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Isabella Mario

• The experimental thermonuclear fusion reactor ITER will deliver energy from the fusion of hydrogen isotopes. The fusion processes occur in a high temperature plasma, which is magnetically confined inside a vacuum vessel. Each of the two neutral beam injection (NBI) system foreseen for the ITER experiment delivers 16.5 MW of power by means of neutral a H or D beam accelerated up to 1MeV (one hour pulse length) by a multi-grids multi-apertures. The neutral beam is obtained by neutralization of a negative H or D ion beam. The ion beam requirements combine high accelerated current density (230 A/m2 in H, 200 A/m2 in D) with low core divergence (<7 mrad) and high uniformity over the extraction surface (better than 90 %). Co-extracted electrons, which are an unwanted species due to their damaging capability, must be less than the amount of extracted negative ions. The filling pressure of the ion source must be of 0.3 Pa or lower. The ELISE test facility has the same width and half theThe experimental thermonuclear fusion reactor ITER will deliver energy from the fusion of hydrogen isotopes. The fusion processes occur in a high temperature plasma, which is magnetically confined inside a vacuum vessel. Each of the two neutral beam injection (NBI) system foreseen for the ITER experiment delivers 16.5 MW of power by means of neutral a H or D beam accelerated up to 1MeV (one hour pulse length) by a multi-grids multi-apertures. The neutral beam is obtained by neutralization of a negative H or D ion beam. The ion beam requirements combine high accelerated current density (230 A/m2 in H, 200 A/m2 in D) with low core divergence (<7 mrad) and high uniformity over the extraction surface (better than 90 %). Co-extracted electrons, which are an unwanted species due to their damaging capability, must be less than the amount of extracted negative ions. The filling pressure of the ion source must be of 0.3 Pa or lower. The ELISE test facility has the same width and half the height of the ITER NBI source and 3 grids (ITER-like arrangements: 640 apertures grouped in 8 beamlets groups) with a maximum total high voltage of 60 keV. ELISE is a fundamental step between the large ITER-size negative ion sources and the small prototype sources. At ELISE, the simultaneous achievement of the ITER NBI requirements in terms of accelerated ion current density (at a stripping fraction of about 12%), electron-ion ratio lower than one at the operational filling pressure of 0.3 Pa in H have been successfully achieved. At ELISE, the ion source performance are limited by the vertically asymmetric amount and temporal instability of the co-extracted electrons, especially in the case of deuterium operations and long pulses. Moreover, the beam profile is characterized by vertical non-uniformities in terms of both beam divergence and beam current depending on the source parameters. This work is focused on correlating ion source plasma parameters with the extracted quantities, i.e. negative ions and co-extracted electrons in order to identity the key plasma parameters causing the vertical asymmetry and the temporal instability. This, with a special focus on the case of deuterium and on the long pulse operation, can give indications on how to actively improve and control the ion source performances and beam uniformity in view of ITER.…
• Der experimentelle thermonukleare Fusionsreaktor ITER wird Energie aus der Fusion von Wasserstoffisotopen liefern. Die Fusionsprozesse finden in einem Hochtemperaturplasma statt, welches magnetisch in einem Vakuumgefäß eingeschlossen ist. Für ITER sind zwei Neutralteilchenheizungs-Systeme (NBI) vorgesehen. Jedes davon liefert eine Leistung von 16,5 MW in Form eines auf eine Energie von bis zu 1 MeV beschleunigten Strahls neutraler Wasserstoff- oder Deuteriumatome (Pulslänge: bis zu eine Stunde). Dieser Neutralstrahl ist das Resultat der Neutralisation eines Strahls negativer Wasserstoff- oder Deuteriumionen. Die Anforderungen an diesen Ionenstrahl kombinieren eine hohe beschleunigte Stromdichte (230 A/m2 in H, 200 A/m2 in D) mit einer geringen Divergenz (<7 mrad) sowie einer hohen Homogenität des Strahls (besser als 90%). Ko-extrahierte Elektronen können zu Schäden im Extraktionssystem führen und daher muss deren Strom kleiner sein als der Strom extrahierter negativer Ionen. DerDer experimentelle thermonukleare Fusionsreaktor ITER wird Energie aus der Fusion von Wasserstoffisotopen liefern. Die Fusionsprozesse finden in einem Hochtemperaturplasma statt, welches magnetisch in einem Vakuumgefäß eingeschlossen ist. Für ITER sind zwei Neutralteilchenheizungs-Systeme (NBI) vorgesehen. Jedes davon liefert eine Leistung von 16,5 MW in Form eines auf eine Energie von bis zu 1 MeV beschleunigten Strahls neutraler Wasserstoff- oder Deuteriumatome (Pulslänge: bis zu eine Stunde). Dieser Neutralstrahl ist das Resultat der Neutralisation eines Strahls negativer Wasserstoff- oder Deuteriumionen. Die Anforderungen an diesen Ionenstrahl kombinieren eine hohe beschleunigte Stromdichte (230 A/m2 in H, 200 A/m2 in D) mit einer geringen Divergenz (<7 mrad) sowie einer hohen Homogenität des Strahls (besser als 90%). Ko-extrahierte Elektronen können zu Schäden im Extraktionssystem führen und daher muss deren Strom kleiner sein als der Strom extrahierter negativer Ionen. Der Fülldruck der Ionenquelle muss 0,3 Pa oder weniger betragen. Die Quelle des ELISE-Teststands hat die gleiche Breite und halbe Höhe der ITER-NBI-Quelle und 3 Gitter (in einer ITER-ähnlichen Anordnung: 640 Aperturen, gruppiert in 8 Beamletgruppen) mit einer maximalen Gesamtspannung von 60 keV. ELISE ist ein wichtiger Zwischenschritt zwischen den negativen Ionenquellen in ITER-Größe und den kleinen Prototypquellen. An ELISE wurde demonstriert, dass sich in Wasserstoff die ITER-NBI-Anforderungen in Bezug auf die beschleunigte Ionenstromdichte (bei einem Anteil von etwa 12% durch Stöße im Extraktionsystem zerstörter negativer Ionen) und einem Elektronen-Ionen-Verhältnis von weniger als eins bei einem Fülldruck von 0,3 Pa gleichzeitig erfüllen lassen. Der an ELISE erreichbare extrahierte Ionenstrom ist durch eine vertikale Asymmetrie im Strom ko-extrahierter Elektronen sowie dessen zeitliche Instabilität begrenzt, insbesondere bei Betrieb im Deuterium und bei langen Pulsen. Darüber hinaus ist das Strahlprofil durch vertikale Ungleichmäßigkeiten sowohl hinsichtlich der Strahldivergenz als auch des Strahlstroms in Abhängigkeit von den Quellenparametern gekennzeichnet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Korrelation von Parametern der Ionenquelle mit Eigenschaften des extrahierten Strahls, d.h. der negativen Ionen und ko-extrahierten Elektronen. Ziel ist es, Schlüsselplasmaparameter zu identifizieren, welche die vertikale Asymmetrie und die zeitliche Instabilität verursachen. Derartige Parameter können, mit einem besonderen Schwerpunkt auf Deuterium und den Langpulsbetrieb Hinweise darauf geben, wie die Leistung der Ionenquelle und die Strahlhomogenität im Hinblick auf ITER aktiv verbessert und gesteuert werden können.…