Weiterentwicklungen und Untersuchungen an einer "herkömmlichen" 14 GHz und verschiedenen "vollpermanenten" 9-10.5 GHz Elektron-Zyklotron-Resonanz(EZR)-Ionenquellen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Weiterentwicklungen und Untersuchungen zur Optimierung von verschiedenen EZR-Ionenquellen (ECRIS)beschrieben. Es handelt sich dabei um eine 'herkömmliche' 14 GHz ECRIS, deren axiales Spiegelfeld mit zwei Solenoidspulen erzeugt wird, undum drei 'vollpermanente' EZR-Ionenquellen, bei denen der magnetische Einschluss der Plasmateilchen ausschließlich durch Permanentmagneterealisiert ist. Weiterhin wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals am Institut für Kernphysik metallische Ionen mit der MIVOC-Technik (Metall Ions from VolatileCompounds) produziert. Zunächst wird die prinzipielle Funktionsweise einer ECRIS dargestellt und auf die physikalischen Grundlagen der Erzeugung hochgeladener Ionendurch Stoßionisation mit schnellen Elektronen, die innerhalb eines Plasmas durch die Elektron-Zyklotron-Resonanz geheizt werden, eingegangen.Der theoretische Hintergrund der Dissertation wird durch eine Beschreibung der Wellenausbreitung in Plasmen, des magnetischenPlasmaeinschlusses sowie der Ionenextraktion und einzelner Techniken zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von EZR-Ionenquellen komplettiert. Um die Leistungsfähigkeit der 14 GHz ECRIS zu steigern, wurde die Mikrowelleneinkopplung auf eine 2-Frequenz-Geometrie umgestellt, dermagnetische Plasmaeinschluss durch einen verlängerten Eisenrückschluss verbessert, das Extraktionssystem auf eine Accel-Decel-Geometrieumgebaut und eine biased disk installiert. Die Verbesserungen resultierten in erheblichen Steigerung der extrahierbaren Ionenströme. So wurden z.B. 220 eµA an 06+-Ionen bei einerExtraktionsspannung von 10 kV erreicht. Neben der Optimierung der 14 GHz EZR-Ionenquelle wurden drei vollpermanente EZR-Ionenquellen weiterentwickelt: Es wurde ein sogenannte flat-field ECRIS mit einem flachen Magnetfeldminimum gebaut, um den Einfluss eines großen Resonanzvolumens imachsennahen Bereich der Ionenquelle zu testen. Die Leistungsfähigkeit der Ionenquelle konnte dadurch um einen Faktor 2 gesteigert werden. Zum Vergleich wurde eine high-B ECRIS gebaut, die sich durch ein hohes magnetisches Spiegelverhältnis, d.h. einem tiefen Magnetfeldminimumauszeichnet. Dadurch konnte die Leistungsfähigkeit weiter gesteigert werden. Untersuchungen zur Mikrowelleneinkopplung zeigen, dass dieBetriebsfrequenz einer vollpermanenten EZR-Ionenquelle, bei der das Magnetfeld nicht variiert werden kann, für die Leistungsfähigkeit und für eineoptimale Betriebsmode von herausragender Bedeutung ist. Dies ermöglicht den Einsatz eines Festkörper-Mikrowellengenerators mitAusgangsleistungen unter 100 Watt. Zur Vervollständigung der Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit der vollpermanenten EZR-Ionenquellen wurde eine zweite multi-mode ECRISgebaut, da die erste im Rahmen einer Dissertation entwickelte multi-mode ECRIS aus Zeitgründen nicht intensiv getestet werden konnte. Hier kamnun ein Festkörper-Mikrowellensystem zum Einsatz. Zusammen mit der high-B ECRIS lieferte diese Ionenquelle insbesondere im Mischgasbetriebdie höchsten Ionenströme. Abschließend wurden Untersuchungen zur Produktion von Eisen-Ionen durch Verwendung von Ferrocen als metallorganische Verbindung amGaseinlass der Ionenquelle durchgeführt. Es konnten Ladungszustände bis hin zu q = 13 nachgewiesen werden.