Study of the production mechanisms of hydrogen (H-) and deuterium (D-) negative ions in continuous and pulsed microwave plasmas with complementary diagnostic techniques
Authors: Μήτρου Μαρία 
Published: October 2024

Οι πηγές αρνητικών ιόντων υδρογόνου αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα των σύγχρονων εγκαταστάσεων επιταχυντών αλλά και των διατάξεων έγχυσης δεσμών ουδέτερων σωματιδίων υψηλής ενέργειας των μελλοντικών αντιδραστήρων θερμοπυρηνικής σύντηξης. Η τελευταία εφαρμογή καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη τέτοιων ισχυρών πηγών καθώς και την επέκταση της λειτουργίας τους στο δευτέριο. Πλήθος ερευνητικών δραστηριοτήτων σε διατάξεις εργαστηριακής κλίμακας έχουν επικεντρωθεί στο θέμα αυτό αποσκοπώντας στην κατανόηση των θεμελιωδών διεργασιών που διέπουν την παραγωγή αρνητικών ιόντων. Η αποκτηθείσα γνώση έχει συμβάλει καθοριστικά στην ανάπτυξη των πρότυπων πηγών που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν στις διατάξεις έγχυσης δεσμών ουδέτερων σωματιδίων υψηλής ενέργειας του ITER, του υπό κατασκευή μεγαλύτερου αντιδραστήρα Tokamak που θα καταδείξει τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της θερμοπυρηνικής σύντηξης ως εναλλακτική πηγή ενέργειας. Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικά τεχνολογικά προβλήματα που σχετίζονται με τη θεμελιώδη φυσική που διέπει τις πηγές αυτές τα οποία είναι απαραίτητο να επιλυθούν προκειμένου να παραχθούν δέσμες με χαρακτηριστικά που ικανοποιούν τις πρότυπες προδιαγραφές. Στην παρούσα διατριβή, μελετάται η παραγωγή αρνητικών ιόντων υδρογόνου (H−) και δευτερίου (D−) σε πλάσμα κυκλοτρονικού συντονισμού ηλεκτρονίων. Πιο συγκεκριμένα, πειραματικές μελέτες έχουν διεξαχθεί σε δύο αντιδραστήρες παρόμοιων χαρακατηριστικών, ήτοι τον αντιδραστήρα “Προμηθέας Ι” και τον αντιδραστήρα “SCHEME-II+”, μέσω συμβατικών και τεχνολογίας αιχμής διαγνωστικών τεχνικών προσαρμοσμένων στη διερεύνηση μακροσκοπικών και ατομικών παραμέτρων του πλάσματος των δύο ισοτόπων. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες, ο σχηματισμός αρνητικών ιόντων στηρίζεται σε ένα μηχανισμό ο οποίος αφορά στην παραγωγή στον κύριο όγκο του πλάσματος. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίδραση της διαχωρίζουσας προσάρτησης ηλεκτρονίων ταυτοποιείται ως η κυρίαρχη. Η κατανόηση των παραγόντων εκείνων που επηρεάζουν την αντίδραση αυτή δύναται να οδηγήσει στον έλεγχό της και συνεπώς στον ακόμη καλύτερο έλεγχο της παραγωγής των αρνητικών ιόντων. Στον αντιδραστήρα “Προμηθέας Ι”, παραμετρικές μελέτες συναρτήσει της παρεχόμενης μικροκυματικής ισχύος και της πίεσης των δύο αερίων λειτουργίας φανερώνουν την ύπαρξη βέλτιστων παράθυρων λειτουργίας για την παραγωγή αρνητικών ιόντων και επιτρέπουν την ταυτοποίηση ισοτοπικών διαφορών. Η πυκνότητα των αρνητικών ιόντων φτάνει στα περίπου 0.6×10^(16) m^(−3) και στα δύο αέρια λειτουργίας. Παρα ταύτα, στην περίπτωση του υδρογόνου ο λόγος της πυκνότητας των αρνητικών ιόντων προς την πυκνότητα πλάσματος είναι μονίμως υψηλότερος σε σχέση με αυτόν στο δευτέριο. Ενδεικτικά, παρατηρείται τιμή του λόγου αυτού ίση με 0.225 στο H2 έναντι 0.125 στο D2 σε τυπικές συνθήκες λειτουργίας. Μετρήσεις, επιπλέον, των ενεργειών των αρνητικών ιόντων αποκαλύπτουν την ύπαρξη δύο πληθυσμών αρνητικών ιόντων χαρακτηριζόμενων από διαφορετικές ενέργειες. Αυτό έχει αποδοθεί στους δύο κύριους μηχανισμούς που οδηγούν στη διέγερση των μορίων σε υψηλές δονητικές/περιστροφικές στάθμες, τα οποία με τη σειρά τους συμμετέχουν στο σχηματισμό αρνητικών ιόντων μέσω της αντίδρασης της διαχωρίζουσας προσάρτησης ηλεκτρονίων. Από την άλλη πλευρά, ο αντιδραστήρας “SCHEME-II+” προορίζεται για μελέτες του ρόλου των διαφόρων υλικών των εκτιθέμενων στο πλάσμα στην παραγωγή δονητικά/περιστροφικά διεγερμένων μορίων. Μια προηγμένη διαγνωστική τεχνική φασματοσκοπίας, αυτή της φασματοσκοπίας απορρόφησης υπεριώδους κενού με χρήση ακτινοβολίας σύγχροτρον και φασματογράφου μετασχηματισμού Fourier, χρησιμοποιείται για την απευθείας ανίχνευση των σωματιδίων αυτών υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του πλάσματος. Καταδεικνύεται η σημαντική θετική επίδραση συγκεκριμένων μεταλλικών επιφανειών στη δημιουργία αυτών των μορίων. Ενδεικτικά αναφέρεται η περίπου τέσσερις φορές αύξηση της συγκέντρωσης μορίων δευτερίου σε υψηλές δονητικές στάθμες (v"= 4-8) όταν το πλάσμα γειτνιάζει με επιφάνειες τανταλίου σε σχέση με την γειτνίαση με επιφάνειες χαλαζία. Τέλος, γίνεται μελέτη πλάσματος δευτερίου υπό καθεστώς παλμικής μικροκυματικής οδήγησης. Χρονικά αναλυμένες μετρήσεις των βασικών παραμέτρων του πλάσματος, οι οποίες πραγματοποιούνται σε παλμούς οδήγησης συχνότητας kHz, αποκαλύπτουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά στο πέρας κάθε παλμού οδήγησης. Μεταξύ άλλων, παρατηρείται υψηλότερη παραγωγή αρνητικών ιόντων σε σχέση με κατά τη συνεχή μικροκυματική οδήγηση του πλάσματος.