Study of the electron population inside an electron cyclotron resonance ion source plasma

Electron Cyclotron Resonance Ion Sources (ECRIS) are the most efficient technology to produce highly charged ion beams from both light and heavy elements. These devices are widely used in both fundamental science research and industrial applications. In recent years, the adoption of superconducting magnet technologies and increased heating frequencies determined huge improvements in the performance of these machines, but also introduced severe complications in their operation. Therefore, extensive studies for the various components are required in the design phase, to ensure the device reliability and avoid critical issues which can hinder the ion beam production. In this framework, simulations represent an essential tool for the development of new ECRIS, allowing a better understanding of the working principle of these machines and quantitative predictions also for quantities not experimentally measurable, such as the charged population distributions inside the ECR plasma. The main objective of this thesis is to investigate the electron population behaviour inside ASTERICS, an ECRIS designed to be installed on the second injector for the SPIRAL2 acceleration facility at GANIL. The study is accomplished exploiting a 3D particle-tracking Monte Carlo code, able to propagate electrons inside magnetic fields produced through appropriate software. Several aspects of interest for the electron population are explored in this work, including particle deconfinement, electron energy distribution functions and bremsstrahlung emission. Moreover, one of the most critical component of the magnet structure, the yoke surrounding the superconducting coils, is deeply investigated, optimizing its dimensions and assessing the proper shielding of the system needed to achieve cryogenic temperatures. The outcomes of this project allow to better understand the effects of different magnetic configurations employed inside the source, highlighting trends already known from the literature and experimentally observed, but also providing insights on unknown mechanisms related to the preferential regions for electron deconfinement at the plasma chamber walls. Furthermore, the results are used by other specialized teams of the project to predict the insurgence of critical problems observed in operating third generation ECRIS, such as the metal erosion of the plasma chamber and parasitic heating of the superconducting coils.

Le sorgenti di ioni a risonanza di ciclotrone elettronica (ECRIS, dall’inglese Electron Cyclotron Resonance Ion Source) sono la tecnologia più efficiente per la produzioni di fasci di ioni a stato di carica molto elevato a partire da elementi sia pesanti che leggeri. Questi dispositivi sono largamente utilizzati sia nella ricerca di scienze fondamentali che in applicazioni industriali. Negli ultimi anni, l’utilizzo di magneti superconduttori e di frequenze per il riscaldamento più elevate ha determinato enormi miglioramenti nelle prestazioni di queste macchine, ma ha anche introdotto gravi complicazioni nel loro funzionamento. Sono dunque necessari studi estensivi per i vari componenti durante la fase di progettazione, per assicurarne l’affidabilità ed evitare problemi critici che possono ostacolare la produzione del fascio di ioni. In questo quadro, le simulazioni rappresentano uno strumento fondamentale per lo sviluppo di nuove ECRIS, ampliando la comprensione dei prinicipi di funzionamento di queste macchine e consentendo predizioni quantitative anche per grandezze non misurabili sperimentalmente, come ad esempio la distribuzione delle poplazioni cariche all’interno del plasma ECR. Il principale obiettivo di questa tesi è di investigare il comportamento degli elettroni all’interno di ASTERICS, una ECRIS progettata per essere installata sul secondo iniettore per l’impianto di accelerazione SPIRAL2 presso GANIL. Lo studio è realizzato sfruttando un codice Monte Carlo 3D per il tracciamento delle particelle, in grado di propagare elettroni all’interno di campi magnetici prodotti attraverso appositi software. Molti aspetti di interesse per la popolazione elettronica sono esplorati in questo lavoro, compreso il deconfinamento delle particelle, le funzioni di distribuzione dell’energia degli elettroni e la radiazione di bremsstrahlung. Inoltre, uno dei componenti più critici della struttura dei magneti, il giogo che circonda le bobine superconduttrici, è studiato a fondo, ottimizzandone le dimensioni e valutando la schermatura necessaria al sistema per raggiungere temperature criogeniche. I risultati di questo progetto ampliano la comprensione degli effetti derivanti dall’utilizzo di diverse configurazioni magnetiche all’interno della sorgente, evidenziando andamenti già noti in letteratura e osservati sperimentalmente, ma fornendo anche approfondimenti su meccanismi sconosciuti relativi alla regione preferenziale per il deconfinamento degli elettroni sulle mura della camera del plasma. Inoltre, i risultati sono stati utilizzati da altri gruppi specializzati del progetto per predire lo sviluppo di problemi critici osservati in ECRIS di terza generazione attualmente in funzione, come l’erosione del metallo della camera del plasma e flussi parassiti che riscaldano le bobine superconduttrici.