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High current, high reliability negative ion sources for next generation accelerators

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Neue Diagnosetechniken für Quellen negativer Ionen

Obwohl die Vorgänge bei der Beschleunigung von Partikelstrahlen von Physikern aus diesem Bereich verstanden werden, sind die Quellen, die den Primärstrahlen zugrunde liegen, noch weitgehend unerforscht. Im Rahmen des HP NIS-Projekts wurde versucht, Quellen von negativen Ionen, die gewöhnlich in Beschleunigern verwendet werden, zu erforschen.

Energie

Die Entwicklung von Quellen für negative Wasserstoffionen (H-) mit einem Leistungsvermögen, das jenes von den aktuellen Quellen übersteigt, ist eine der wichtigsten Herausforderungen für Hochenergie-Protonenbeschleuniger der nächsten Generation. Negative Ionen werden in Teilchenbeschleunigern häufig für den Ladungsaustausch verwendet, der zwischen der Ringanordnung und einer Linearanordnung stattfindet, sie besitzen aber auch eine Vielzahl von Anwendungen abseits der Hochenergiephysik. Quellen für negative Wasserstoffionen sind ein wichtiges Element bei der Erzeugung von energiereichen Neutralteilchen zur Aufheizung von Fusionsplasmen. Normalerweise werden negative Wasserstoffionen in Niederdruck-Wasserstoffplasmen erzeugt, die+Anforderungen an die Quellen unterscheiden sich aber grundlegend. Das letztendliche Ziel des HP NIS-Netzwerks war es, die hierzu in der Europäischen Union vorhandene Kompetenz zu konzentrieren, um auf diese technologische Herausforderung eine Antwort zu finden. Um die Optimierung von bestehenden Quellen negativer Ionen in europäischen Forschungseinrichtungen zu unterstützen, war ein besseres Verständnis zur Funktionsweise der Quellen nötig. Das Plasma Research Laboratory der Dublin City University (Irland) war der Projektpartner, der größtenteils an der Modellierung des Plasmas beteiligt war. Der Komplexität dieser Aufgabe wurde mit der gleichzeitigen Entwicklung von mehreren Programmcodes Rechnung getragen. Ein zweidimensionaler Particle-In-Cell-Code mit Monte-Carlo-Kollisionsberechnungen lieferte eine Lösung für die nichtlineare Plasmakinetik. Indem der Code nach und nach mit Global-Chemistry-Modellen verknüpft wurde, trieben die Wissenschaftler ihre Anstrengungen auf einem Gebiet voran, um die Schwächen im anderen Bereich auszugleichen. Um die Gültigkeit des neu entwickelten numerischen Ansatzes, bei dem die beiden Modelle verbunden wurden, zu überprüfen, wurden erwartete Tendenzen wie eine erhöhte Ionendichte bei geringeren Drücken mit experimentellen Daten verglichen. Hierfür wurde eine neuartige Alternative zur Cavity-ring-Down-Spektroskopie eingeführt, die bisher noch nie bei Caesium-Hochenergie-Ionenquellen für negative Ionen verwendet wurde. Diese laserbasierte Methode zur Absorptionsspektroskopie wurde verwendet, um die Dichte der negativen Wasserstoffionen von schwach absorbierenden Teilchensorten zu messen. Aus den analytischen Modellen wurden Gesetzmäßigkeiten zur Größenskalierbarkeit abgeleitet und auf Referenzionenquellen für den ITER-Fusionsreaktor angewendet. Die Ableitung nur aus Experimenten wäre schwierig gewesen.

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