Tailoring of microwave power density in an ECR ion source using an optimized ridge coupler
Description
Abstract One of the interesting areas in the Electron Cyclotron Resonance Ion Source (ECR-IS) design which requires further exploration is the microwave power launching scheme and the power coupling optimization with the plasma chamber. The electron heating efficiency and thereby the plasma density highly depends on the electric field distribution inside the plasma chamber; therefore, it is important to optimize the coupling of microwave power to the plasma chamber, to maximize the electric fields in the plasma chamber for a given microwave power. For this, a single-step quarter wavelength ridge coupler design study has been carried out using CST MW Studio Suite along with the plasma chamber and ridge wave guide designs. The experimental measurements of electric and magnetic field profiles in the plasma chamber assembly with different coupling configurations have been done using an innovative bead pull technique and a magnetic field probe. The experimental results match well with the simulation results and the comparative studies of different coupling configurations reveal that the single step ridge coupler based scheme improves the electric field inside the plasma chamber to at least five times than the conventional ridge waveguide. To further improve the E-field amplitude in the plasma chamber by another 40%, a novel tuning scheme for the coupler has been introduced. Preliminary plasma studies have been carried out with the optimized coupler on a multicusp ECR plasma source and the plasma density measurements performed using a microwave cut-off probe. The plasma measurements show that even at low input microwave powers (∼300 W) the plasma density is comparable with standard ECR-IS. The present study thus, sheds light on the coupling configuration of microwave to plasma chamber with experimental measurements of cavity mode and fields in the cavity which will be useful for high intensity accelerator applications in understanding the plasma evolution, beam parameters and its dependence on different operating parameters.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الخلاصة واحدة من المجالات المثيرة للاهتمام في تصميم مصدر رنين السيكلوترون الإلكتروني (ECR - IS) الذي يتطلب المزيد من الاستكشاف هو مخطط إطلاق طاقة الميكروويف وتحسين اقتران الطاقة مع غرفة البلازما. تعتمد كفاءة تسخين الإلكترون وبالتالي كثافة البلازما بشكل كبير على توزيع المجال الكهربائي داخل غرفة البلازما ؛ لذلك، من المهم تحسين اقتران طاقة الميكروويف بغرفة البلازما، لتعظيم المجالات الكهربائية في غرفة البلازما لطاقة ميكروويف معينة. لهذا الغرض، تم إجراء دراسة تصميم مقرنة ذات ربع طول موجي أحادي الخطوة باستخدام CST MW Studio Suite جنبًا إلى جنب مع غرفة البلازما وتصميمات دليل موجة الحافة. تم إجراء القياسات التجريبية لمقاطع المجال الكهربائي والمغناطيسي في مجموعة غرفة البلازما مع تكوينات اقتران مختلفة باستخدام تقنية سحب الخرزة المبتكرة ومسبار المجال المغناطيسي. تتطابق النتائج التجريبية بشكل جيد مع نتائج المحاكاة وتكشف الدراسات المقارنة لتكوينات الاقتران المختلفة أن المخطط القائم على قارنة النتوء أحادية الخطوة يحسن المجال الكهربائي داخل حجرة البلازما إلى خمس مرات على الأقل من موجه موجة النتوء التقليدي. لزيادة تحسين سعة المجال E في غرفة البلازما بنسبة 40 ٪ أخرى، تم تقديم مخطط ضبط جديد للقارنة. تم إجراء دراسات البلازما الأولية باستخدام القارنة المحسنة على مصدر بلازما ECR متعدد الأشراف وقياسات كثافة البلازما التي تم إجراؤها باستخدام مسبار قطع الميكروويف. تُظهر قياسات البلازما أنه حتى في قوى الميكروويف منخفضة الدخل (300 واط)، فإن كثافة البلازما قابلة للمقارنة مع ECR - IS القياسية. وبالتالي، تسلط الدراسة الحالية الضوء على تكوين اقتران الميكروويف بغرفة البلازما مع القياسات التجريبية لوضع التجويف والمجالات في التجويف والتي ستكون مفيدة لتطبيقات المسرع عالي الكثافة في فهم تطور البلازما ومعلمات الحزمة واعتمادها على معلمات التشغيل المختلفة.Translated Description (French)
Résumé L'un des domaines intéressants de la conception de la source d'ions à résonance cyclotronique électronique (ECR-IS) qui nécessite une exploration plus approfondie est le schéma de lancement de la puissance micro-ondes et l'optimisation du couplage de puissance avec la chambre à plasma. L'efficacité de chauffage des électrons et donc la densité du plasma dépendent fortement de la distribution du champ électrique à l'intérieur de la chambre à plasma ; par conséquent, il est important d'optimiser le couplage de la puissance micro-ondes à la chambre à plasma, afin de maximiser les champs électriques dans la chambre à plasma pour une puissance micro-ondes donnée. Pour cela, une étude de conception de coupleur d'arête quart de longueur d'onde en une seule étape a été réalisée en utilisant CST MW Studio Suite ainsi que les conceptions de chambre à plasma et de guide d'onde d'arête. Les mesures expérimentales des profils de champ électrique et magnétique dans l'ensemble de la chambre à plasma avec différentes configurations de couplage ont été effectuées à l'aide d'une technique innovante de traction des billes et d'une sonde de champ magnétique. Les résultats expérimentaux correspondent bien aux résultats de simulation et les études comparatives de différentes configurations de couplage révèlent que le schéma basé sur un coupleur de crête à une seule étape améliore le champ électrique à l'intérieur de la chambre à plasma à au moins cinq fois le guide d'onde de crête conventionnel. Pour améliorer encore l'amplitude du champ E dans la chambre à plasma de 40%, un nouveau schéma d'accord pour le coupleur a été introduit. Des études plasmatiques préliminaires ont été réalisées avec le coupleur optimisé sur une source de plasma ECR multicusp et les mesures de densité plasmatique réalisées à l'aide d'une sonde de coupure micro-ondes. Les mesures du plasma montrent que même à de faibles puissances micro-ondes d'entrée (∼300 W), la densité du plasma est comparable à celle de l'ECR-IS standard. La présente étude met ainsi en lumière la configuration de couplage des micro-ondes à la chambre à plasma avec des mesures expérimentales du mode de cavité et des champs dans la cavité qui seront utiles pour des applications d'accélérateur de haute intensité dans la compréhension de l'évolution du plasma, des paramètres du faisceau et de sa dépendance à différents paramètres de fonctionnement.Translated Description (Spanish)
Resumen Una de las áreas interesantes en el diseño de la Fuente de Iones de Resonancia de Ciclotrón Electrónico (ECR-IS) que requiere una mayor exploración es el esquema de lanzamiento de potencia de microondas y la optimización del acoplamiento de potencia con la cámara de plasma. La eficiencia de calentamiento de electrones y, por lo tanto, la densidad del plasma depende en gran medida de la distribución del campo eléctrico dentro de la cámara de plasma; por lo tanto, es importante optimizar el acoplamiento de la potencia de microondas a la cámara de plasma, para maximizar los campos eléctricos en la cámara de plasma para una potencia de microondas dada. Para ello, se ha llevado a cabo un estudio de diseño de acoplador de cresta de cuarto de longitud de onda de un solo paso utilizando CST MW Studio Suite junto con los diseños de cámara de plasma y guía de onda de cresta. Las mediciones experimentales de los perfiles de campo eléctrico y magnético en el conjunto de la cámara de plasma con diferentes configuraciones de acoplamiento se han realizado utilizando una innovadora técnica de tracción de perlas y una sonda de campo magnético. Los resultados experimentales coinciden bien con los resultados de la simulación y los estudios comparativos de diferentes configuraciones de acoplamiento revelan que el esquema basado en acoplador de cresta de un solo paso mejora el campo eléctrico dentro de la cámara de plasma al menos cinco veces más que la guía de ondas de cresta convencional. Para mejorar aún más la amplitud del campo eléctrico en la cámara de plasma en otro 40%, se ha introducido un nuevo esquema de ajuste para el acoplador. Se han realizado estudios preliminares de plasma con el acoplador optimizado en una fuente de plasma ECR multicúspide y se han realizado las mediciones de densidad de plasma utilizando una sonda de corte de microondas. Las mediciones de plasma muestran que incluso a bajas potencias de microondas de entrada (~300 W) la densidad de plasma es comparable con la ECR-IS estándar. Por lo tanto, el presente estudio arroja luz sobre la configuración de acoplamiento de microondas a la cámara de plasma con mediciones experimentales del modo de cavidad y los campos en la cavidad que serán útiles para aplicaciones de aceleradores de alta intensidad en la comprensión de la evolución del plasma, los parámetros del haz y su dependencia de diferentes parámetros operativos.Files
pdf.pdf
Files
(11.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:3c1cbe78b90f856cb61b00bdf3da0bb3
|
11.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تخصيص كثافة طاقة الميكروويف في مصدر أيونات ECR باستخدام قارنة حافة محسنة
- Translated title (French)
- Adaptation de la densité de puissance des micro-ondes dans une source d'ions ECR à l'aide d'un coupleur d'arête optimisé
- Translated title (Spanish)
- Adaptación de la densidad de potencia de microondas en una fuente de iones ECR utilizando un acoplador de cresta optimizado
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4379797483
- DOI
- 10.1088/1402-4896/acdcc2
References
- https://openalex.org/W1966357801
- https://openalex.org/W1992424159
- https://openalex.org/W2001237760
- https://openalex.org/W2007468138
- https://openalex.org/W2010524197
- https://openalex.org/W2013308067
- https://openalex.org/W2015111203
- https://openalex.org/W2034839319
- https://openalex.org/W2047594335
- https://openalex.org/W2053208654
- https://openalex.org/W2057086941
- https://openalex.org/W2081764910
- https://openalex.org/W384517560
- https://openalex.org/W4297811613