Spatial Distribution of Charged Particles Along the Ion-Optical Axis in Electron Cyclotron Resonance Ion Sources -Experimental Results-

Panitzsch, Lauri

The experimental determination of the spatial distribution of charged particles along the ion-optical axis in electron cyclotron resonance ion sources (ECRIS) defines the focus of this thesis. The spatial distributions of different ion species were obtained in the object plane of the bending magnet (approx. 45cm downstream from the plasma electrode) and in the plane of the plasma electrode itself, both in high spatial resolution. The results show that each of the different ion species forms a bloated, triangular structure in the aperture of the plasma electrode. The geometry and the orientation of these structures are defined by the superposition of the radial and axial magnetic fields. The radial extent of each structure is defined by the charge of the ion. Higher charge states occupy smaller, more concentrated structures. The total current density increases towards the center of the plasma electrode. The circular and star-like structures that can be observed in the beam profiles of strongly focused, extracted ion beams are each dominated by ions of a single charge state. In addition, the spatially resolved current density distribution of charged particles in the plasma chamber that impinge on the plasma electrode was determined, differentiating between ions and electrons. The experimental results of this work show that the electrons of the plasma are strongly connected to the magnetic field lines in the source and thus spatially well confined in a triangular-like structure. The intensity of the electrons increases towards the center of the plasma electrode and the plasma chamber, as well. These electrons are surrounded by a spatially far less confined and less intense ion population. All the findings mentioned above were already predicted in parts by simulations of different groups. However, the results presented within this thesis represent the first (and by now only) direct experimental verification of those predictions and are qualitatively transferable to other ECR ion sources with hexapolar radial confinement. Furthermore, based on the results a new theory for the creation of the different sputter and deposition marks inside the plasma chamber of ECR ion sources is proposed. The thin and deeply sputtered grooves seem to stem from the high-energetic electrons while the surrounding, broad halo is ion-induced. The custom-built detectors (for each of the mentioned axial positions a different detector adapted to the special demands and purposes was developed) are presented in detail within this work as well, with one of these detectors (the "Faraday cup array" or FCA) now having established itself as our standard beam-profile measuring device.

Die räumliche Verteilung von geladenen Teilchen entlang der ionenoptischen Achse einer Elektron-Zyklotron-Resonanz (EZR) Ionenquelle experimentell zu bestimmen, stellt den Fokus dieser Arbeit dar. In der Objektebene des Sektormagneten (ca. 45cm hinter der Plasmaelektrode) und an der Plasmaelektrode selbst wurde die räumliche Verteilung verschiedener Ionenspezies des extrahierten Ionenstrahls in hoher Auflösung bestimmt. Es zeigt sich, dass die einzelnen Ionenspezies an der Plasmaelektrode jeweils zu aufgeblähten, triangularen Strukturen zusammengefasst werden können. Die Geometrie und die Ausrichtung dieser Strukturen werden von der Überlagerung der radialen und axialen Magnetfelder vorgegeben. Die radiale Ausdehnung der Strukturen hängt invers vom Ladungszustand ab. Hoch geladene Ionen weisen dabei eine geringere radiale Ausdehnung auf. Die Gesamtstromdichte steigt zum Zentrum der Plasmaelektrode hin an. Die Ringe und die sternähnlichen Strukturen, die bei stark fokussierten Ionenstrahlen im Strahlprofil sichtbar werden, werden jeweils durch Ionen eines Ladungszustandes dominiert. Außerdem wurde die ortsaufgelöste Stromdichteverteilung der geladenen Teilchen gemessen, die in der Plasmakammer auf die Plasmaelektrode einfallen. Hier wurde ausschließlich zwischen Ionen und Elektronen unterschieden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Elektronen stark an das Magnetfeld gebunden sind und daher zu räumlich stark begrenzten, triangularen Strukturen zusammengefasst sind. Die Intensität der Elektronen steigt zum Zentrum der Plasmaelektrode und der Plasmakammer hin an und wird von einer räumlich breiteren und weniger dominanten Ionenverteilung umgeben. Sämtliche oben erwähnten Erkenntnisse wurden bereits in Teilen in Simulationen verschiedener Gruppen vorhergesagt, konnten jedoch erst (und bisher ausschließlich) durch die hier präsentierten Messungen experimentell bestätigt werden. Die Ergebnisse sind qualitativ auf andere EZR-Ionenquellen übertragbar, deren radialer magnetischer Einschluss über einen Hexapol gewährleistet ist. Basierend auf den Messergebnissen wurde außerdem eine Theorie für das Entstehen der Zerstäubungs- und Ablagerungsmale innerhalb der Plasmakammer von EZR-Ionenquellen aufgestellt. Die schmalen und verhältnismäßig tiefen Zerstäubungsmale scheinen durch hochenergetische Elektronen hervorgerufen zu werden, die von breiteren, ioneninduzierten Malen umgeben werden. Die verwendeten Detektoren (für jede der erwähnten axialen Positionen wurde ein anderer, speziell an die Anforderungen angepasster Detektortyp entwickelt) werden in dieser Arbeit ebenfalls im Detail erläutert. Einer der Detektoren (das "Faraday-cup array", kurz FCA) hat sich dabei als Standard für die Erfassung von Strahlprofilen entlang der ionenoptischen Achse etabliert.

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Panitzsch, Lauri: Spatial Distribution of Charged Particles Along the Ion-Optical Axis in Electron Cyclotron Resonance Ion Sources -Experimental Results-. 2013.

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