Characteristics and Dynamics of the Boundary Layer in RF-driven Sources for Negative Hydrogen Ions

  • The design of the neutral beam injection system of the upcoming ITER fusion device is based on the IPP (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching) prototype source for negative hydrogen ions. The latter consists of a driver, in which hydrogen (or deuterium) molecules are dissociated in a large degree in a hydrogen plasma; the plasma expands then towards the plasma grid, on which negative hydrogen ions are formed by conversion of atoms or positive ions by the surface process and are extracted in the following accompanied by the co-extraction of electrons via a three grid system. Electrons are removed out of the extracted beam prior full acceleration using deflection magnets, bending them onto the second grid. The thermal load limits the tolerable amount of co-extracted electrons. A magnetic filter field in the expansion chamber reduces the electron temperature and density, on the one hand in order to minimize the destruction process of negative hydrogen ions by electron collisionsThe design of the neutral beam injection system of the upcoming ITER fusion device is based on the IPP (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching) prototype source for negative hydrogen ions. The latter consists of a driver, in which hydrogen (or deuterium) molecules are dissociated in a large degree in a hydrogen plasma; the plasma expands then towards the plasma grid, on which negative hydrogen ions are formed by conversion of atoms or positive ions by the surface process and are extracted in the following accompanied by the co-extraction of electrons via a three grid system. Electrons are removed out of the extracted beam prior full acceleration using deflection magnets, bending them onto the second grid. The thermal load limits the tolerable amount of co-extracted electrons. A magnetic filter field in the expansion chamber reduces the electron temperature and density, on the one hand in order to minimize the destruction process of negative hydrogen ions by electron collisions and on the other hand in order to reduce the co-extracted electron current density. Caesium is evaporated into the source for an effective production of negative hydrogen ions, lowering the work function of the plasma grid. Due to the high chemical reactivity of caesium, the high vacuum condition in the source and the plasma-wall interaction, complex redistribution processes of Cs take place in the ion source. The boundary layer is the plasma volume between the magnetic filter field and the plasma grid, in which the most important physics of the negative ion source takes place: the production of negative hydrogen ions at the plasma grid, their transport through the plasma and the following extraction. A deeper understanding of the plasma and Cs dynamics in the boundary layer is desirable in order to achieve a stable long-pulse operation as well as to identify possible future improvements. For this reason, the boundary layer of the prototype source has been characterized in this work using multiple diagnostics at the same time: the Cs density is measured using a laser absorption spectroscopy, the density of negative hydrogen ions is determined using Cavity Ring-Down Spectroscopy and the plasma potential, plasma density and electron temperature is measured by Langmuir probes. Determination at the same time is required since in particular the Cs dynamics can differ in different experimental campaigns. Relevant processes have been identified by comparison of the plasma parameters with the extracted current densities of negative hydrogen ions and electrons. A strongly differing Cs dynamics has been detected between vacuum and plasma phases: whereas the Cs dynamics is mainly determined by the high chemical reactivity during vacuum phases, a large and almost homogeneous redistribution of Cs takes place in plasma phases. A comparison of hydrogen and deuterium operation showed a similar plasma dynamics with respect to negative ions (similar amount of extracted ion current density and an increased density of negative ions in the volume due to the mass difference in deuterium), as well as a differing dynamics with respect to electrons (increased co-extracted electron current density due to an increased electron density as well as a differing electron transport in deuterium).show moreshow less
  • Das Design des Neutralinjektionssystems für das ITER Fusionsforschungsexperiment basiert auf der IPP (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching) Prototypquelle negativer Wasserstoffionen. Diese besteht aus einem Driver, worin Wasserstoff- (oder Deuterium-) Moleküle zu einem hohen Anteil in einem Wasserstoffplasma dissoziiert werden; das Plasma expandiert anschließend in Richtung des Plasmagitters, auf welchem negative Wasserstoffionen aus Konversion von Atomen oder positiven Ionen über einen Oberflächenprozess erzeugt und anschließend über ein Drei-Gittersystem aus der Quelle gemeinsam mit Elektronen extrahiert werden. Dabei werden Elektronen vor voller Beschleunigung mittels Ablenkmagnete auf das zweite Gitter gelenkt; die entstehende thermische Last begrenzt die erlaubte Menge ko-extrahierter Elektronen. Ein magnetisches Filterfeld im Expansionsgefäß reduziert die Elektronentemperatur und –dichte, um zum einen den Zerstörungsprozess negativer Wasserstoffionen mittelsDas Design des Neutralinjektionssystems für das ITER Fusionsforschungsexperiment basiert auf der IPP (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching) Prototypquelle negativer Wasserstoffionen. Diese besteht aus einem Driver, worin Wasserstoff- (oder Deuterium-) Moleküle zu einem hohen Anteil in einem Wasserstoffplasma dissoziiert werden; das Plasma expandiert anschließend in Richtung des Plasmagitters, auf welchem negative Wasserstoffionen aus Konversion von Atomen oder positiven Ionen über einen Oberflächenprozess erzeugt und anschließend über ein Drei-Gittersystem aus der Quelle gemeinsam mit Elektronen extrahiert werden. Dabei werden Elektronen vor voller Beschleunigung mittels Ablenkmagnete auf das zweite Gitter gelenkt; die entstehende thermische Last begrenzt die erlaubte Menge ko-extrahierter Elektronen. Ein magnetisches Filterfeld im Expansionsgefäß reduziert die Elektronentemperatur und –dichte, um zum einen den Zerstörungsprozess negativer Wasserstoffionen mittels Elektronenstoß zu minimieren und zum anderen die ko-extrahierte Elektronenstromdichte zu reduzieren. Zur effizienten Produktion negativer Wasserstoffionen wird Cäsium in die Quelle verdampft, wodurch die Austrittsarbeit auf dem Plasmagitter reduziert wird. Aufgrund der hohen chemischen Reaktivität von Cäsium, der Hochvakuumbedingung in der Quelle und der stattfindenden Plasma-Wand-Wechselwirkung finden dabei komplizierte Umverteilungsprozesse von Cäsium in der Quelle statt. Die erweiterte Randschicht ist das Plasmavolumen zwischen dem magnetischen Filterfeld und dem Plasmagitter, in welchem die wichtigste Physik der Quelle negativer Ionen stattfindet: Die Produktion negativer Wasserstoffionen auf dem Plasmagitter, deren Transport durch das Plasma und die anschließende Extraktion. Ein besseres Verständnis der Plasma- und Cäsiumdynamik in der erweiterten Randschicht ist wünschenswert für das Erreichen eines stabilen Langpulsbetriebs sowie der Identifizierung möglicher zukünftiger Verbesserungen im Design der Quelle. Zu diesem Zweck wurde in dieser Arbeit die erweiterte Randschicht der Prototypquelle unter gleichzeitiger Verwendung mehrerer Diagnostiken charakterisiert: Die Cs Dichte wurde durch Verwendung einer Laser Absorptionsspektroskopie bestimmt, die Dichte negativer Wasserstoffionen mittels Cavity Ring-Down Spektroskopie sowie das Plasmapotential, die Plasmadichte und Elektronentemperatur durch Verwendung von Langmuirsonden. Eine gleichzeitige Messung ist dabei notwendig, da sich insbesondere die Cäsiumdynamik in verschiedenen Kampagnen unterscheiden kann. Durch einen Vergleich mit den extrahierten Stromdichten negativer Wasserstoffionen sowie Elektronen konnten relevante Prozesse identifiziert werden. In Bezug auf die stattfindende Cäsiumdynamik wurde ein starker Unterschied zwischen Vakuum- und Plasmaphasen festgestellt: Während in Vakuumphasen die Cäsiumdynamik im Wesentlichen von der hohen chemischen Reaktivität von Cäsium bestimmt ist, findet in Plasmaphasen eine weitgehend homogene, große Umverteilung von elementarem Cäsium statt. Ein Vergleich zwischen Wasserstoff- und Deuteriumbetrieb zeigte eine ähnliche Plasmadynamik in Bezug auf negative Ionen (gleiche Menge extrahierter Ionenstromdichte bei erhöhter Dichte im Volumen aufgrund des Massenunterschieds in Deuterium), sowie eine unterschiedliche Dynamik in Bezug auf Elektronen (erhöhte ko-extrahierte Elektronenstromdichte aufgrund einer erhöhten Elektronendichte sowie eines unterschiedlichen Elektronentransports in Deuterium).show moreshow less

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Metadaten
Author:Christian Wimmer
URN:urn:nbn:de:bvb:384-opus4-28877
Frontdoor URLhttps://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/2887
Advisor:Ursel Fantz
Type:Doctoral Thesis
Language:English
Publishing Institution:Universität Augsburg
Granting Institution:Universität Augsburg, Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Date of final exam:2014/10/16
Release Date:2014/12/16
Tag:negative hydrogen ions
GND-Keyword:Ionenquelle; Plasmadiagnostik; Wasserstoffanion; Plasmadynamik; Plasmarandschicht
Institutes:Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät / Institut für Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):Deutsches Urheberrecht