Korkearesoluutioisen spektrometrin valosensorin päivitys valomonistinputkesta valoherkkään kennoon

Abstract

Tämä pro gradu-tutkielma keskittyy optiseen spektroskopiaan soveltuvan mittauslaitteiston kehitykseen. Kehitystyön motivaationa on päästä mittaamaan ionilähdeplasman emissioviivoissa tapahtuvia muutoksia millisekuntiluokan aikaskaaloissa. Päivitys mahdollistaa esimerkiksi plasmassa olevien ionien lämpötilojen aikakehityksen mittaamisen emissioviivojen Doppler-levenemien avulla. Tutkielman mittauslaitteistona toimii korkearesoluutioinen spektrometri, jonka valomonistinputkivalosensori päivitetään valoherkkään kennoon osana tutkielmaa. Kehitystyön osuus koostuu sopivan valoherkän kennon valinnasta, sen asennuksesta spektrometrin valomonistinputken tilalle sekä kennon ohjausohjelmiston kehityksestä. Tämän jälkeen päivitettyä järjestelmää käytetään mikroaaltoteholla pulssitetun elektronisyklotroniresonanssi (ECR)-ionilähteen tuottaman helium ja argon plasman He II, Ar II ja Ar X-ionien emissioviivojen aikakehityksen mittaamiseen. Ionilähteen mikroaaltotehoa pulssitetaan 1 Hz taajuudella käyttäen 50% pulssisuhteista kanttiaaltoa. Lopuksi työssä kehitetään ohjelmisto mittauksissa saadun mittausdatan analysoimiseksi.

ECR-ionilähdeplasmassa kirkkaan He II-ionin 468,570 nm emissioviivan tapauksessa laitteistolla päästiin 1 ms aikaresoluutioon hyvällä signaali-kohinasuhteella. Tässä mittauksessa saatujen tulosten mukaan He II-ionin lämpötila pysyy koko mikroaaltotehopulssin ajan lähes vakiona (1,40 ± 0,09) eV lämpötilassa. Emissiointensiteetiltään pienemmät Ar II-ionin 427,753 nm ja Ar X-ionin 553,327 nm emissioviivat saatiin mitattua nopeimmillaan 60 ms aikaresoluutiolla. Näiden emissioviivojen intensiteettien mitattiin kasvavan mikroaaltotehon ollessa päällä ja vähenevän sen ollessa pois päältä. Ionipopulaatioita vastaavien lämpötilojen mitattiin nousevan mikroaaltotehon sammuessa ja laskevan sen käynnistyessä. Näiden mittaustulosten perusteella spektrometrin päivitys onnistui ja se avaa uusia mahdollisuuksia tutkia ECR-ionilähteiden tuottamaa plasmaa.

This master's thesis focuses on the development of measuring equipment suitable for optical spectroscopy. The motivation of the development work is to be able to measure the changes in the optical emission line profiles of the ion source plasma in millisecond time scales. The upgrade makes it possible to measure the time evolution of the ion temperatures in the plasma by means of a Doppler broadening of the emission lines. The measuring equipment used in this thesis is a high-resolution spectrometer equipped with photomultiplier tube sensor. This sensor will be changed to an image sensor as part of the thesis. The development work consists of the selection of an suitable imaging sensor, replacing the spectrometers photomultiplier tube with the sensor and developing an image sensor control software. The upgraded equipment is used to measure the changes in He II, Ar II and Ar X-ions emission lines as a function of time, produced by microwave power pulsed electron cyclotron resonance (ECR) ion source. The microwave power of the ion source is pulsed at a frequency of 1 Hz using a 50% duty cycle square wave. Finally, a software for analysing the measurement data is developed in this work.

In the case of the bright He II-ions 468.570 nm emission line in ECRIS plasma, the equipment achieved a 1 ms time resolution with a good signal-to-noise ratio. According to the measurement results obtained, the temperature of the He II-ion remains near constant, at (1.40 ± 0.09) eV, throughout the microwave power pulse. The lines with a lower emission intensities, Ar II-ions 427.753 nm emission line and Ar X-ions 553.327 nm emission line, were measured at their fastest with a time resolution of 60 ms. The intensities of these emission lines were measured to increase when the microwave power was on and decrease when it was off. Temperatures corresponding to ion populations, on the other hand, were measured to increase as microwave power was turned off and decreased as it was turned on. Based on these measurement results, the spectrometer upgrade proved to be successful and it opens new possibilities to study the plasma produced by ECR ion sources.