Investigation of a 14.5 GHz ECR ion source for experiments on collisions with slow multicharged ions

Abstract

Strahlen mehrfach geladener Ionen können mit Hilfe von Elektronenzyklotron-resonanzquellen (electron cyclotron resonance ion sources, ECRIS) erzeugt werden. Diese sind heute in der experimentellen Kern- und Plasmaphysik und generell bei Ionenstoßexperimenten mit niedriger Energie weit verbreitet. Eine neue ausschließlich mit Permanentmagneten gefertigte 14.5 GHz ECRIS wurde am Institut für Allgemeine Physik der Technischem Universität Wien entwickelt und untersucht. Das Extraktionssystem der Ionenquelle wurde mit Hilfe des Computerprogramms SIMION optimiert. Ein neuer experimenteller Aufbau zur Messung von totalen Wirkungsquerschnitten von einfachen Elektroneinfang wurde entwickelt und für erste Messungen verwendet.<br />Zur Untersuchung des Extraktionssystems wurden der Einfluss der Geometrie der Plasmarandschicht und die Raumladung berücksichtigt. Als Ergebnis der Simulation von Ionentrajektorien wurden die optimalen Extraktionsbedingungen bestimmt und mit Messungen verglichen.<br />In Anwendung der neuen Ionenquelle wurden Wirkungsquerschnitte von einfachen Elektronenenfang-Stößen untersucht. Die Funktionsweise des neues Aufbaues wurde mit Hilfe von SIMION-Modellierung optimiert und experimentell überprüft.<br />Wirkungsquerschnitte für resonanten Ladungsaustauch (einfacher Elektroneneinfang) in Ar+-Ar-and Ne+-Ne-Stößen bei niedriger Energie (0.1 - 1 keV) wurden untersucht, um die Genauigkeit und Verlässlichkeit des neuen experimentellen Aufbaus zu testen. Unsere Messungen stimmen in diesem Energiebereich mit zuverlässigen Daten aus der Literatur gut überein. Schließlich wurden noch nicht bekannte totale Wirkungsquerschnitte für Ladungsaustauch in He2+-Ne-Stößen im Energiebereich 260 - 2000 eV gemessen. Diese Daten konnten zur Absolutkalibrierung von früher relavtiv bestimmten einfachen Elektroneneinfangswirkungsquerschnitten für He2+-H2 Stöße verwendet werden.<br />

Multicharged ion beams can be produced by electron cyclotron resonance ion sources (ECRIS), which are now widely used in nuclear physics, plasma physics, and generally in low energy ion collision experiments. A new 14.5 GHz all-permanent magnet ECR ion source has been developed and investigated at the Institut für Allgemeine Physik, Vienna University of Technology. In order to study the operating characteristics of this ion source, its extraction system has been simulated by using the SIMION computer program. A new experimental setup for the measurement of total single electron capture cross sections has been designed, simulated and used for some collision experiments.<br />For the investigation of the ECRIS extraction system, the influence of the shape of the plasma boundary and the ion beam trajectories with and without space charge has been investigated. As result of these investigations, optimum extraction conditions have been deduced and compared with practical experience.<br />As an application of the new ion source, single electron capture cross sections for collisions of slow singly and doubly charged ions with atoms have been studied. Operating characteristics of the new apparatus have been optimized with the help of SIMION calculations and then experimentally verified.<br />Measurements of resonance charge exchange (single electron capture) cross sections for Ar+-Ar and Ne+-Ne collisions at low impact energy (0.1 - 1 keV) have been carried out in order to test the reliability and accuracy of the new apparatus, since accurate calculated and measured data for the respective cross sections are readily available from the literature. Our data were found in good agreement with earlier published data in this energy range.<br />In further consequence, we have measured total single electron capture cross sections, which are not yet known from the literature, for single electron capture in He2+-Ne collisions in the impact energy range of 260 - 2000 eV. Absolute calibration of previously determined relative single electron capture cross sections for He2+ - H2 collisions with the here measured single electron capture data for He2+ - Ne collisions has been carried out.