Verification of optical diagnostic methods in H2/D2 - plasmas

Für die Neutralteilchenheizung des Fusionsexperiments ITER müssen negativ geladene Deuteriumionen aus einer Ionenquelle extrahiert, auf 1 MeV beschleunigt und anschließend neutralisiert werden. Um die Plasmaprozesse der nicht thermischen Wasserstoff-Niedertemperaturplasmen in den verwendeten Ionenquellen gezielt beeinflussen zu können, ist die Kenntnis von Plasmaparametern wie Elektronentemperatur und Elektronendichte notwendig. Bezüglich der dafür benötigten Diagnostikmethoden zeichnet sich die optische Emissionsspektroskopie durch einen einfachen Messaufbau aus, der es erlaubt sichtstrahlintegrierte Plasmaparameter nicht invasiv und in situ bestimmen zu können. Im Rahmen der Arbeit wurde ein modulares Diodensystem entwickelt, das mit Hilfe von zuvor systematisch überprüften und verbesserten Auswertemethoden ein zeitaufgelöstes Online-Monitoring der Plasmaparameter ermöglicht. Die Verifikation wurde an stabilen und reproduzierbaren Elektron-Zyklotron-Resonanz-Plasmen durchgeführt. Diese Plasmen erlauben einen einfachen Vergleich zwischen den sichtstrahlintegrierenden Methoden der optischen Emissionsspektroskopie und den Referenzmethoden in einem großen Bereich von Elektronentemperatur und Elektronendichte. Um die aus Stoß-Strahlungsmodellen folgenden Besetzungsdichten im Gleichgewicht und die daraus abgeleiteten effektiven Emissionsratenkoeffizienten überprüfen zu können, wurden Referenzmessungen mit der Langmuirsonde, der Doppelsonde, der Boyd-Twiddy-Methode, der Interferometrie, dem Laserdetachment, dem Massenspektrometer und bereits überprüften optischen Diagnostikmethoden von Helium und Argon durchgeführt. Abweichungen bei der Bestimmung der Besetzungsdichten führten zu einer Korrektur des verwendeten Stoß-Strahlungsmodells. Das korrigierte Modell erlaubt eine wesentlich genauere Bestimmung der Elektronendichte.For the neutral beam injection of the fusion experiment ITER negative deuterium ions have to be extracted from an ion source, accelerated to 1 MeV and subsequently neutralized. To control the plasma processes of the non-thermal hydrogen low temperature plasmas in the ion sources the knowledge of the plasma parameters like electron temperature and electron density is necessary. Among the required diagnostic methods the optical emission spectroscopy has one of the simplest setups which allows non-invasive and in situ measurements of the parameters. Within the scope of this thesis a modular diode system was developed, which allows together with systematically verified and improved optical diagnostic methods a time resolved online monitoring of the plasma parameters. The verification was carried out in stable and reproducible electron cyclotron resonance plasmas. These plasmas allows a simple comparison between the optical emission spectroscopy and various reference methods in a large parameter range of electron temperature and electron density. In order to verify the effective population densities from collisional radiative models and the deduced emission rate coefficients reference measurements were carried out using a Langmuir probe, a double probe, the Boyd-Twiddy-Method, interferometry, laser detachment, a mass spectrometer and already verified optical diagnostic methods of diagnostic gases like helium and argon. By a correction of the used collisional radiative model the determination of the electron density was significantly improved