Study of the production mechanisms of hydrogen (H-) and deuterium (D-) negative ions in continuous and pulsed microwave plasmas with complementary diagnostic techniques

Abstract

Hydrogen negative ion sources are integral components in modern accelerator facilities and in the Neutral Beam Injection (NBI) systems of future fusion reactors. The latter application necessitates the development of such very powerful sources and the extension of their operation to deuterium. Numerous research activities on laboratory-scale experiments have been devoted to this subject aiming at understanding the fundamental processes that govern negative ion production. The gained knowledge has contributed essentially to the development of the prototype sources that will be employed in the NBI system of ITER, the largest Tokamak reactor under construction which is foreseen to demonstrate the potential of exploitation of thermonuclear fusion as an alternative source of energy. Nonetheless, there are important technological issues arising from the fundamental physics underlying these sources which need to be overcome in order for them to be able to deliver neutral beams with characteristics satisfying the baseline requirements. In the present thesis, the production of hydrogen (H−) and deuterium (D−) negative ions is studied in Electron Cyclotron Resonance (ECR) driven plasmas. In particular, experimental studies have been carried out in two reactors of similar characteristics, namely “Prometheus I” and “SCHEME-II+”, by means of conventional and state-of-the-art diagnostic techniques tailored to investigate the macroscopic and atomic properties of the plasmas of the two isotopes. In these reactors, negative ion production is based on the so-called volume production mechanism. In this case, the Dissociative Electron Attachment (DEA) reaction is identified as the predominant one. Understanding those factors which influence this reaction may lead to its control and thus an even better control of the negative ion production. In the “Prometheus I” reactor, extensive parametric studies in hydrogen and deuterium plasmas as a function of the supplied microwave power and working gas pressure reveal the existence of optima for negative ion production and allow the identification of isotopic differences. The negative ion yield reaches a value of 0.57×10^(16) m^(−3) in both plasmas, although in the hydrogen case the ratio of the negative ions to the plasma density is consistently higher than in the case of deuterium. Indicatively, a ratio of 0.225 in H2 versus 0.125 in D2 is observed in representative operating conditions. Measurements, moreover, of the negative ion energies disclose the existence of two ionic populations of different energies. This has been attributed to the two main mechanisms leading to the excitation of molecules in high vibrational/rotational states, which in turn participate in the formation of negative ions via the DEA reaction. On the other hand, the “SCHEME-II+” reactor is intended for studies of the influence of various materials exposed to the produced plasma on the production of the highly ro-vibrationally excited molecules. An advanced spectroscopic diagnostic technique, Vacuum Ultraviolet Fourier Transform (VUV-FT) absorption spectroscopy using synchrotron radiation, is utilized in order to directly probe these species under different plasma operating conditions. The significant positive effect of metallic surfaces on the creation of these species is demonstrated, since a nearly fourfold increase of deuterium molecules in high vibrational states (v"= 4-8) is observed when the plasma faces a tantalum surface as opposed to a Quartz surface. Finally, deuterium plasmas sustained in the pulsed mode of operation are investigated. Time-resolved measurements of the basic plasma parameters, performed in plasma pulses lying in the kHz range, reveal important post-plasma effects. In particular, a higher negative ion yield with respect to that measured in a plasma sustained in the continuous mode of operation has been observed.

Οι πηγές αρνητικών ιόντων υδρογόνου αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα των σύγχρονων εγκαταστάσεων επιταχυντών αλλά και των διατάξεων έγχυσης δεσμών ουδέτερων σωματιδίων υψηλής ενέργειας των μελλοντικών αντιδραστήρων θερμοπυρηνικής σύντηξης. Η τελευταία εφαρμογή καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη τέτοιων ισχυρών πηγών καθώς και την επέκταση της λειτουργίας τους στο δευτέριο. Πλήθος ερευνητικών δραστηριοτήτων σε διατάξεις εργαστηριακής κλίμακας έχουν επικεντρωθεί στο θέμα αυτό αποσκοπώντας στην κατανόηση των θεμελιωδών διεργασιών που διέπουν την παραγωγή αρνητικών ιόντων. Η αποκτηθείσα γνώση έχει συμβάλει καθοριστικά στην ανάπτυξη των πρότυπων πηγών που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν στις διατάξεις έγχυσης δεσμών ουδέτερων σωματιδίων υψηλής ενέργειας του ITER, του υπό κατασκευή μεγαλύτερου αντιδραστήρα Tokamak που θα καταδείξει τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της θερμοπυρηνικής σύντηξης ως εναλλακτική πηγή ενέργειας. Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικά τεχνολογικά προβλήματα που σχετίζονται με τη θεμελιώδη φυσική που διέπει τις πηγές αυτές τα οποία είναι απαραίτητο να επιλυθούν προκειμένου να παραχθούν δέσμες με χαρακτηριστικά που ικανοποιούν τις πρότυπες προδιαγραφές. Στην παρούσα διατριβή, μελετάται η παραγωγή αρνητικών ιόντων υδρογόνου (H−) και δευτερίου (D−) σε πλάσμα κυκλοτρονικού συντονισμού ηλεκτρονίων. Πιο συγκεκριμένα, πειραματικές μελέτες έχουν διεξαχθεί σε δύο αντιδραστήρες παρόμοιων χαρακατηριστικών, ήτοι τον αντιδραστήρα “Προμηθέας Ι” και τον αντιδραστήρα “SCHEME-II+”, μέσω συμβατικών και τεχνολογίας αιχμής διαγνωστικών τεχνικών προσαρμοσμένων στη διερεύνηση μακροσκοπικών και ατομικών παραμέτρων του πλάσματος των δύο ισοτόπων. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες, ο σχηματισμός αρνητικών ιόντων στηρίζεται σε ένα μηχανισμό ο οποίος αφορά στην παραγωγή στον κύριο όγκο του πλάσματος. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίδραση της διαχωρίζουσας προσάρτησης ηλεκτρονίων ταυτοποιείται ως η κυρίαρχη. Η κατανόηση των παραγόντων εκείνων που επηρεάζουν την αντίδραση αυτή δύναται να οδηγήσει στον έλεγχό της και συνεπώς στον ακόμη καλύτερο έλεγχο της παραγωγής των αρνητικών ιόντων. Στον αντιδραστήρα “Προμηθέας Ι”, παραμετρικές μελέτες συναρτήσει της παρεχόμενης μικροκυματικής ισχύος και της πίεσης των δύο αερίων λειτουργίας φανερώνουν την ύπαρξη βέλτιστων παράθυρων λειτουργίας για την παραγωγή αρνητικών ιόντων και επιτρέπουν την ταυτοποίηση ισοτοπικών διαφορών. Η πυκνότητα των αρνητικών ιόντων φτάνει στα περίπου 0.6×10^(16) m^(−3) και στα δύο αέρια λειτουργίας. Παρα ταύτα, στην περίπτωση του υδρογόνου ο λόγος της πυκνότητας των αρνητικών ιόντων προς την πυκνότητα πλάσματος είναι μονίμως υψηλότερος σε σχέση με αυτόν στο δευτέριο. Ενδεικτικά, παρατηρείται τιμή του λόγου αυτού ίση με 0.225 στο H2 έναντι 0.125 στο D2 σε τυπικές συνθήκες λειτουργίας. Μετρήσεις, επιπλέον, των ενεργειών των αρνητικών ιόντων αποκαλύπτουν την ύπαρξη δύο πληθυσμών αρνητικών ιόντων χαρακτηριζόμενων από διαφορετικές ενέργειες. Αυτό έχει αποδοθεί στους δύο κύριους μηχανισμούς που οδηγούν στη διέγερση των μορίων σε υψηλές δονητικές/περιστροφικές στάθμες, τα οποία με τη σειρά τους συμμετέχουν στο σχηματισμό αρνητικών ιόντων μέσω της αντίδρασης της διαχωρίζουσας προσάρτησης ηλεκτρονίων. Από την άλλη πλευρά, ο αντιδραστήρας “SCHEME-II+” προορίζεται για μελέτες του ρόλου των διαφόρων υλικών των εκτιθέμενων στο πλάσμα στην παραγωγή δονητικά/περιστροφικά διεγερμένων μορίων. Μια προηγμένη διαγνωστική τεχνική φασματοσκοπίας, αυτή της φασματοσκοπίας απορρόφησης υπεριώδους κενού με χρήση ακτινοβολίας σύγχροτρον και φασματογράφου μετασχηματισμού Fourier, χρησιμοποιείται για την απευθείας ανίχνευση των σωματιδίων αυτών υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του πλάσματος. Καταδεικνύεται η σημαντική θετική επίδραση συγκεκριμένων μεταλλικών επιφανειών στη δημιουργία αυτών των μορίων. Ενδεικτικά αναφέρεται η περίπου τέσσερις φορές αύξηση της συγκέντρωσης μορίων δευτερίου σε υψηλές δονητικές στάθμες (v"= 4-8) όταν το πλάσμα γειτνιάζει με επιφάνειες τανταλίου σε σχέση με την γειτνίαση με επιφάνειες χαλαζία. Τέλος, γίνεται μελέτη πλάσματος δευτερίου υπό καθεστώς παλμικής μικροκυματικής οδήγησης. Χρονικά αναλυμένες μετρήσεις των βασικών παραμέτρων του πλάσματος, οι οποίες πραγματοποιούνται σε παλμούς οδήγησης συχνότητας kHz, αποκαλύπτουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά στο πέρας κάθε παλμού οδήγησης. Μεταξύ άλλων, παρατηρείται υψηλότερη παραγωγή αρνητικών ιόντων σε σχέση με κατά τη συνεχή μικροκυματική οδήγηση του πλάσματος.

Les sources d'ions négatifs d'hydrogène font partie intégrante des accélérateurs modernes et des systèmes d'injection de neutres (NBI) dans les futurs réacteurs de fusion. Cette dernière application nécessite le développement de sources très puissantes et l'extension de leur fonctionnement au deutérium. De nombreuses activités de recherche sur des expériences à l'échelle du laboratoire ont été dédiées à ce sujet dans le but de comprendre les processus fondamentaux qui régissent la production d'ions négatifs. Les connaissances acquises ont essentiellement contribué au développement des sources prototypes qui seront employées dans le système NBI d’ITER, le plus grand réacteur Tokamak en construction destiné à démontrer le potentiel d’exploitation de la fusion en tant que source d’énergie alternative. Toutefois, d’importantes contraintes technologiques liées à la physique fondamentale gouvernant le fonctionnement de ces sources doivent être surmontées pour qu’elles puissent délivrer des faisceaux de neutres dont les caractéristiques satisfassent les exigences initiales. Dans cette thèse, la production d’ions négatifs d’hydrogène (H−) et de deutérium (D−) est étudiée dans des plasmas entretenus à la résonance cyclotron électronique. En particulier, des études expérimentales ont été réalisées dans deux réacteurs présentant des caractéristiques similaires, “Prometheus I” et “SCHEME-II+”, en utilisant des diagnostics conventionnels et avancés adaptés à l’étude des propriétés macroscopiques et atomiques des plasmas de ces deux isotopes. Dans ces réacteurs, la production d’ions négatifs est basée sur le mécanisme dit de production en volume. Dans ce cas, la réaction d’attachement dissociative des électrons (ADE) est identifiée comme la réaction prédominante. La compréhension des facteurs influençant cette réaction peut donc conduire à un meilleur contrôle de la production d’ions négatifs. Dans le réacteur “Prometheus I”, des études paramétriques dans des plasmas d’hydrogène et de deutérium, en fonction de la puissance micro-onde et de la pression du gaz, révèlent des optima pour la production d’ions négatifs et permettent de mettre en évidence des particularités isotopiques. Le rendement en ions négatifs atteint 0.57×10^(16) m^(−3) dans les deux plasmas, mais le rapport entre les ions négatifs et la densité du plasma est systématiquement plus élevée pour H2 que pour D2. Par exemple, un rapport de 0.225 pour H2 contre 0.125 pour D2 est obtenu dans des conditions représentatives de fonctionnement. En outre, la mesure de l’énergie des ions négatifs révèle l’existence de deux populations ioniques d’énergies différentes. Ceci a été attribué principalement à deux mécanismes responsables de l’excitation des molécules à des niveaux vibrationnels/rotationnels élevés participant à la formation d’ions négatifs via la réaction ADE. En revanche, le réacteur "SCHEME-II+" est destiné à l'étude de l'influence de divers matériaux exposés au plasma pour la production de molécules ro-vibrationnellement excitées. Un diagnostic spectroscopique complexe, la spectroscopie d'absorption dans l'ultraviolet du vide à transformée de Fourier (VUV-FT) utilisant le rayonnement synchrotron, est utilisée pour les sonder directement dans différentes conditions de fonctionnement du plasma. L’effet significatif des surfaces métalliques sur la création de ces espèces ro-vibrationnellement excitées a pu être démontré. Une augmentation de près d’un facteur quatre pour les molécules D2 dans les états vibrationnels élevés (v"= 4-8) est observée lorsqu’une surface de tantale remplace une surface de quartz face au plasma. Enfin, des plasmas de deutérium fonctionnant en mode pulsé sont examinés. Des mesures résolues en temps des paramètres plasma, effectuées dans des impulsions de plasma de l'ordre du kHz, révèlent d'importants effets post-plasma. Notamment, un rendement en ions négatifs plus élevé que celui mesuré dans un plasma fonctionnant en mode continu a été observé.