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Plasma diagnostics of discharge channels for neutralized ion beam transport

Niemann, Christoph :
Plasma diagnostics of discharge channels for neutralized ion beam transport.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Plasma diagnostics of discharge channels for neutralized ion beam transport
Language: English
Abstract:

Most of the future accelerators will be high intensity machines delivering mega-watt beams for applications such as spallation neutron production, muon colliders, neutrino factories, nuclear-waste transmutation or inertial confinement fusion energy (IFE). Especially in the field of heavy ion driven inertial confinement fusion, where space charge dominated multi kilo-ampere beams have to be transported over several meters through a reactor chamber to a mm-size target, some kind of beam neutralization is required. Among the possible solutions is the plasma-channel based final transport. High-current discharge channels offer unique properties for ion-beam transport. They can neutralize both current and space charge of very intense ion beams and provide a strong azimuthal magnetic field all the way along the channel. This work describes experiments performed at the Gesellschaft fuer Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt and the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) to create and diagnose high current discharge channels designed for the transport of intense ion beams. In both experiments, stable channels are created by a laser pulse which is fired into the chamber along the desired path of breakdown before the discharge is triggered. While in Berkeley a UV-laser creates an initial seed of electrons by two-photon ionization of a small admixture of Benzene molecules to the background gas, at GSI an IR-laser is used to heat ammonia gas by resonant absorption and to produce a gas-rarefaction channel with preferred conditions for a breakdown. An alternate technique, using an ion beam to initiate stable, free-standing channels has been tested successfully for the first time at the UNILAC- linear accelerator at GSI. All channels, created by either of these three methods show no signs of hydrodynamic instabilities in a wide parameter range. Several plasma diagnostics were developed and used to gain a deeper understanding of the dynamics and stability of the discharges. In order to measure the electron density with spatial resolution a two-color imaging interferometer was developed. Peak densities around 1017 to 1018 cm-3 were inferred, depending on the discharge conditions. The interferometer also showed the existence of a rarefaction channel and a radially expanding gas wall which is believed to enhance the stability of the discharge. This pressure wave was studied in detail by means of schlieren diagnostics. In Berkeley a Faraday polarimeter was developed to determine the current density distribution and thus the magnetic field inside the plasma, from the rotation of the plane of polarization of a CO2 laser beam passing through the plasma. The plasma-self emission was investigated by spectroscopy in the visible wavelength range. Measurements of the Stark broadening of hydrogen Balmer lines were used for an alternate electron-density measurement. To fit theoretical spectra to the measurements, a rate model for a nitrogen plasma was developed and a maximum electron temperature of 7 eV was derived. For an application of plasma channels to the final focus and transport inside an inertial-confinement fusion reactor with two-sided target illumination it is required to produce intersecting discharges to provide a focusing magnetic field for two ion beams propagating from opposite sides towards the target. Experiments at GSI demonstrated that X-shaped, T-shaped and L-shaped discharges can be produced by CO2 laser initiation. The ion optical properties of such T-discharges were investigated with a 660 MeV Ni+12 heavy-ion beam from the UNILAC-linear accelerator at GSI.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der Entwicklung zukuenftiger Teilchenbeschleuniger werden extrem hohe Strahlstroeme fuer Anwendungen wie die Erzeugung von Spallationsneutronen, intensiven Neutrino - oder Kaonstrahlen, die Aufbereitung von radioaktivem Abfall oder die schwerionengetriebene Inertialfusion (IFE) eine Schluesselrolle spielen. Die Strahlparameter sind besonders in der Traegheitsfusion sehr anspruchsvoll, wo Ionenstrahlen mit einigen zehn kA Strahlstrom und Spitzenleistungen von bis zu 1014 W ueber mehrere Meter durch eine Reaktorkammer auf ein Fusionstarget von der Groesse nur weniger mm fokussiert werden muessen. Hochstrom-Plasmakanaele bieten attraktive Eigenschaften fuer den Transport intensiver, raumladungsdominierter Ionenstrahlen. Ein genuegend dichtes Plasma kann sowohl den Strahlstrom, als auch die Raumladung des Strahls neutralisieren. Diese Arbeit beschreibt Experimente an Entladungskanaelen, die auf den Transport von intensiven Ionenstrahlen zugeschnitten sind und an der Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH (GSI) in Darmstadt und dem Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Berkeley durchgefuehrt wurden. In beiden Experimenten werden stabile Entladungskanaele durch einen Laserstrahl eingeleitet, der kurz vor der Entladung in die Kammer eingestrahlt wird. Waehrend in Berkeley ein UV-Laser eine Spur von Elektronen hinterlaesst, die durch resonante Zweiphoton-Absorption erzeugt werden, wird an der GSI ein Infrarotlaser benutzt um Ammoniak-Gas resonant aufzuheizen. Das erhitzte Gas expandiert und hinterlaesst einen Kanal mit geringerer Gasdichte und somit bevorzugten Bedingungen fuer einen Entladungsdurchbruch. In Experimenten am UNILAC Linearbeschleuniger der GSI wurden Entladungskanaele zum ersten Mal auch durch den Ionenstrahl selbst initiiert, der das Gas in der Kammer entlang der spaeteren Entladungsachse ionisiert. Die Kanaele, die auf diese verschiedenen Weisen erzeugt wurden, zeigen in einem breiten Parameterbereich sehr hohe hydrodynamische Stabilitaet. Um das Plasma genauer zu charakterisieren wurden verschiedene Diagnoseverfahren entwickelt und eingesetzt. Mit einem Zweifarbeninterferometer wurde die Elektrondichte im Plasma ortsaufgeloest bestimmt. Dabei ergaben sich Werte um die 1017 bis 1018 cm-3. Daneben wurden mit dem selben Interferometer auch der lasererzeugte Kanal mit reduzierter Dichte sowie eine radial expandierende Druckwelle beobachtet die wahrscheinlich zur Stabilitaet der Entladung beitraegt. Die Druckwelle wurde detailiert mit einer Schlierendiagnostik vermessen. Das Plasmaeigenleuchten wurde im sichtbaren Wellenlaengenbereich spektral aufgeloest untersucht. Es wurde ein Ratenmodell fuer ein Stickstoffplasma entwickelt und aus Vergleichen der experimentellen mit berechneten Spektren eine Elektronentemperatur von maximal 7 eV abgeschaetzt. In Berkeley wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Faraday-Polarimeter aufgebaut mit dem das Magnetfeld im Plasma aus der Rotation der Polarisationsrichtung eines CO2-Lasers bestimmt wird. Erste Ergebnisse zeigen, dass der Stromfluss auf einen engen Kanal von circa 1 cm Durchmesser beschraenkt ist. Desweiteren wurden Experimente mit gekreuzten Kanaelen erfolgreich durchgefuehrt. Dies ist fuer die Anwendung in einem zukuenftigen Fusionsreaktor von Bedeutung, da zwei identische Ionenstrahlen von entgegengesetzter Richtung nur in einem solchen Plasmasystem auf das Target transportiert werden koennen. Es wurden stabile L, T und X-foermige Entladungskanaele erzeugt. Um die Tauglichkeit dieser Kanaele fuer den Ionenstrahltransport zu demonstrieren, wurde ein 660 MeV Ni+12 Strahl vom UNILAC Beschleuniger durch einen T-Kanal tranportiert und die ionenoptischen Eigenschaften untersucht.German
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000224
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2244
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Seelig, Prof. Dr. W.
Advisors: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Refereed: 6 May 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/224
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