Πειραματική Μελέτη Της Παραγωγής Αρνητικών Ιόντων Η- Από Πλάσμα Κυκλοτρονικού Συντονισμού Ηλεκτρονίων

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στην πειραματική μελέτη της παραγωγής αρνητικών ιόντων υδρογόνου (H-) από μία πολύ-διπολική πηγή πλάσματος Κυκλοτρονικού Συντονισμού Ηλεκτρονίων (ECR) οδηγούμενη από μικροκύματα. Οι πηγές H- βρίσκουν εφαρμογή κατά κύριο λόγο σε επιταχυντές υψηλής ενέργειας και σε συστήματα έγχυσης ουδετέρων σωματιδίων για τη θέρμανση του πλάσματος θερμοπυρηνικής σύντηξης. Στην κατεύθυνση αυτή, δύο πηγές ("Προμηθέας Ι" και "ROSAE III") σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν. Και οι δύο πηγές οδηγούνται από δισδιάστατα δίκτυα στοιχειωδών διπολικών πηγών ECR. Όπως έχει αποδειχθεί, ο σχηματισμός αρνητικών ιόντων στις πηγές αυτές οφείλεται στον μηχανισμό παραγωγής στον όγκο του πλάσματος, ο οποίος αφορά κυρίως στη διαχωρίζουσα προσάρτηση ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας σε δονητικά διεγερμένα μόρια. Σε αντίθεση με τις αποκαλούμενες πηγές επιφάνειας, οι πηγές όγκου έχουν το πλεονέκτημα της λειτουργίας χωρίς καίσιο. Στα πλαίσια της εργασίας πραγματοποιείται εκτενής παραμετρική μελέτη με σκοπό την βελτιστοποίηση των πηγών αυτών. Η μελέτη αυτή αφορά τόσο στη γενικότερη λειτουργία όσο και στην παραγωγή αρνητικών ιόντων και γίνεται μέσω: ηλεκτροστατικών καθετήρων, φωτο-απόσπασης με laser, οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής, τόσο στην περιοχή του ορατού όσο και στην περιοχή του υπεριώδους κενού, καθώς και φασματοσκοπίας απορρόφησης και επαγόμενου φθορισμού στην περιοχή του υπεριώδους κενού χρησιμοποιώντας την ακτινοβολία συγχροτρονίου σε μία ειδικά σχεδιασμένη διάταξη ("SCHEME"). Αναλυτικά: Η πηγή "Προμηθέας Ι", η οποία είναι εγκατεστημένη στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Πανεπιστημίου Πατρών, μελετάται λεπτομερώς (EEDF, πυκνότητα H-, φάσματα εκπομπής κλπ.), σε μία ευρεία περιοχή πειραματικών συνθηκών (π.χ. πίεση, ισχύ, θέση ζωνών ECR), αποδεικνύοντας την αποδοτικότητα της στην παραγωγή αρνητικών ιόντων και αποκαλύπτοντας την περιοχή βέλτιστης λειτουργίας. Η συνεισφορά της διαχωρίζουσας προσάρτησης και του συντονισμένου ιονισμού ουδετέρων στην παραγωγή ιόντων της πηγής εκτιμάται, και η υπεροχή του πρώτου μηχανισμού αποδεικνύεται βάσει ενός μοντέλο ισορροπίας. Λόγω της σημασίας των περιστροφικά-δονητικά διεγερμένων μορίων για τη διαχωρίζουσα προσάρτηση, η μελέτη επικεντρώνεται στους μηχανισμούς σχηματισμού τους. Δύο μηχανισμοί λαμβάνονται υπόψη με κατάλληλα προσαρμοσμένα πειράματα: η επανασυνδέουσα εκρόφηση ατόμων υδρογόνου στις επιφάνειες διαφόρων υλικών ("ROSAE III" και "SCHEME") και η διέγερση από κρούσεις με ηλεκτρόνια μέσω προσωρινών μοριακών καταστάσεων singlet ("Prometheus I"). Η μελέτη της επανασυνδέουσας εκρόφησης προσεγγίζεται με δύο τρόπους. Με την πηγή "ROSAE III", η οποία είναι εγκατεστημένη στο Εργαστήριο Υποατομικής Φυσικής και Κοσμολογίας στη Grenoble της Γαλλίας, εκτιμάται η έμμεση συνεισφορά του μηχανισμού στην παραγωγή αρνητικών ιόντων, μέσω του σχηματισμού περιστροφικά δονητικά διεγερμένων μορίων σε πλάσμα ECR. Στη δεύτερη προσέγγιση, σχεδιάζεται η πηγή SCHEME και γίνεται η εγκατάσταση της στο Συγχροτρόνιο Soleil στο Παρίσι (Γαλλία), για την ανεξάρτητη μελέτη της συνεισφοράς της επανασυνδέουσας εκρόφησης ατόμων με τη χρήση διαγνωστικών που βασίζονται στην ακτινοβολία συγχροτρονίου. Ο σχηματισμός δονητικά διεγερμένων μορίων μέσω διεγέρσεων μοριακών καταστάσεων singlet στην πηγή "Προμηθέας Ι" μελετάται με τη χρήση φασματοσκοπίας εκπομπής στην περιοχή του υπεριώδους κενού. Μία συνδυαστική μελέτη μέσω φασματοσκοπίας εκπομπής στην περιοχή του υπεριώδους κενού, φωτο-απόσπασης και ηλεκτροστατικών καθετήρων επιτρέπει την ταυτοποίηση των παραγόντων που περιορίζουν την παραγωγή αρνητικών ιόντων στο πλάσμα ECR της πηγή "Προμηθέας Ι". Τέλος, συζητούνται πιθανές λύσεις ώστε να ξεπεραστούν οι περιορισμοί αυτοί.