Open Access

Sofia Cristofaro

• An important component of future fusion machines like ITER and DEMO is the neutral beam injection system based on negative hydrogen or deuterium ions (NNBI). The NNBI system for ITER will deliver 16.5 MW of power by means of a 1 MeV accelerated and homogeneous beam with pulses of up to one hour. A key element of the NNBI is the ion source, which will deliver an accelerated D- current density of 200 A/m^2 with a co-extracted electron to extracted negative ion current density ratio below unity. The ion source relies on the surface production of negative hydrogen ions via conversion of atomic hydrogen and positive hydrogen ions impinging on a caesiated low work function surface. At the ion sources a main issue is the temporal instability of the co-extracted electron current, which constantly increases during long pulses. Such instability is expected to be connected to a degradation or vanishing of the Cs layer at the converter surface, causing a variation of the work function. This issueAn important component of future fusion machines like ITER and DEMO is the neutral beam injection system based on negative hydrogen or deuterium ions (NNBI). The NNBI system for ITER will deliver 16.5 MW of power by means of a 1 MeV accelerated and homogeneous beam with pulses of up to one hour. A key element of the NNBI is the ion source, which will deliver an accelerated D- current density of 200 A/m^2 with a co-extracted electron to extracted negative ion current density ratio below unity. The ion source relies on the surface production of negative hydrogen ions via conversion of atomic hydrogen and positive hydrogen ions impinging on a caesiated low work function surface. At the ion sources a main issue is the temporal instability of the co-extracted electron current, which constantly increases during long pulses. Such instability is expected to be connected to a degradation or vanishing of the Cs layer at the converter surface, causing a variation of the work function. This issue is more evident in deuterium operation, where stronger dynamics of the electron current with respect to hydrogen operation is observed. Fundamental investigations of the negative ion formation and of the work function of caesiated surfaces are thus performed in the flexible laboratory experiment ACCesS, operating at ion source relevant vacuum (background pressure: 10^{-6} mbar) and plasma conditions. The setup consists of an inductively coupled plasma, of a Cs oven for the Cs evaporation, and of several diagnostic systems, in order to investigate the work function of a surface, the Cs dynamics, the H- density in front of the surface, and the plasma parameters. It is known that during vacuum phases the moderate vacuum leads to the formation of non-metallic Cs compounds at the surface, leading to work functions of 2.7 eV in minimum. The current investigations have shown the impact of plasma exposure on the work function of a caesiated surface due to the impinging plasma particles and the UV/VUV radiation. On the one hand, the plasma cleans the Cs layer within 5-10 seconds leading to a decrease of the work function from 2.7 to 2.1 eV (corresponding to pure Cs). On the other hand, the plasma surface interaction also removes the Cs layer if not enough Cs flux towards the surface is sustained. Thus, the removal of the Cs layer must be counteracted by a Cs flux of at least 1.5×10^{16} m^{-2}s^{-1}. Furthermore, a similar temporal variation of the work function in hydrogen and deuterium plasmas is observed. Moreover, controlled and reproducible investigations allowed to correlate for the first time the negative ion density in front of the surface to the surface work function, showing a steep increase of the negative ion density for work functions below 2.7 eV both in hydrogen and in deuterium operation. Finally, due to the high Cs reactivity and complex redistribution dynamics, alternative materials were considered in view of the demonstration fusion reactor DEMO: LaB6, lanthanated materials (W and Mo), a tungsten dispenser cathode, and europium were tested. However, none of the considered materials is a valid alternative to Cs evaporation due to either too high work function under ion source conditions or even higher dynamics compared to Cs.…
• Eine wichtige Komponente zukünftiger Fusionsmaschinen wie ITER und DEMO ist die Neutralteilcheninjektion, die auf negativen Wasserstoff- oder Deuteriumionen (NNBI) basiert. Das NNBI-System für ITER soll 16.5 MW Heizleistung bei einer Teilchenenergie von 1 MeV für Pulsdauern von bis zu einer Stunde liefern. Ein zentrales Element der NNBI ist die Ionenquelle, die eine Stromdichte von 200 A/m^2 D‒ bei einem Anteil an co-extrahierten Elektronen von unter Eins liefert. Die Ionenquelle basiert auf der Oberflächenproduktion von negativen Wasserstoffionen durch die Konversion von atomarem Wasserstoff und positiven Wasserstoffionen, die auf eine caesierte Oberfläche mit niedriger Austrittsarbeit auftreffen. An derzeitigen Forschungsquellen wird typischerweise ein stetiger Anstieg des co-extrahierten Elektronenstroms bei langen Pulsen beobachtet. Diese Instabilität wird mit einer Verschlechterung der Cs-Schicht an der Konverteroberfläche in Verbindung gebracht, was zu einer Erhöhung derEine wichtige Komponente zukünftiger Fusionsmaschinen wie ITER und DEMO ist die Neutralteilcheninjektion, die auf negativen Wasserstoff- oder Deuteriumionen (NNBI) basiert. Das NNBI-System für ITER soll 16.5 MW Heizleistung bei einer Teilchenenergie von 1 MeV für Pulsdauern von bis zu einer Stunde liefern. Ein zentrales Element der NNBI ist die Ionenquelle, die eine Stromdichte von 200 A/m^2 D‒ bei einem Anteil an co-extrahierten Elektronen von unter Eins liefert. Die Ionenquelle basiert auf der Oberflächenproduktion von negativen Wasserstoffionen durch die Konversion von atomarem Wasserstoff und positiven Wasserstoffionen, die auf eine caesierte Oberfläche mit niedriger Austrittsarbeit auftreffen. An derzeitigen Forschungsquellen wird typischerweise ein stetiger Anstieg des co-extrahierten Elektronenstroms bei langen Pulsen beobachtet. Diese Instabilität wird mit einer Verschlechterung der Cs-Schicht an der Konverteroberfläche in Verbindung gebracht, was zu einer Erhöhung der Austrittsarbeit führt. Beim Betrieb der Quelle mit Deuterium ist dieses Problem überdies deutlicher stärker ausgeprägt. Daher werden grundlegende Untersuchungen zur Erzeugung negativer Ionen und zur Austrittsarbeit caesierter Oberflächen im flexiblen Labor-Experiment ACCesS durchgeführt, welches vergleichbare Bedingungen im Vakuum (Hintergrunddruck 10^{-6} mbar) und Plasma erreicht. Der experimentelle Aufbau besteht aus einem induktiv gekoppelten Plasma, einem Cs-Ofen für die Cs-Verdampfung und mehreren Diagnostiksystemen zur Untersuchung der Austrittsarbeit verschiedenster Oberflächen, der Cs-Dynamik, der H‒-Dichte nahe der Oberfläche sowie der Plasmaparameter. Bereits bekannt ist, dass der ungenügende Hintergrunddruck zur Bildung von nicht-metallischen Cs-Verbindungen an der Oberfläche führt, weshalb im Vakuum nur eine minimale Austrittsarbeit von 2.7 eV erreicht wird. Die vorliegenden Untersuchungen zeigten nun den Einfluss der Plasmaexposition auf die Austrittsarbeit einer caesiertern Oberfläche: Aufgrund der auftreffenden Plasmapartikel und der UV/VUV-Strahlung reinigt das Plasma einerseits die Cs-Schicht innerhalb von 5-10 Sekunden und führt damit zu einer Verbesserung der Austrittsarbeit von 2.7 auf 2.1 eV (entspricht reinem Cs). Andererseits führt die Wechselwirkung zwischen Plasma und Oberfläche zu einem Abtrag der Cs-Schicht, wenn kein ausreichender Cs-Fluss aufrecht erhalten wird. Dem muss mit einem Mindestfluss von 1.5×10^{16} m^{-2}s^{-1} entgegengewirkt werden. Deuteriumplasmen zeigten darüber hinaus einen vergleichbaren Einfluss auf caesierte Oberflächen. Durch kontrollierte und reproduzierbare Untersuchungen konnte zudem erstmals die negative Ionendichte nahe der Oberfläche mit der Austrittsarbeit korreliert werden. Es zeigte sich ein steiler Anstieg der negativen Ionendichte für Austrittsarbeiten unter 2.7 eV sowohl im Wasserstoff- als auch im Deuteriumbetrieb. Schließlich wurden aufgrund der hohen Cs-Reaktivität und der komplexen Umverteilungsdynamik alternative Materialien im Hinblick auf DEMO betrachtet: LaB6, lanthanierte Materialien (W und Mo), eine Wolfram-Dispenser-Kathode und Europium. Allerdings kann keines der untersuchten Materialien als eine Alternative zur Cs-Verdampfung qualifiziert werden, da entweder die Austrittsarbeit zu hoch oder das dynamische Verhalten noch gravierender als bei Cs ist.…