Magneettikenttärakenteen vaikutus ECR-ionilähteen suorituskykyyn
Päärahoittaja
Rahoittajan antama koodi/diaarinumero: 315855
Päärahoittajan myöntämä tuki (€)
- 468 468,00
Rahoitusohjelma
Hankkeen aikataulu
Hankkeen aloituspäivämäärä: 01.09.2018
Hankkeen päättymispäivämäärä: 31.08.2022
Tiivistelmä
Electron Cyclotron Resonance ionilähteiden (ECRIS) suorituskyky tuottaa korkean varaustilan ioneja monista eri elementeistä on parantunut dramaattisesti viime vuosikymmeninä mahdollistaen merkittävän edistyksen kiihdytinpohjaisessa ydinfysiikassa ja eri sovelluksissa. Ydinfysikan tutkimuksen ja sovellusten edistyminen vaatii ioninlähdetekniikan jatkuvaa kehittämistä käytettävissä olevan ionisuihkuvalikoiman ja intensiteetin suhteen. Nykyaikaisten ECR-ionilähteiden suunnittelu perustuu semi-empiirisiin skaalauslakeihin. Yhden skaalauslain mukaan tuotetun ionisuihkun varausastejakauman intensiiivisimmän varaustilan ionivirta kasvaa neliöllisesti mikroaaltotaajuuden mukana. Tämän seurauksena ionilähteen plasman lämmitttämisessä käytetyn mikroaallon taajuutta pyritään jatkuvasti kasvattamaan. Tämän pyrkimyksen merkittävimmäksi esteeksi on tullut magneettiteknologian asettama raja. Taajuuden kasvattaminen yli 56 GHz: n välillä edellyttää joko riittämättömän kentänvoimakkuuden hyväksymisen tai tutkimus- ja kehitystyötä innovatiivisten ECRIS-konseptien testaamiseksi. Esimerkkinä voi mainita ARC-ECRIS-tutkielman, joka näyttäisi mahdollistavan jopa 100 GHz plasmalämmitystaajuden käytön. Tämä olisi toteutuessaan merkittävä läpimurto ionilähdetekniikassa.
Tutkimusehdotuksemme koostuu kolmesta toisiaan täydentävästä lähestymistavasta tutkia magneettikentän topologian vaikutusta ECR-ionilähteen suorituskykyyn ja plasman stabiilisuuteen. Suunnitelmamme mukaisesti rakentaisimme ja testaisimme ECR-ionilähteen prototyypin, jolla on samanlainen magneettikenttätopologia kuin ns. ARC-ECRIS:llä ja osoittamaan, että prototyyppi on sovelias tuottamaan korkeasti varattuja ionisuihkuja. Laitteen yhteydessä tulemme testaamaan suorakaiteen muotoista ekstraktiogeometriaa tavanomaisen pyöreän ekstraktioaukon sijasta. Tätä tutkimusta ohjaa tarve optimoida ekstraktiorakenteen geometrinen päällekkäisyys magneettikentästä poistuvan plasmavuon muodon kanssa. Ehdotuksen mukaisesti tulemme myös tutkimaan magneettikentän voimakkuuden ja gradientin roolia ECRIS-plasmassa luonnostaan esiintyvien kineettisten epästabiilisuuksien aiheuttajana. Tätä mekanismia tutkisimme sekä tavanomaisen magneetikenttärakenteen (solenoidi + sextupoli) että uuden innovatiivisen prototyypin yhteydessä. Plasmatutkimuksiemme perusteella oletamme, että ehdotettu prototyyppi on magnetohydrodynaamisesti nykyisiä rakenteita vakaampi. Hankkeella on laaja kansainvälinen ulottuvuus ja vaikutus. Esimerkiksi hakemuksessa kuvattu väitöskirjatyö (cotutelle) toteutetaan Jyväskylän yliopiston ja Grenoble Alpesin yliopiston (Ranska) välisenä yhteistyönä. Tutkimusprojektilla on merkittävää potentiaalia uusiin tieteellisiin tuloksiin ja jopa ECR-ionilähteisiin liittyvään läpimurtoon.
Tutkimusehdotuksemme koostuu kolmesta toisiaan täydentävästä lähestymistavasta tutkia magneettikentän topologian vaikutusta ECR-ionilähteen suorituskykyyn ja plasman stabiilisuuteen. Suunnitelmamme mukaisesti rakentaisimme ja testaisimme ECR-ionilähteen prototyypin, jolla on samanlainen magneettikenttätopologia kuin ns. ARC-ECRIS:llä ja osoittamaan, että prototyyppi on sovelias tuottamaan korkeasti varattuja ionisuihkuja. Laitteen yhteydessä tulemme testaamaan suorakaiteen muotoista ekstraktiogeometriaa tavanomaisen pyöreän ekstraktioaukon sijasta. Tätä tutkimusta ohjaa tarve optimoida ekstraktiorakenteen geometrinen päällekkäisyys magneettikentästä poistuvan plasmavuon muodon kanssa. Ehdotuksen mukaisesti tulemme myös tutkimaan magneettikentän voimakkuuden ja gradientin roolia ECRIS-plasmassa luonnostaan esiintyvien kineettisten epästabiilisuuksien aiheuttajana. Tätä mekanismia tutkisimme sekä tavanomaisen magneetikenttärakenteen (solenoidi + sextupoli) että uuden innovatiivisen prototyypin yhteydessä. Plasmatutkimuksiemme perusteella oletamme, että ehdotettu prototyyppi on magnetohydrodynaamisesti nykyisiä rakenteita vakaampi. Hankkeella on laaja kansainvälinen ulottuvuus ja vaikutus. Esimerkiksi hakemuksessa kuvattu väitöskirjatyö (cotutelle) toteutetaan Jyväskylän yliopiston ja Grenoble Alpesin yliopiston (Ranska) välisenä yhteistyönä. Tutkimusprojektilla on merkittävää potentiaalia uusiin tieteellisiin tuloksiin ja jopa ECR-ionilähteisiin liittyvään läpimurtoon.
Vastuullinen johtaja
Muut hankkeeseen liittyvät henkilöt (JYU)
Päävastuullinen yksikkö
Seurantakohteet
Liittyvät julkaisut ja muut tuotokset
1/2
- Consecutive transients method for plasma diagnostics of electron cyclotron resonance ion sources (2024) Luntinen, Miha; G5; OA; 978-951-39-9934-6
- Diagnostics of charge breeder electron cyclotron resonance ion source plasma with consecutive transients method (2024) Angot, J.; et al.; A1; OA
- Slit extraction and emittance results of a permanent magnet minimum-B quadrupole electron cyclotron resonance ion source (2024) Kosonen, Sami; et al.; A1; OA
- Ion source and low energy beam transport prototyping for a single-ended heavy ion ToF-ERDA facility (2023) Tarvainen, Olli; et al.; A1; OA
- Diagnostics of highly charged plasmas with multicomponent 1+ ion injection (2022) Luntinen, M.; et al.; A1; OA
- Diagnostic techniques of minimum-B ECR ion source plasma instabilities (2022) Toivanen, V.; et al.; A1; OA
- First results of a new quadrupole minimum-B permanent magnet electron cyclotron resonance ion source (2022) Kalvas, Taneli; et al.; B1
- Influence of axial mirror ratios on the kinetic instability threshold in electron cyclotron resonance ion source plasma (2022) Toivanen, V.; et al.; A1; OA
- Quasi-periodical kinetic instabilities in minimum-B confined plasma (2022) Bhaskar, B. S.; et al.; A1; OA
- Controlled turbulence regime of electron cyclotron resonance ion source for improved multicharged ion performance (2021) Skalyga, Vadim; et al.; A1; OA
Liittyvät tutkimusaineistot
- JYFL-ACCLAB-ISG001-First experimental results of CUBE-ECRIS (2022) Toivanen, Ville; et al.
- JYFL-ACCLAB-ISG002 Studies of CUBE-ECRIS performance with slit extraction (2023) ; Toivanen, Ville; et al.
- JYFL-ACCLAB-ISG003 CUBE-ECRIS operation with 2-frequency heating and gas mixing (2023) ; Toivanen, Ville; et al.
- JYFL-ACCLAB-ISG004 Study of the temporal structure of kinetic instabilities in ECR-heated plasma (2023) Subhash Bhasi Bhaskar, Bichu; et al.
- JYFL-ACCLAB-ISG005 Probing the correlation between bremsstrahlung and escaping electrons from ECRIS plasma (2023) ; Subhash Bhasi Bhaskar, Bichu; et al.
