Consecutive transients method for plasma diagnostics of electron cyclotron resonance ion sources
Julkaistu sarjassa
JYU DissertationsTekijät
Päivämäärä
2024Tekijänoikeudet
© The Author & University of Jyväskylä
Electron cyclotron resonance ion sources (ECRISs) have been pivotal for modern experimental nuclear physics in extending the range of known nuclides on the nuclear chart. In recent years, the use of radioactive ion beams (RIBs) of highly charged heavy ions has
become vital for nuclear physics research. Many of the isotopes have half-lives shorter
than 1s, and as the half-lives decrease nuclear decay begins to degrade the RIB intensity.
ECRISs are used as charge breeding devices for RIBs: The ECRIS is modified
to accept an input beam of low charge state ions, produced e.g. by the ISOL-method.
The injected ions are captured by the magnetically confined plasma sustained in the ion
source, and subsequently ionized to high charge states via multiple collisions with the
plasma electrons. The ions exit the plasma stochastically, and a portion of them become
available for beam formation and are extracted from the ion source by means of electric
fields for post-acceleration.
To meet the challenge of producing RIBs with ever shorter half-lives, ECRIS researchers require advanced plasma diagnostic methods to study the charge breeding times
and the underlying physical processes. In this thesis, we present the Consecutive Transients (CT) method developed for this purpose. It extends the continuum of transient material injection methods dating back to the1990s. Like its predecessors, the CT-method is
based on pulsed injection of material in to the plasma, and study of the timeseries of the
extracted beam currents arising as a consequence. It improves the previous methods by
implementing a model based data analysis, which minimizes the number of assumptions
- importantly, it requires no presupposed model for ion confinement. We describe the
derivation of the model, the computational procedures, and the experimental campaigns
undertaken to establish and test the method.
The plasma electrondensity ne and average energy (Ee), and the characteristic times
of ionization Τinz, charge exchange Τcx and ion confinement Τconf are obtained as results.
We show that the CT-method is sensitive enough to study variations in these plasma parameters as the ECRIS operating condition is changed, and to identify bottlenecks in the
charge breeding process. The hierarchy of Τconf, Τinz, Τcx for highly charged ion production is refined. The uncertainty sources are investigated, and avenues for the improvement
of result precision are identified.
It was found that ne 5 ~ 1011cm -3, ja (Ee) 100 eV–1 keV. The characteristic
times ranged from 1ms to ~ 10 ms. All plasma parameters were found to be chargestate dependent, reflecting the spatial distribution of ion populations in the non-equilibrium plasma. Elektronisyklotroniresonanssi-ionilähteet (ECRIS) ovat olleet avaintekijänä modernin kokeellisen ydinfysiikan laajentaessa ydinkartan tunnettujen ydinten kirjoa. Viime vuosina korkeasti varattujen radioaktiivisten raskasionisuihkujen (RIB) käytöstä on tullut tärkeää ydinfysiikan tutkimuksessa. Näiden isotooppien puoliintumisajat ovat usein lyhyempiä kuin 1s, minkä seurauksena ydinhajoaminen alkaa heikentää suihkun intensiteettiä.
ECRIS:jä käytetään varauksen kasvattajina RIB:ille. Tällöin ECRIS muokataan vastaanottamaan esimerkiksi ISOL-menetelmällä tuotettu matalavarauksinen ionisuihku. Ionilähteen magneettisesti vangittu plasma kaappaa sinne syötetyt ionit, jotka ionisoituvat korkeille varausasteille törmäyksissä plasman elektronien kanssa. Ionit poistuvat plasmasta satunnaisprosessin kautta, ja osa niistä päätyy alueelle, josta ne päätyvät osaksi hiukkassuihkua ja edelleen jatkokiihdytettäväksi.
Jotta voitaisiin varmistaa entistä lyhytikäisempien RIB:ien tuottaminen, ECRIS-tutkijat tarvitsevat kehittyneitä plasmadiagnostiikkamenetelmiä varauksen kasvattamisaikojen, sekä niihin vaikuttavien fysikaalisten prosessien tutkimiseksi. Tässä väitöskirjassa esittelen tätä tarkoitusta varten kehitetyn peräkkäisten transienttien (CT) menetelmän. Se on1990-luvulle ulottuvan transienttisten materiaalisyöttömenetelmien jatkumon uusin
jäsen, joka parantaa aiempia menetelmiä hyödyntämällä mallipohjaista data-analyysimenetelmää. Menetelmän taustalla on aiempaa vähemmän oletuksia - erityisesti ionien säilöntämallia ei tarvitse etukäteen olettaa. Kuvailen mallin teoreettisen johtamisen, laskennalliset menetelmät, sekä menetelmän kehittämiseksi ja testaamiseksi suoritetut mittauskampanjat.
Menetelmän tuloksina saadaan plasman elektronien tiheys ne ja keskienergia (Ee), sekä ionisaation, varauksenvaihdon ja ionien säilönnän karakteriset ajat (Τinz, Τcx, Τconf).
Osoitan, että CT-menetelmä on riittävän herkkä havaitsemaan näiden plasmaparametrien muutoksia ionilähteen operointiparametreja säädettäessä, sekä paljastamaan pullonkauloja varauksen kasvatusketjussa. Tarkennan korkeasti varattujen ionien tuoton vaatimaa hierarkiaa tinz, tcx, ja tconf välillä. Tarkastelen menetelmän epävarmuuslähteitä, ja tunnistan keinoja tulosten tarkkuuden parantamiseksi.
Tulokset näyttävät, että tyypillisesti ne 5 ~ 1011cm -3, ja (Ee) 100 eV–1 keV
CB-ECRIS plasmassa. Karakteristiset ajat vaihtelevat välillä 1ms ja noin 10ms varausasteen funktiona. Kaikkien plasmaparametrien havaittiin olevan varausaste riippuvaisia, mikä kertoo ionipopulaatioiden avaruudellisesta jakaumasta plasmassa, jossa vallitsee termodynaaminen epätasapainotila.
Julkaisija
Jyväskylän yliopistoISBN
978-951-39-9934-6ISSN Hae Julkaisufoorumista
2489-9003Julkaisuun sisältyy osajulkaisuja
- Artikkeli I: Angot, J., Luntinen, M., Kalvas, T., Koivisto, H., Kronholm, R., Maunoury, L., Tarvainen, O., Thuillier, T., & Toivanen, V. (2021). Method for estimating charge breeder ECR ion source plasma parameters with short pulse 1+ injection of metal ions. Plasma Sources Science and Technology, 30(3), Article 035018. DOI: 10.1088/1361-6595/abe611. JYX: jyx.jyu.fi/handle/123456789/74233
- Artikkeli II: Luntinen, M., Angot, J., Tarvainen, O., Toivanen, V., Thuillier, T., & Koivisto, H. (2022). Measurement of ionization, charge exchange and ion confinement times in charge breeder ECR ion sources with short pulse 1+ injection of metal ions. In ICIS2021 : 19th International Conference on Ion Sources (Article 012009). IOP Publishing. Journal of Physics : Conference Series, 2244. DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012009
- Artikkeli III: Luntinen, M., Toivanen, V., Koivisto, H., Angot, J., Thuillier, T., Tarvainen, O., & Castro, G. (2022). Diagnostics of highly charged plasmas with multicomponent 1+ ion injection. Physical Review E, 106(5), Article 055208. DOI: 10.1103/PhysRevE.106.055208. JYX: jyx.jyu.fi/handle/123456789/84704
- Artikkeli IV: Luntinen, M., Angot, J., Koivisto, H., Tarvainen, O., Thuillier, T., & Toivanen, V. (2023). The effects of electron energy distribution and ionization cross section uncertainty on charge breeder ion source diagnostics with pulsed 1+ injection. Physics of Plasmas, 30(7), Article 073904. DOI: 10.1063/5.0150198. JYX: jyx.jyu.fi/handle/123456789/92703
- Artikkeli V: Angot, J., Tarvainen, O., Koivisto, H., Luntinen, M., Thuillier, T., Toivanen, T. Diagnostics of charge breeder electron cyclotron resonance ion source plasma with consecutive transients method. Submitted manuscript. Preprint
Metadata
Näytä kaikki kuvailutiedotKokoelmat
- JYU Dissertations [836]
- Väitöskirjat [3546]
Lisenssi
Samankaltainen aineisto
Näytetään aineistoja, joilla on samankaltainen nimeke tai asiasanat.
-
Dynamic regimes of cyclotron instability in the afterglow mode of minimum-B electron cyclotron resonance ion source plasma
Mansfeld, D.; Izotov, I.; Skalyga, V.; Tarvainen, Olli; Kalvas, Taneli; Koivisto, Hannu; Komppula, Jani; Kronholm, Risto; Laulainen, Janne (Institute of Physics Publishing, 2016)The paper is concerned with the dynamic regimes of cyclotron instabilities in non-equilibrium plasma of a minimum-B electron cyclotron resonance ion source operated in pulsed mode. The instability appears in decaying ion ... -
Characteristic Kα emission of electron cyclotron resonance ion source plasmas
Sakieldien, Moenir (University of Jyväskylä, 2018)This thesis presents the results of an investigation of the volumetric Kα emission rate/inner shell ionization rate from an Electron Cyclotron Resonance Ion Source (ECRIS) plasma tuned predominantly for high charge state ... -
Estimating ion confinement times from beam current transients in conventional and charge breeder ECRIS
Marttinen, M.; Angot, J.; Annaluru, A.; Jardin, P.; Kalvas, T.; Koivisto, H.; Kosonen, S.; Kronholm, R.; Maunoury, L.; Tarvainen, O.; Toivanen, V.; Ujic, P. (American Institute of Physics, 2020)Cumulative ion confinement times are probed by measuring decaying ion current transients in pulsed material injection mode. The method is applied in a charge breeder and conventional ECRIS yielding mutually corroborative ... -
Observation of Poincaré-Andronov-Hopf Bifurcation in Cyclotron Maser Emission from a Magnetic Plasma Trap
Shalashov, A. G.; Gospodchikov, E. D.; Izotov, I. V.; Mansfeld, D. A.; Skalyga, V. A.; Tarvainen, Olli (American Physical Society, 2018)We report the first experimental evidence of a controlled transition from the generation of periodic bursts of electromagnetic radiation into the continuous-wave regime of a cyclotron maser formed in magnetically confined ... -
Influence of axial mirror ratios on the kinetic instability threshold in electron cyclotron resonance ion source plasma
Toivanen, V.; Bhaskar, B. S.; Koivisto, H.; Maunoury, L.; Tarvainen, O.; Thuillier, T. (American Institute of Physics, 2022)Electron Cyclotron Resonance (ECR) ion source plasmas are prone to kinetic instabilities. The onset of the instabilities manifests as emission of microwaves, bursts of electrons expelled from the plasma volume, and the ...
Ellei toisin mainittu, julkisesti saatavilla olevia JYX-metatietoja (poislukien tiivistelmät) saa vapaasti uudelleenkäyttää CC0-lisenssillä.