Plasma diagnostics of discharge channels for neutralized ion-beam transport

In der Entwicklung zukünftiger Teilchenbeschleuniger werden extrem hohe Strahlströme für Anwendungen wie die Erzeugung von Spallationsneutronen, intensiven Neutrino - oder Kaonstrahlen, die Aufbereitung von radioaktivem Abfall oder die schwerionengetriebene Inertialfusion (IFE) eine Schlüsselrolle spielen. Die Strahlparameter sind besonders in der Trägheitsfusion sehr anspruchsvoll, wo Ionenstrahlen mit einigen zehn kA Strahlstrom und Spitzenleistungen von bis zu 1014 W über mehrere Meter durch eine Reaktorkammer auf ein Fusionstarget von der Größe nur weniger mm fokussiert werden müssen. Hochstrom-Plasmakanäle bieten attraktive Eigenschaften für den Transport intensiver, raumladungsdominierter Ionenstrahlen. Ein genügend dichtes Plasma kann sowohl den Strahlstrom, als auch die Raumladung des Strahls neutralisieren.Diese Arbeit beschreibt Experimente an Entladungskanälen, die auf den Transport von intensiven Ionenstrahlen zugeschnitten sind und an der Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH (GSI) in Darmstadt und dem Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Berkeley durchgeführt wurden. In beiden Experimenten werden stabile Entladungskanäle durch einen Laserstrahl eingeleitet, der kurz vor der Entladung in die Kammer eingestrahlt wird. Während in Berkeley ein UV-Laser eine Spur von Elektronen hinterlässt, die durch resonante Zweiphoton-Absorption erzeugt werden, wird an der GSI ein Infrarotlaser benutzt um Ammoniak-Gas resonant aufzuheizen. Das erhitzte Gas expandiert und hinterlässt einen Kanal mit geringerer Gasdichte und somit bevorzugten Bedingungen für einen Entladungsdurchbruch. In Experimenten am UNILAC Linearbeschleuniger der GSI wurden Entladungskanäle zum ersten Mal auch durch den Ionenstrahl selbst initiiert, der das Gas in der Kammer entlang der späteren Entladungsachse ionisiert. Die Kanäle, die auf diese verschiedenen Weisen erzeugt wurden, zeigen in einem breiten Parameterbereich sehr hohe hydrodynamische Stabilität. Um das Plasma genauer zu charakterisieren wurden verschiedene Diagnoseverfahren entwickelt und eingesetzt. Mit einem Zweifarbeninterferometer wurde die Elektrondichte im Plasma ortsaufgelöst bestimmt. Dabei ergaben sich Werte um die 1017 bis 1018 cm-3. Daneben wurden mit dem selben Interferometer auch der lasererzeugte Kanal mit reduzierter Dichte sowie eine radial expandierende Druckwelle beobachtet die wahrscheinlich zur Stabilität der Entladung beiträgt. Die Druckwelle wurde detailliert mit einer Schlierendiagnostik vermessen. Das Plasmaeigenleuchten wurde im sichtbaren Wellenlängenbereich spektral aufgelöst untersucht. Es wurde ein Ratenmodell für ein Stickstoffplasma entwickelt und aus Vergleichen der experimentellen mit berechneten Spektren eine Elektronentemperatur von maximal 7 eV abgeschätzt. In Berkeley wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Faraday-Polarimeter aufgebaut mit dem das Magnetfeld im Plasma aus der Rotation der Polarisationsrichtung eines CO2-Lasers bestimmt wird. Erste Ergebnisse zeigen, daß der Stromfluß auf einen engen Kanal von circa 1 cm Durchmesser beschränkt ist.Desweiteren wurden Experimente mit gekreuzten Kanälen erfolgreich durchgeführt. Dies ist für die Anwendung in einem zukünftigen Fusionsreaktor von Bedeutung, da zwei identische Ionenstrahlen von entgegengesetzter Richtung nur in einem solchen Plasmasystem auf das Target transportiert werden können. Es wurden stabile L, T und X-förmige Entladungskanäle erzeugt. Um die Tauglichkeit dieser Kanäle für den Ionenstrahltransport zu demonstrieren, wurde ein 660 MeV Ni+12 Strahl vom UNILAC Beschleuniger durch einen T-Kanal transportiert und die ionenoptischen Eigenschaften untersucht