Kineettisten epästabiilisuuksien vaikutus ECR-ionilähteen plasmapotentiaaliin

Abstract

Tämä pro gradu -tutkielma käsittelee kineettisten plasmaepästabiilisuuksien kytköstä elektronisyklotroniresonanssi-ionilähteiden (ECRIS) plasmapotentiaaliin. Plasmapotentiaalin muutoksia tutkittiin mittaamalla ionilähteen tuottaman ionisuihkun energiavaihteluita käyttämällä ionilähteen jälkeistä dipolimagneettia energia-analysaattorina happi- ja heliumplasmoista muodostetuille ionisuihkuille. Kyseisiä mittauksia tehtiin ionilähteen ollessa pulssitetussa sekä jatkuvassa operointitilassa. Mittaukset suoritettiin esitettyä tutkimusta varten kehitetyllä SAMPPA-mittausjärjestelmällä, joka automatisoi dipolivirran muuttamisen halutulla mittausvälillä ja mittasi jokaiselle dipolivirran arvolle dipolin läpäisevän ionisuihkun ionivirran aikaevoluution. Kineettisten plasmaepästabiilisuuksien toistettavuuden ansiosta tämä mahdollisti ionisuihkun energiassa tapahtuvien muutosten määrittämisen mitatusta ionivirran käytöksestä. Näistä energiahajonnan muutoksista voitiin määrittää plasmapotentiaalin muutos.

Tutkielmassa tutkittiin ionilähteen plasman vangintaan käytetyn magneettikentän voimakkuuden, plasmakammioon johdetun neutraalikaasun paineen ja plasman lämmittämiseen sekä ylläpitämiseen käytetyn mikroaaltosäteilyn tehon vaikutuksia plasmapotentiaalin muutokseen kineettisen epästabiilisuuden aikana sekä epästabiilisuuksien vaikutuksen eroa ionilähteen pulssitetun ja jatkuvan operoinnin välillä. Lisäksi tutkittiin epästabiilisuuksien esiintymisviivettä pulssitetussa operointitilassa suhteessa mikroaaltosyötön katkaisuun ja jatkuvassa operointitilassa suhteessa seuraavaan epästabiilisuuteen. Pulssitetussa operointitilassa tutkittiin vielä mikroaaltopulssin aikaisen virran I_SS ja mikroaaltosyötön katkaisun jälkeisen maksimivirran I_AG ionivirtasuhteen korrelaatiota ionilähteen säätöparametrien kanssa. Tutkimustuloksista määritettiin plasmapotentiaalin muutoksille absoluuttisia arvoja joillekin tapauksille sekä alaraja-arvioita lopuille tapauksille.

Epästabiilisuuksien esiintymisviiveeseen, ionivirtasuhteeseen I_AG/I_SS sekä plasmapotentiaalin muutosten suuruuteen vaikutti ionilähteen säätöparametreista eniten magneettikentän voimakkuus ja vähiten neutraalikaasun paine. Plasmapotentiaalin muutoksen suuruus oli pulssitetulla operoinnilla epästabiilisuuden aikana happiplasmalla noin 0,3−4,6 kV, kun taas heliumplasmalla noin 0,5−1,5 kV säätöparametrista ja sen arvosta riippuen. Jatkuvalla operoinnilla heliumplasmalle plasmapotentiaalin muutokselle saatiin kaikilla parametriarvoilla alarajaksi noin 1,4 kV. Säätöparametrien vaikutuksien trendit olivat epästabiilisuustapahtumien esiintymisviiveiden suhteen jatkuvan operoinnin ja pulssitetun operointitilan välillä samankaltaisia.