5) Die Elektron Zyklotron Resonanz Ionenquelle (EZR) – HF
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5) Die Elektron Zyklotron Resonanz Ionenquelle (EZR) – HF Ionenquellen 5.1 Die EZR: Mikrowellen-Ionenquellen (f > 1 GHz) wurden für die Erzeugung mehrfach geladener Ionen entwickelt. Ende der 60er Jahre entstanden die ersten Quellen, welche die Elektron Zyklotron Resonanz Heizung nutzen und einen magnetischen Einschluss des Plasmas in R. Geller's Gruppe. Seine Erfahrungen mit "mirror machines" für Fusionsplasmastudien kamen dabei zu Hilfe. Hierzu wurde eine entsprechende Min B Konfiguration gewählt. Je besser der magnetische Einschluss ist, umso höher geladene Ionen kann man erzeugen. Man unterscheidet EZR-Quellen mit f < 2.45 GHz für intensive Strahlen niedrig geladener Ionen und f > 2.45 GHz für Strahlenhochgeladener Ionen. Das Prinzip der EZR ist nebenstehend gezeigt. Der magnetische Einschluss wird in die axiale Richtung durch Solenoidspulen und in die radiale Richtung durch Permanentmagnete in Multipolanordnung. Eine Mikrowelle, die in die Kammer geführt wird, sorgt für die Plasmaproduktion. Die Plasmakammer ist isoliert und wird zur Extraktion auf eine Hochspannung gelegt. WS2011/12 5.1 Strahlt man Mikrowellenleistung bestimmter Frequenz in ein Gebiet, in dem sich ein Magnetfeld von ausreichend hoher Feldstärke befindet, so kann bei einem bestimmten Gasdruck mit Hilfe der ZyklotronResonanzbedingung für Elektronen ein Plasma gezündet werden. Durch spezielle Anordnung von axialen und radialen Magnetfeldkomponenten (magnetische Minimum-B Struktur) erzielt man den höchst möglichen Plasmaeinschluss zur Erzeugung von heißen PlasmaElektronen durch Mikrowellenleistung. Die Plasmakammer ist eine Mikrowellenkavität. Für die Mikrowellenheizung gilt die Resonanzbedingung: B e B ⇒ ωc = me f = multipole field solenoidal field eB = 2.796 ∗1010 ⋅ B[T ] 2π ⋅ me ECR zone BECR=eω/m Für B = 1 T ist f = 28 GHz oder f = 10 GHz erfordert B = 0.36 T. Microwave magnetic field distribution Das Spiegelverhätnis Bmax/Bmin beträgt im allgemeinen 2-4 und Bmax liegt in der Regel um den Faktor 2 über dem EZ-Resonanz Magnetfeldwert. Für Frequenzen oberhalb von 20 GHz werden Magnetfelder oberhalb von 1.5 T erforderlich, die mit supraleitenden Magneten erzielt werden können. Die Multipolgeometrie bestimmt die Form der Verlustlinien und –flächen. Je höher die Zahl der Pole, umso WS2011/12 5.2 größer sind die Verlustflächen an den beiden Enden des "confinement". Die Verlustfläche ist eine Folge der Schwächung des axialen Feldes durch das Feld der Permanentmagnete, welche den Multipol formen und dem axialen Feld entgegengepolt sind. WS2011/12 5.3 Moderne Quellen nutzen ein Eisenjoch, um den Leistungsverbrauch zu reduzieren. Außerdem vermindert ein Eisenjoch den Einfluss von Streufeldern auf das Plasma und den extrahierten Strahl. Die erste Quelle, welche die Basis für alle EZR Quellen bildet war Geller's SuperMAFIOS (1975). Jedoch war der Leistungsverbrauch von 3 MW für Anwendungen inakzeptabel. Daher wurde von Geller und Mitarbeitern die MiniMAFIOS WS2011/12 5.4 entwickelt mit 100 kW Leistungsverbrauch und 10 GHz Mikrowellenfrequenz. 1987 bauten Geller und Sortais die erste EZR komplett mit Permanentmagneten. Die sogenannte NEOMAFIOS benötigt nur die Leistung zur Erzeugung der Mikrowelle. Die Ionen im Plasma werden nicht aufgeheizt, sondern bleiben nahezu thermisch. Aus diesem Grund ist die Wechselwirkung zwischen den „langsamen“ Plasma-Ionen und dem Magnetfeld sehr gering. Der Einschluss der Plasma-Ionen kann daher nur elektrostatisch durch das Raumladungsfeld der magnetisch eingeschlossenen Plasma-Elektronen erfolgen. Ein EZR-Plasma unterscheidet sich deutlich von anderen Plasmen, da die Temperatur seiner Bestandteile, Elektronen und Ionen, extrem verschieden sind. Während die PlasmaElektronen Temperaturen bis zu mehreren hundert keV haben, sind die Temperaturen der Plasma-Ionen im eV-Bereich, d. h. ihre mittlere kinetische Energie ist sehr gering. Das magnetische Moment der Plasma-Ionen ist daher sehr klein und sie treten somit kaum in Wechselwirkung mit dem äußeren Magnetfeld. Für die Plasma-Ionen mit geringer Geschwindigkeit ist somit kein direkter Plasmaeinschluss mit Hilfe von Magnetfeldern möglich. WS2011/12 5.5 Besonderheit EZR-Plasma: Geringfügige Potentialabsenkung des inneren Plasmabereichs ggü. der Heizzone (Potential Dip). Dies resultiert aus dem Zweikomponentenplasma mit unterschiedlichen Elektronentemperaturen. Die Elektronenverteilung stellt sich so ein, daß je , kalt = je , heiß wegen v heiß > v kalt WS2011/12 ⇒ je ,kalt kalte Zone ρ e , kalt v kalt = ρ e , heiß v heiß ⇒ ρ e , kalt > ρ e , heiß j e ,heiß heiße Zone, EZR 5.6 Die Abhängigkeit von Elektronendichte ne und –temperatur Te von der Mikrowellenleistung zeigen erstaunliches. Die Dichte geht in die Sättigung und nimmt ab einer bestimmten Leistungsschwelle ab. Die Temperatur geht in eine Sättigung. Dies resultiert aus der Abnahme der Einschlusszeit und der Zunahme des Plasmavolumens mit steigender Leistung. Vor allem wird auch die stochastische Elektronenheizung ineffizienter, wenn die Mikrowellenleistung zu hoch ist. Die Plasmadichte wird begrenzt durch WS2011/12 f cutoff = f p = f µ −wave . 5.7 [ ] f p = 8.98 ne m −3 [Hz ] ne ≤ ==> [ m ] = 1.23 ∗10 81 f p2 −3 10 Te3 / 2 τ = ⋅ const Die Einschlusszeit der Elektronen ist e ne Prf Für die Leistungsbilanz gilt Vp ≈ ne kTe τe ne2 k ∝ 1/ 2 Te [ ⋅ f 2 cm −3 ] (Diffusion durch Stöße Æ Spitzer Formel) und damit ne ∝ Prf Vp ⋅ Te1 / 4 Vp ist das Plasmavolumen, welches entlang der Feldlinien zum Extraktionsbereich führt. Diese wächst stärker als die HF-Leistung und die Elektronentemperatur. Der Ionenstrom im Ladungszustand q ergibt sich aus Iq ≈ nq ⋅ q ⋅ e ⋅ V p τq 2 ∝ ne ⋅ V p ∝ B 2 ⋅ V p ∝ ω HF Dabei ist τq die Ioneneinschlusszeit im Plasma. Typische Werte für ne ~ 1012 cm-3. Um hochgeladene Ionen zu generieren muss WS2011/12 τ q ≥ 0.01s sein. 5.8 Das „Aufheizen“ der Plasma-Elektronen mit Hilfe der Mikrowelle durch die Elektron-Zyklotron-Resonanz wird optimal, wenn der elektrische Feldvektor der Mikrowelle senkrecht zu den Linien des statischen Magnetfeldes rotiert, d.h. es muß ein zirkular polarisiertes elektromagnetisches Feld sein. Hierbei erfährt das Elektron während jeder Halbwelle des elektrischen Feldes einen Energiezuwachs. Ein Elektron muß die Heizzonen sehr oft durchqueren, um auf hohe Energien aufgeheizt zu werden. Röntgenspektroskopische Messungen haben gezeigt, dass die Elektronen auf Energien bis zu 1 MeV beschleunigt werden, obwohl die elektrischen Feldstärken der Mikrowellenfelder nur etwa 100 V/cm betragen, d. h. die Elektronen müssen die Resonanzzone sehr oft durchlaufen haben. Die Einkopplung der Mikrowelle in die "multimode"-Plasmakammer kann an verschiedenen Stellen geschehen, wie oben gezeigt ist. WS2011/12 5.9 Die Produktion von Metall-Ionen geschieht durch verdampfen des Materials in einem Ofen oder durch Sputtertargets, welche in die Nähe des Plasmas gebracht werden. Die Extraktion von Ionen geschieht entweder kontinuierlich oder im sogenannten "afterglow mode". Bei diesem Modus wird die HF abgeschaltet, wodurch der Ioneneinschluss aufgehoben wird. Daher erfolgt nach entsprechender Optimierung der Magnetfeldkonfiguration, ein hoher Strom hochgeladener Ionen im Puls. Dazu muß der Einschluss möglichst gut sein. Man erkennt, daß dann der dc-Strom deutlich geringer ist. Die Pulslängen liegen zwischen 0.5 – 5 ms. WS2011/12 5.10 Equipotential : Ve xtrac. + Vplasma Non divergent monoenergetic 1+ ion beam at Vextrac. n+ beam Grounded tube Grounded electrode Intermediate area : neutralizing “electronic” sheath Warm collisional edge plasma Bz max injection Hot collisional core plasma Vextrac . Bz max extraction BECR BECR z Die Ionen werden über die geerdete Elektrode zum Plasma transportiert und bei der Injektion in das Plasma auf wenige eV abgebremst, da die Plasmavakuumkammer auf Hochspannung liegt. Die Ionen werden nur dann gefangen, wenn diese durch Stöße mit den Plasma-Ionen schnell genug abgebremst werden. WS2011/12 5.11 Typisches Spektrum: Metallionenproduktion durch Metallverdampfen in einem Ofen. 171 nA Pb2+ injected 560 nA In+ injected Spektrum bei externer Injektion von Metallionen wie z.B. In1+ oder Pb1+. WS2011/12 5.12 Entwicklung in der EZR-Technik. VENUS ist eine EZR der 3. Generation (high end device), wobei die Magnetfelder ausschließlich mit supraleitenden Spulen erzeugt werden. Die Struktur und die Daten sind nachfolgend dargestellt. Einen Überblick der Skalierungsgesetzte, welche für moderne EZR-Quellen gelten, ist auch dargelegt. WS2011/12 5.13 Skalierungen bei der EZR Dabei ist M die Masse der Ionenspezies, welche man extrahieren möchte. Im Allgemeinen wird Gas injiziert, um die hochgeladenen Ionen der gewünschten Isotope zu produzieren. Wenn hochgeladene Ionen exotischer Nuklide für Experimente erforderlich werden, dann ist eine externe Injektion von einfach geladenen Ionen erforderlich. Des Weiteren gelten folgende Magnetfeldverhältnisse für eine Hochleistungs-EZR (siehe auch 5.2): Binj/Becr ~ 4, Bext/Becr ~ 2, Bmin/Becr ~ 0.8, Brad/Becr > 2, Bext/Brad < 0.9 WS2011/12 5.14 Dabei ist Binj (Bext) die maximale Feldstärke auf der Injektionsseite (Extraktionsseite), Brad das radiale Feld des Sextupols an der Plasmakammerwand und Bmin die Minimumfeldstärke zwischen den magnetsichen Spiegeln. Typische Werte: • Mikrowellenleistungen von 100–500W: • 16O6+-und 40Ar10+-Ionenströme von mehr als 2µA und bis zu 10µA für 197Au25+ • 209Bi25+ und 238U27+ - Ionen zu erreichen 28 28 18 18 14 Vergleiche von EZR Quellentypen: intensity (eµA) 1000 GHz GHz GHz GHz GHz SC-ECRIS (extrapolated) SERSE SERSE RT-ECRIS GSI-CAPRICE II 100 10 1 20 25 30 35 40 45 50 Xe charge state WS2011/12 5.15 5.2 Hochfrequenz getriebene Ionenquellen: Das Nutzen von HF-generierten Plasmen geht bis in die 40er Jahre zurück. Die HF-getriebenen Volumenquellen können mit jedem Arbeitsgas operieren, da keine Filamente beschädigt werden können. Ein Beispiel ist Sauerstoff, welches die Wolframfilamente der Volumenquellen angreift. Das Grundprinzip zeigt die dargestellte Quelle vom Thonemantyp. Die typischen Arbeitsdrücke dieser Quellen liegen bei 10-2 – 10-3 mbar. Die HF-Leistung reicht von einigen hundert Watt Bis zu einigen kW. Die eingestrahlte Radiofrequenz liegt im Bereich zwischen 1-100 MHz. Es gibt zwei mögliche Ankopplungsarten: • Kapazitiv zwischen zwei Elektroden typisch ist der Aufbau eines Zylinderkondensators. • Induktiv über eine Induktionsspule. Die Spule kann dabei außerhalb der Vakuumkammer liegen. Dann muss die Kammer aus Glas oder Quarz bestehen. Oder Innerhalb der Vakuumkammer als spiralförmige Antenne Die Vorteile der Quellen: Kaum Verschleißteile, bessere konstante Entladung, unabhängig von den Kathodeneigenschaften. Daher sind diese Quellen als Ionenantriebe geeignet! WS2011/12 5.16 WS2011/12 5.17 externe Antenne WS2011/12 interne Antenne 5.18 Plasmaerzeugung durch Einkopplung von HF: E = E p sin(ωt ) ⇒ x HF dv me = eE p sin(ωt + φ ) dt eE p [cos φ − cos(ωt + φ )] v = v0 + meω Ohne Kollisionen entnehmen die Elektronen der HF keine Energie! Durch Stöße ändert sich die Phase der Elektronenbewegung. Dadurch können die Elektronen Energie aus dem HF-Feld entnehmen. Durch Ionisation werden weitere freie Elektronen produziert. Übersteigt die Produktionsrate die Verlustrate folgt eine stabile HF - Entladung. WS2011/12 5.19 Der Schwingkreis der die Ankopplung übernimmt, wird resonant betrieben. Pulsgenerator Frequenzgenerator Vorverstärker HF-Verstärker HFAnpassungsnetzwerk Z = iωL1 + RV + 1 + i ωC 1 1 1 + iωL2 RL Änderung der Plasmaparameter führt zu einer Änderung von RL. WS2011/12 5.20 Durch die induktive Kopplung wird ein azimuthales elektrisches Wechselfeld erzeugt, welches Elektronen im Gas zu Oszillationen anregt und dabei genügend Energie überträgt, damit ein Plasma generiert werden kann. Mit induktiv HF-getriebenen multicusp-Volumenquellen können Stromdichten von über 1 A/cm2 erzielt werden. Die erreichbaren Stromdichten sind von der Masse der Ionen abhängig, vor allem für sehr leichte Ionen. WS2011/12 5.21 Typische Spektren einer multicusp Quelle: WS2011/12 5.22
