Modelling of plasma expansion and interpretation of measured profiles in a negative ion source.

ITER is an international project aiming to demonstrate the feasibility of energy production through controlled thermonuclear fusion. In order to trigger the required fusion reactions, an extremely hot plasma has to be confined for a sufficiently long time. One of the primary methods for plasma heating is the Neutral Beam Injection (NBI), which amounts to depositing additional power in the plasma by means of a highly energetic neutral beam, obtained through the neutralization of a precursor ion beam. The ITER NBI will employ radiofrequency (RF) driven ion sources to generate and extract negative ions; this kind of source displays some important advantages, such as low need for maintenance and moderate energy consumption, even though the research on the application of this technology to fusion experiments is less mature than the more consolidated arc-filament discharge. In this framework, the main purpose of this thesis project is the investigation of the most important physical processes underlying the plasma generation and expansion in a RF negative ion source, with a particular focus on plasma uniformity: indeed, the presence of a magnetic filter field inevitably introduces drift motions inside the source, ultimately affecting several properties of the extracted beam such as current intensity, stability and convergence. A pre-existent Particle-In-Cell simulation code was adapted and developed so as to study the plasma generation and expansion mechanisms in the SPIDER source. The numerical results have been compared with recent experimental measurements obtained with movable electrostatic probes, with the intention of both validating the code and providing an interpretation for the experimental trends, clarifying the relations between plasma properties and variations of the background gas pressure, of the magnetic field and of the voltages of the plasma-facing electrodes. SOMMARIO: ITER è un progetto internazionale volto a dimostrare la fattibilità della produzione di energia tramite fusione nucleare termocontrollata. Affinché le reazioni di fusione possano avere luogo, è necessario confinare un plasma ad alta temperatura per un tempo sufficientemente lungo. Gli iniettori di neutri sono uno dei metodi più diffusi per il riscaldamento del plasma: in questo caso si utilizza un fascio di neutri ad alta energia, ottenuto tramite neutralizzazione di un fascio precursore di ioni, per depositare potenza nel plasma stesso. Il progetto di ITER prevede sorgenti a radiofrequenza (RF) per la produzione e l'estrazione di ioni negativi; questa tecnologia porta molti vantaggi, come il ridotto bisogno di manutenzione e un moderato consumo di energia ma, d'altra parte, la ricerca sulla sua applicazione a esperimenti di fusione nucleare è ancora in evoluzione. In questo contesto, l'obiettivo principale di questo lavoro di tesi è lo studio dei processi fisici alla base della generazione ed espansione del plasma in una sorgente di ioni negativi a radiofrequenza, con particolare attenzione all'uniformità di plasma: infatti, la presenza di un filtro magnetico introduce inevitabilmente dei moti di deriva all'interno della sorgente e, di conseguenza, comporta l'alterazione di alcune proprietà del fascio come l'intensità di corrente, la stabilità ed anche la convergenza. Un codice Particle-In-Cell già esistente è stato adattato e sviluppato con l'obiettivo di studiare i meccanismi di generazione ed estrazione di plasma nella sorgente SPIDER. I risultati numerici sono stati confrontati con misure sperimentali ottenute tramite sonde elettrostatiche mobili, con l'obiettivo di validare il codice e di analizzare le correlazioni tra le proprietà del plasma e variazioni della pressione del gas di background, del campo magnetico e del potenziale della griglie esposte al plasma.