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EPDA - Elektronische Publikationen Darmstadt


Autor: Penache, Dan Lucius
Titel:Heavy Ion Beam Transport in Laser Initiated High Current Gas Discharge Channels
Dissertation:TU Darmstadt, Fachbereich Physik, 2002

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DanPenache_diss_1.pdf 2897533
DanPenache_diss_2.pdf 3196846

Abstract auf Deutsch:


Ein durchaus wichtiges Problem bei einem Trägheitsfusionsreaktor ist der Transport der hochintensiven Ionenstrahlen durch die Reaktorkammer bis zum Target. Alle gegenwärtigen Szenarien gehen von einem 3-5 m Radius der Reaktorkammer aus, wobei in manchen dieses Volumen mit einem Hintergrundgas gefüllt sein sollte, um die Zerstörung der ersten Wand durch Röntgenstrahlung zu reduzieren. Ein intensiver Ionenstrahl, der sich unter solchen Bedingungen bis zum Target fortpflanzen müsste, würde am Ziel, wegen der Streuung und des Strippens im Hintergrundgas, den zeitlichen und geometrischen Anforderungen nicht mehr genügen. Deswegen sind eine Reduktion der Dichte des Hintergrundgases und eine Neutralisation der Raumladung und des Stromes der intensiven Ionenstrahlen unbedingt nötig, um die Zündung des Pellets zu erreichen. Die Anwendung von Hochstromgasentladungskanälen stellt eine vielversprechende Lösung dieses Problems dar. Das Ziel der Experimente, die in dieser Arbeit dargestellt werden war die Untersuchung der Methoden zur Erzeugung langer, stabiler Gasentladungskanäle und ihrer ionenoptischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck wurde in der Strahlführung des Experimentierplatzes Z4 des GSI-UNILAC-Beschleunigers eine zylindrische, 0.5 m lange, metallische Entladungskammer integriert, welche mit Ammoniak bei niedrigen Drücken gefüllt wurde. Ein CO2 Laser mit verstellbarer Emissionsfrequvenz wurde dazu eingesetzt, um das Gas in der Entladungskammer durch resonante Absorption die Ionenstrahlachse entlang zu heizen. Durch die Expansion und Verdünnung des geheizten Gases wurde ein Kanal erzeugt, welcher eine leichtere Zündung der elektrischen Entladung ermöglichte. Dadurch erhält man auf der Ionenstrahlachse (die mit der Symetrieachse der Kammer übereinstimmt) einen linearen Plasmakanal. Die Vorionisation des Kanals mittels einer zusätzlichen niederenergetischen Entladung erwies sich als vorteilhaft für die Stabilität der Plasmasäule, besonders bei höheren Gasdrücken und Hauptentladungsströmen. Streak, Framing und Fast-shuter-kammeras wurden zur Erforschung der Hydrodynamik des Entladungskanals benutzt. Diese Untersuchungen zeigten, dass stabile und reproduzierbare Plasmakanäle für ungefähr eine Halbperiode des Hauptentladungsstromes, unter gut ausgewählten Bedingungen, erzielbar sind. Ein spezieller dB/dt Detektor mit 8 kollinearen Spulen wurde entworfen und hergestellt, um die radiale Verteilung des magnetischen Feldes im Entladungskanal zu messen. Im Rahmen der Messgenauigkeit, wurden Werte der magnetischen Induktion von 1 T am Rande der Plasmasäule festgestellt, wobei der Feldgradient mehr als 300 T/m betrug und einer homogenen Verteilung des Stromes entsprach. Während mehreren Strahlzeiten wurden unterschiedliche Schwerionenstrahlen eingesetzt um die ionenoptischen Eigenschaften der Entladungskanäle zu untersuchen. Bedingt durch die experimentellen Parameter (Kanallänge, und Durchmesser, sowohl wie Entladungsstromstärke) konnte eine ganze Betatronschwingung der Ionen im Kanal festgestellt werden. Dieses Resultat stimmt mit Simulationen, die auf Magnetfeldmessungen beruhen, gut überein. Eine alternative Methode zur Zündung der Gasentladung und Erzeugung der Plasmasäule wurde ebenfalls getestet. Es handelt sich um die Benutzung des Ionenstrahls selbst um die nötige Vorionisierung des Kanals zu erhalten. Gerade und stabile Entladungen konnten dadurch in unterschiedlichen Edel- oder Molekulargasen erzielt werden. Vorteilhaft sind dabei die kleinere achsiale Abweichung des Entladungskanals von der Ionenstrahlachse, im Vergleich zu den laserinduzierten Entladungen, und die Möglichkeit das Gas ohne jedwelche Einschränkungen auszuwählen.


Abstract auf Englisch:

A critical issue in inertial confinement fusion driven by heavy ions is the transport of the ion beams through a reactor chamber. In all plant scenarios the reactor has radii of about 3-5 m and in some it is envisaged to incorporate a background gas fill to reduce the x-ray damage to the first wall. An ion beam propagating in such environment will not meet the geometrical and temporal parameters required at the target position because of scattering and stripping in the background gas. Therefore gas density reduction and neutralization of the ion beam space charge and electrical current are necessary to successfully achieve ignition of the fuel pellet. A promising technique uses high current discharge channels to transport the heavy ion beam to the target. The aims of the experiments presented in this work are related to the study of initiation and generation of long and stable discharge channels and the examination of their ion optical properties. To fulfill the above issues a cylindrical metallic chamber has been integrated into the Z4 ion beam line of the GSI-UNILAC accelerator. With the help of a tunable CO2 laser a 0.5 m long path in low-pressure ammonia gas is heated by resonant absorption. Because of the subsequent gas expansion a rarefaction channel with preferential breakdown conditions is created along the discharge chamber axis. Dumping of the energy stored in a capacitor bank into the gas produces a straight plasma channel along the laser path. An additional, independent low current discharge before the ignition of the main discharge has proven to be beneficial for the stability of the plasma column, especially at high pressures and currents. Streak, framing and fast shutter cameras were used to study the hydrodynamics of the discharge channel. These experiments proved that stable and reproducible discharge channels could be produced up to times longer than the first half period of the current waveform. A special dB/dt probe containing 8 collinear coils has been designed and constructed for measuring the induced azimuthal magnetic field. Magnetic field values at the channel edge of 1 T and field gradients inside the channels of more then 300 T/m corresponding to a uniform radial current distribution could be measured. During several beamtimes, different ion beam species have been used to probe the ion optical properties of the channel. Within the limits set by the experimental conditions (channel length and diameter, and discharge current) one full betatron oscillation could be observed. This result agrees with simulations based on magnetic probe measurements. For the first time an alternative technique that uses an ion beam to initiate and guide a long discharge was tested. Straight and stable discharge channels could be generated in noble or molecular gases. The advantages of this technique are the reduced channel axial jitter compared to laser initiation and the free choice of the discharge gas.

Dokument aufgenommen :2002-08-26
URL:http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000245