Profiles of plasma parameters and density of negative hydrogen ions by Laser detachment measurements in RF-driven ion sources

Diese Arbeit zeigt die Anwendung des Laserdetachmentverfahrens zur ortsaufgelösten Messung negativer Wasserstoff-/Deuteriumionen an einer leistungsstarken HF-angeregten Niederdruck-Ionenquelle. Das Laserdetachmentverfahren basiert auf der Messung von Elektronenströmen auf eine positiv vorgespannte Langmuirsonde vor und während/nach einem Laserpuls. Aus dem Stromverhältnis kann das Verhältnis der Dichte negativer Ionen zur Elektronendichte bestimmt werden. Wird zudem die Elektronendichte mit dem Standardverfahren der Langmuirsonde ermittelt, so erhält man die absolute Dichte negativer Ionen. Messungen der Langmuirsonde ergeben zudem Aufschluss über das Floating- und Plasmapotential, die Elektronentemperatur und die Dichte positiver Ionen. Das Laserdetachmentverfahren musste an die besonderen Bedingungen der HF-Quelle angepasst werden. Vor allem die Existenz von Hochfrequenzfeldern (1 MHz), einem hohen Quellenpotential (-20 kV), Magnetfeldern (~ 7 mT) und Cäsium in der Quelle mussten beachtet werden. Es konnten Dichten negativer Ionen in der Größenordnung von n(H-) = 1*10^17 1/m^3 ermittelt werden, womit diese in derselben Größenordnung liegt wie die Elektronendichte. Die Anwendung des Laserdetachmentverfahrens und der Langmuirsonden bieten als einzige Verfahren die Möglichkeit zur ortsaufgelösten Messung der Plasmaparameter und Dichte negativer Ionen. Es wurden die Einflüsse diverser externer Parameter (z.B. Druck, HF-Leistung, Magnetfelder…) auf die Plasmaparameter und deren Profile untersucht und erläutert. Die Untersuchungen verhelfen somit zu einem detaillierten Verständnis der Vorgänge in der Quelle.This work shows the application of the Laserdetachment method for spatially resolved measurements of negative Hydrogen/Deuterium ion density. It was applied on a high power low pressure RF-driven ion source. The Laser detachment method is based on the measurement of electron currents on a positively biased Langmuir probe before and during/after a laser pulse. The density ratio of negative ions to electrons can be derived from the ratio of currents to the probe. The absolute density of negative ions can be obtained when the electron density is measured with the standard Langmuir probe setup. Measurements with the Langmuir probe additionally yield information about the floating and plasma potential, the electron temperature and the density of positive ions. The Laser detachment setup had to be adapted to the special conditions of the RF-driven source. In particular the existence of RF fields (1 MHz), high source potential (-20 kV), magnetic fields (~ 7 mT) and caesium inside the source had to be considered. The density of negative ions could be identified in the range of n(H-) = 1*10^17 1/m^3, which is in the same order of magnitude as the electron density. Only the application of the Laser detachment method with the Langmuir probe measurements will yield spatially resolved plasma parameters and H- density profiles. The influence of diverse external parameters, such as pressure, RF-power, magnetic fields on the plasma parameters and their profiles were studied and explained. Hence, the measurements lead to a detailed understanding of the processes inside the source