Spektroskopische Messungen im Anodenplasma einer fremdmagnetisch isolierten Hochleistungs-Ionendiode

Die Qualität der mit dem Protonenbeschleuniger KALIF erzeugten Ionenstrahlen hängt wesentlich von den Eigenschaften der Anoden- und Kathodenplasmen sowie von elektromagnetischen Fluktuationen in der Beschleunigungsstrecke ab. Eine Voraussetzung für die Verbesserung der Strahlqualität ist die genaue Kenntnis der Plasmaeigenschaften und der elektromagnetischen Feldverteilung im Beschleunigungsspalt. In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften des Anodenplasmas untersucht. Elek-tronendichte und -Temperatur und die Zusammensetzung des Anodenplasmas wurden mit optischer Spektroskopie bestimmt. Die ermittelte Elektronendichte wuchs von 11016 cm-3 zu Beginn auf bis zu 51017cm-3 am Ende des KALIF-Impulses an. Die Elektronentemperatur erreichte sehr schnell Werte um 7 eV. Neben Wasserstoff befand sich überwiegend dreifach ionisierter Kohlenstoff im Anodenplasma. Die Wasserstoffdichte nahm kontinuierlich während des gesamten Impulses zu. Die Dynamik des Magnetfelds im Anodenplasma einer Hochleistungsionendiode konnte erstmals aus orts- und zeitaufgelösten Messungen der Zeemanaufspaltung von CIII und CIV-Linien ermittelt werden. Aus dem beobachteten Eindringen des durch die Elektronendrift im Diodenspalt induzierten diamagnetischen Feldes in die Anodenplasmaschicht ergeben sich wichtige Konzequenzen für das Be-triebsverhalten der Diode. Dazu gehören die Schwächung der magnetischen Isolation, was eine Abnahme der Diodenimpedanz im Laufe des Impulses und möglicherweise sogar einen Kollaps der virtuellen Kathode auf die Anode zur Folge hat. Noch bedeutendere Auswirkungen ergeben sich aus der induzierten Wirbelstromheizung der Anodenplasmaschicht, was zu einem exponentiellen Wachstum der Teilchendichte im Plasma führt. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Messung des Strahldivergenzwachstums im Beschleunigungsspalt der Diode. Die Strahldivergenz sollte aus der Doppler-verbreiterung von Spektrallinien geeigneter im Diodenspalt beschleunigter Ionen, z.B. Kohlenstoff, die als natürliche Kontaminanten im Anodenplasma vorhanden waren, ermittelt werden. Obwohl diese Kontaminanten in genügender Menge im Anodenplasma vorkamen, blieb ihre Intensität im Diodenspalt unterhalb der Nachweisgrenze. Als Ursache hierfür wird die Abschirmung des elektrischen Extraktionsfeldes für die Kohlenstoffionen durch eine dünne Protonenschicht an der Plasmafront angesehen. Eine Messung der Strahldivergenz direkt am Plasma-rand war jedoch möglich. Diese Ergebnisse zeigen, daß ein großer Teil der Strahldivergenz bereits am Rand des Anodenplasmas entsteht, was auf eine räumlich inhomogene Plasmaoberfläche hindeutet