8. February 2005

Please add your logo here using the master

Giovanni Ciavola, JRA-07 ISIBHI

I3 EURONS JRA-07 Ion Sources for Intense Beams of Heavy Ions (ISIBHI)

Partners: 11 laboratories

INFN-LNL : SPES project (q/A) = (1/3) INFN-LNS : heavy ion beams up to U60+ between .2 and 2 eµA (cw mode)

5 pµA of light ions up to Ar16+ (hopefully Ca18+) for the EXCYT projectGSI : ions of (A/q) = 1 to 8.5 are needed, dc mode : Xe20+~ 1 emA; pulsed mode : 6 mA

of U28+, from 2.5 to 5.0 keV/nucleon, emittance < 200π mm.mrad.GANIL : LINAG Project (q/A) = (1/3) 1 emA 36Ar12+ cw mode, krypton beams LPSC : design, construction and tests of Ion SourcesKVI: very high charge state for the superconducting cyclotron AGORJYFL Jyvaskyla : > 100 pnA for ions up to Uranium with a mass to charge ratio ~ 4.7HMI : comparable to JYFLTSL Uppsala: intense highly charged Xe, Bi, U beams for injection into cyclotron

and CELSIUS storage ring CERN : 1 emA intermediate charges, 2.5 keV/nucl (long pulse mode: 200 µs)

6 mA , 6 µs (short pulse mode)NIPNE: ECR for ion-atom collision studies at different energies





Strategy for High charge state ion beams production:

high electron density, high plasma confinement time

high frequency (28 GHz or more)

high magnetic field





Goals

To design, build and test prototypes of ECRIS with a magnetic field still never reached and frequency > 28 GHz

A Multi-purpose totally Superconducting ECRIS (MS-ECRIS, inspired from the

GyroSerse project), with an adjustable magnetic configuration : Bmax = 4 T; Brad = 2.7

T; large ECR zone, f = 28 GHz according to our scaling laws

A more compact source, with a lower magnetic field and an higher power density

(A-PHOENIX source) with a technology based on HTS coils and permanent magnets

Bmax=3 T; Brad= 1.6 T





A-PHOENIX project

3 slices hexapole with fitted magnet

General magnetic structureΦ 100 mm (or less) hexapole

370 mm axial mirror system

HTS coils

New very compact 20 K cryostat ( Φint 160 mm )

(down to 18 mm between the cold coiland the room temperature vessel)





SERSE MS-ECRISf 14-18 GHz 28-35 GHz

Bradial 1.55 T 2.7 TB1 2.7 T 4 TB2 1.6 T 3 T

φ chamber 130 mm 180 mmL chamber 550 mm 700 mm

φ cryostat 1000 mm 1000 mm

L cryostat 1310 mm 1600 mmVextr 20-25 kV 40 to 60 kVLHe

consumption~4l/h 0

O8+ ~7 pµA ~20 to 50 pµAAr12+ 15 pµA 100 pµA

~1 pnA ~0.1 pµA

Xe20+ ---- ~50 pµAPb27+ ---- 40 pµA

Au45+

MultipurposeFully Superconducting Magnets

adapted to all accelerators





JRA07-ISIBHI aims to:

Fulfil all the needs of the major EU accelerator facilitiesImprove the knowledge of intense beams production and transportMaintain the EU leadership in the field of ECR ion sources





Partners: 11 laboratories

INFN-LNL : SPES project (q/A) = (1/3) INFN-LNS : heavy ion beams up to U60+ between .2 and 2 eµA (cw mode)

5 pµA of light ions up to Ar16+ (hopefully Ca18+) for the EXCYT projectGSI : ions of (A/q) = 1 to 8.5 are needed, dc mode : Xe20+~ 1 emA; pulsed mode : 6 mA

of U28+, from 2.5 to 5.0 keV/nucleon, emittance < 200π mm.mrad.GANIL : LINAG Project (q/A) = (1/3) 1 emA 36Ar12+ cw mode, krypton beams LPSC : design, construction and tests of Ion SourcesKVI: very high charge state for the superconducting cyclotron AGORJYFL Jyvaskyla : > 100 pnA for ions up to Uranium with a mass to charge ratio ~ 4.7HMI : comparable to JYFLTSL Uppsala: intense highly charged Xe, Bi, U beams for injection into cyclotron

and CELSIUS storage ring CERN : 1 emA intermediate charges, 2.5 keV/nucl (long pulse mode: 200 µs)

6 mA , 6 µs (short pulse mode)NIPNE: ECR for ion-atom collision studies at different energies





Strategy for High charge state ion beams production:

high electron density, high plasma confinement time

high frequency (28 GHz or more)

high magnetic field





Goals

To design, build and test prototypes of ECRIS with a magnetic field still never reached and frequency > 28 GHz

A Multi-purpose totally Superconducting ECRIS (MS-ECRIS, inspired from the

GyroSerse project), with an adjustable magnetic configuration : Bmax = 4 T; Brad = 2.7

T; large ECR zone, f = 28 GHz according to our scaling laws

A more compact source, with a lower magnetic field and an higher power density

(A-PHOENIX source) with a technology based on HTS coils and permanent magnets

Bmax=3 T; Brad= 1.6 T





A-PHOENIX project

3 slices hexapole with fitted magnet

General magnetic structureΦ 100 mm (or less) hexapole

370 mm axial mirror system

HTS coils

New very compact 20 K cryostat ( Φint 160 mm )

(down to 18 mm between the cold coiland the room temperature vessel)





SERSE MS-ECRISf 14-18 GHz 28-35 GHz

Bradial 1.55 T 2.7 TB1 2.7 T 4 TB2 1.6 T 3 T

φ chamber 130 mm 180 mmL chamber 550 mm 700 mm

φ cryostat 1000 mm 1000 mm

L cryostat 1310 mm 1600 mmVextr 20-25 kV 40 to 60 kVLHe

consumption~4l/h 0

O8+ ~7 pµA ~20 to 50 pµAAr12+ 15 pµA 100 pµA

~1 pnA ~0.1 pµA

Xe20+ ---- ~50 pµAPb27+ ---- 40 pµA

Au45+

MultipurposeFully Superconducting Magnets

adapted to all accelerators





JRA07-ISIBHI aims to:

Fulfil all the needs of the major EU accelerator facilitiesImprove the knowledge of intense beams production and transportMaintain the EU leadership in the field of ECR ion sources

SURSE DE IONI( ECR)

↓ Generarea de Fascicule Intense de Ioni cu Stari Inalte de Sarcina

↓ ↓ ↓ Acceleratori Facilitati de Studiul Materialelor de Particule Fizica Atomica Aplicatii Principiul de Functionare

↓ Producerea de ioni intr-o Plasma Confinata Magnetic Electronii din Plasma → Incalziti stochastic intr-un camp de microunde la zeci de Kev →Ionizare profunda a atomilor prin procese colisionale. Timpul de viata al Ionilor in plasma este limitat de viteza de difuzie, de potentialul plasmei si de volumul ei. Proces permanent de reducere a starii medii de sarcina datorate proceselor de schimb de sarcina dintre ionii inalt ionizati cu atomii neutrii Productia Efectiva de Ioni cu Stare inalta de ionizare:

↓ Potentialul Plasmei

↓ Echilibrul dinamic dintre pierderile de particule din plasma si castigurile de particule in plasma adica de fenomenul de Difuzie Ambipolara

Metode Experimentale pentru determinarea parametrilor fizici ai surselor de ioni de tip ECR Obiectiv: Cresterea productiei de ioni cu stari inalte de ionizare Metode Utilizate: In conditiile unei configuratii magnetice date • Cresterea densitatii de electroni in plasma A fost utilizata metoda elaborata de noi la IFIN-HH: Utilizarea de structuri metal –dielectric inalt emisive de electroni secundari sub impactul particulelor din plasma ECR Obiectivul experimentului in cadrul fazei: • •

Punerea la punct a metodei de determinare a parametrilor plasmei Stabilirea influentei metodei elaborate asupra parametrilor plasmei esentiali pentru productia de ioni inalt ionizati.

Procedura de masurare: S-a utilizat metoda clasica Langmuir de diagnoza a plasmei adaptata la conditiile experimentale ale sursei de ioni ECR. S-au determinat : • • •

Potentialul plasmei Densitatea de electroni in plasma Temperatura electronilor in plasma

Potentialul plasmei densitatea si temperatura electronilor au fost determinate din caracteristicile volt-amperice ale sondei utilizand formulele Langmuir clasice [5 ].

Caracterisicile I/V masurate ale probei Langmuir( V=0-180 V) permit determinarea parametrilor plasmei.

Potentialul plasmei Vpl este estimat cel mai bine de de maximul primei derivate dI/dV a caracteristicii probeiI/V.

Temperatura medie a electronilor Te a fost calculata din ecuatia: Te/e= -(dlnI/dV) care leaga parametrul plasmei de prima derivata a logaritmului

natural a curentului probei Itinand seama de valoarea voltajului probei pentru potentialul plasmei.

Densitatea de electroni din plasma n a fost calculata din formula

Langmuir: IVpl = eAn(Te/2πme)

½

Unde IVpl este curentul de eletroni ai probei corespunzator potentialului masurat al plasmei, A este suprafata probei. Trebuie subliniat ca in general metoda ia in considerare plasmele monoatomice si monoionizate. Plasma ECR de presiune joasa nu are insa o distributie Maxwelliana pentru electroni si are o compozitie complexa de ioni de multiplu ionizati. Consecinte: Valorile determinate au un grad sporit de incertitudine in ceace priveste determinarea densitatii si temperaturii electronilor acestea fiind obtinute in afara zonei propiu zise ECR. Totusi: Reflecta situatia in interiorul plasmei si variatia lor relativa este un indicator valabil al comportarii acestor parametrii in interiorul plasmei. Fapt confirmat de o metoda alternativa de masurare a potentialului plasmei.

Parametrii Plasmei: Metoda Langmuir clasica aplicata la zona de retinere a electronilor a caracteristicii sondei. Sonda mobila Langmuir: un fir de Tungsten cu un diametru de 0.4 mm introdus printr-o poarta de acces in sursa in partea de injectie la un unghiu de 17o fata de axa sursei. Sonda intersecta axa sursei in zona maximului campului magnetic axial. Astfel sonda a fost in afara zonei fierbinti de rezonanta ECR a plasmei sursei. Masurarea caracteristicii I/V a sondei a permis obtinerea parametrilor plasmei: •

•

•

Maximul primei derivate dI/ dV determina Potentialul Plasmei Temperatura medie a electronilor a fost data de

Te/e= -(dlnI/dV)-1 care exprima legatura dintre prima derivata a logaritmului natural a curentului sondei fata de valoarea voltajului potentialului masurat al plasmei

Densitatea electronilor in plasma n a fost obtinuta din IVpl = eAn ( Te/2π me)1/2 adica din valoarea curentului sondei corespunzatoare potentialului masurat al plasmei.

TABEL 1. ECR plasma potential UPlasma masurat cu sonda Langmuir la diferite presiuni ale sursei

UPlasma (V)

Source pressure (mbar)

Stainless steel plasma chamber (no MD)

MD liner inserted in the plasma chamber

1×10-7

3×10-7

5.5×10-7

26 26 28

35 35 -

TABEL 2. ECR plasma potential UPlasma masurat cu metoda alternativa a energiei ionilor (UPlasma = - a/b)

Stainless steel plasma chamber

(no MD) MD liner inserted in the plasma chamber

Linear fit parameters UPlasma (V) Linear fit parameters UPlasma (V) a = - 3.46 ± 0.44 b = 0.1546 ± 0.0020

22.4 ± 2.9 a = - 5.42 ± 0.20 b = 0.1516 ± 0.0025

35.7 ± 1.3

TABEL 3. Influenta structurii MD asupra temperaturii electronilor in plasma Te

Presiunea in Sursa

(mbar) Te ( cu MD) / Te (fara MD)

1×10-7

3×10-7

5.5×10-7

1.71 1.73 1.64

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4

6

8

10

12

14

16

MD structure inserted Reference (no MD)

n e i /

n e 0

Source pressure (10-7 mbar)

Figura 1

150 200 250 300 350 400 450 500

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

n e i /

n e 0

PRF (W)

Figura 2

Concluzii

1. Potentialul plasmei este constant pe domeniul de presiuni studiat

2. Introducerea structurii MD creste cu 30% valoarea potentialului plasmei. Aceasta crestere este determinata de faptul ca electronii secundari emisi de structura MD penetreaza plasma cu o energie corespunzand potentialului plasmei fiind capabili sa atinga zona de rezonanta ceace are ca efect un shift al distributiei starilor de sarcina a ionilor catre starile mai inalte de sarcina. Cresterea componentei de stari inalte de sarcina a populatiei de ioni determina la randul ei o crestere a sarcinei pozitive in plasma ceace are ca efect intrarea in actiune a mecanismului difuziei ambipolare care determina o crestere a potentialului plasmei pentru a reduce pierderile de electroni.

3. Sonda Langmuir este pozitionata pe axa sursei ceace are ca efect colectarea de electroni care scapa din zona ECR. Astfel temperatura electronilor masurata de sonda este corelata direct cu energia medie a electronilor in plasma ECR. Introducerea structurii MD are ca efect o crestere cu 70% a temperaturii medii a electronilor in plasma. Cresterea temperaturii electronilor in prezenta structurii MD se datoreaza imbogatirii populatiei de electroni in plasma ECR prin permanenta aprovizionare cu electroni din structura MD care participa la incalzirea stochastica plecand de la energia potentialului plasmei. Asa cum se cunoaste energia electronilor este un factor dominant pentru distributia starilor de sarcina a ionilor deoarece dependenta sectiunii de ionizare in ciocnirile ion-electron de energia electronilor este foarte puternica pentru starile inalte de sarcina. Aceasta explica dece cresterea temperaturii medii a electronilor la introducerea structurii MD are ca efect o crestere a intensitatii starilor inalte de sarcina si deplasarea distributiei starilor de sarcina catre starile inalte.

4. Densitatea de electroni depinde puternic de presiune iar introducerea

structurii MD are ca efect o crestere de aprox 3 ori a valorii densitatii probabil in principal a populatiei de electroni calzi. Ca rezultat procesele colizionale sunt amplificate contribuind la cresterea productiei de ioni cu stari inalte de sarcina. Acest rezultat este remarcabil pentruca nu se poate obtine o crestere a productiei de ioni cu stari inalte de sarcina crescand presiunea neutrilor, desi aceasta are deasemenea ca efect cresterea densitatii de electroni, din cauza recombinarilor care au ca efect o reducere drastica a componentei de stari inalte in distributie.

5. Lucrarile realizate in cadrul etapei au permis relevarea posibilitatii de masurare a parametrilor plasmei ECR: potentialul plasmei, densitatea si temperatura electronilor in conditiile extrem de dure existente in interiorul sursei.

metode experimentale pentru determinarea parametrilor

Documents