Marco Cavenago 1

Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003

Cenni introduttivi sulle sorgenti di ioni ECR (Electron Cyclotron

Resonance= risonanza elettrociclotronica)

Marco Cavenago

INFN,Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL)viale dell’Universita n.2 , 35020 LEGNARO (PD) ITALY

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• Cenni introduttivi– Plasmi = sistemi collettivi = esempio legna verde

– Principio di funzionamento

– Perche` una sorgente ECR

• Principali parti della sorgente ECR Alice – Generatori di microonde

– Solenoidi ed esapolo, Pompe e Valvole del Gas

– Elettrodi di estrazione e magnete di analisi

– Fornetto rf

– Tubo accelerante e piattaforma (solo le foto)

NOTA: la bibliografia sulle sorgenti ECR e` sterminata in inglese

o francese; v. R.Geller, Rev. Sci. Instrum. 71, 612(2000)

Argomenti Trattati

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1) Plasma = materia (gas) ionizzata

Dunque se vogliamo degli ioni dobbiamo e` bene passare da un plasma

Con un opportuno apporto di energia Ej [tipicamente

Ej>> 40 MJ/kg = E(Ne+)

gli atomi diventano ioni, cioe` perdono alcuni elettroni, che girano liberi.

N.b. 1 MJ/kg = 1600 K (neon non ionizzato, legge dei gas ideali)

2) Accelerando gli elettroni liberi nel plasma, diamo energia al plasma. Si chiama “riscaldamento’’.

3)Il plasma deve essere isolato dai recipienti, (se no perde energia). Si chiama “confinamento”.

Da (1) e (2) capite dunque che il plasma modifica le condizioni per il suo mantenimento (sia a favore, sia contro). E` come bruciare legna verde. Dunque attenzione!

Cenni introduttivi, i plasmi

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La sorgente ECR Alice (1991)

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Principio di funzionamento

Nel plasma V gli elettroni non diffondono in linea retta, ma spiraleggiano con frequenza di rotazione f(B) dovuta al campo magnetico applicato B (rotazione di ciclotrone); se la frequenza delle microonde fm soddisfa

fm=f(B)

l’accelerazione e` risonante.

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Perche` una sorgente ECR?

Il campo magnetico confina gli elettroni;

questi attirano gli ioni (e li confinano per un po`: 0.01-10 ms).

Il confinamento e` minore sull’asse (per ragioni non semplici da spiegare), dunque gli ioni escono preferenzialmente sull’asse.

Gli elettrodi di estrazione formano un fascio sull’asse.

Il fascio contiene molti stati di carica, ma ne selezionamo uno con un dipolo (deflettore magnetico) a 90 gradi.

Bassa pressione = alto stato di carica.

Le microonde sostituiscono un arco elettrico, col vantaggio di evitare lo sputtering (polverizzazione) del filamento (e dunque il consumo, la manutenzione, l’aumento della pressione).

Se ci ricordiamo di aggiungere un esapolo alla sorgente, il confinamento radiale e` molto incrementato ed il plasma e` stabilmente confinato.

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Principali parti della sorgente ECR Alice

The 400 W Ku-band TWT

La sorgente ECR Alice ha due generatori di microonde a 14.4 GHz, il piu`vecchio e` l’amplificatore a klystron, l’altro e` il TWT (travelling wave tube = tubo a onda viaggiante)

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Solenoidi: due avvolgimenti (rame raffreddato ad acqua), determinano la forma del plasma (due regolazioni). Esapolo: a magneti permanenti, nessuna regolazione. I magneti non fanno lavoro sul plasma,lo guidano solamente.

Pompe: cinque, tutte con valvola di intercettazione. Normalmente tutte in funzione (operazione possibile ma non consigliata con 4 pompe). Come visto la bassa pressione (100 - 500 microPa) e`necessaria; un fisico teorico vi direbbe che le pompe fanno lavoro per ottenere l’alto stato di carica.

Si possono introdurre fino a tre gas in punti diversi della sorgente Alice. COME IN TUTTE LE ECRIS, i migliori risultati si hanno con due gas diversi. Il gas va dosato con estrema cautela (troppo gas, troppo plasma, basso stato di carica).

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Tipica linea di estrazione del fascio da ECRIS (non in scala): p=plasma, a=apertura della sorgente, tipicamente con elettrodo alla Pierce, b=elettrodo puller, c=elettrodi connessi alla camera a vuoto, d=magnete dipolare, e0..en=sequenza di einzel lens o altri elementi ottici, f=elemento ‘finale` di osservarzione del fascio tipicamente una faraday cup; t= tubo accelerante

- Elettrodi di estrazione (due voltaggi da regolare Vs,Vp) e lenti di einzel (tre). Tipicamente Vs=11 kV e Vp=-2.3 kV

e0f t

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DIPOLO ED ANALISI DEL FASCIO

Il fascio emesso dalla sorgente (e preaccelerato a 11kV) contiene parecchi specie di ioni; una deflessione magnetica permette di selezionare lo ione desiderato o di fare una scansione temporale degli ioni presenti.

Esempio di scansione catturata dall’oscilloscopio, commentata in seguito

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Tubo accelerante e piattaforma (foto): tensione 40-350 kV regolabili.

L’uscita del trasformatore d’isolamento

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i (charge state)

0.1

02 64 8

curr

ent I

_i (m

icro

A) 0.

40.

20.

3

65Cu (100W)

63Cu (76 W)63Cu (89 W)63Cu (100W)65Cu (76W)65Cu (89 W)

1210 14

RISULTATI VECCHI PER IL RAME CON IL FORNETTO RF (CORRENTE DI ARGENTO CIRCA 4 VOLTE IN NUOVI ESPERIMENTI)

Quando la specie da accelerare e` solida in condizione normali, si possono usare sorgenti di vapore (=fornetti) all’interno dell’ECR.

Fornetto rf (ad induzione con radiofrequenza circa 1 MHz) sviluppato a Legnaro

FORNETTI rf