Spectroscopic characterization and numerical modelling of an IEC device

In an inertial electrostatic device, a potential well is built between concentric electrodes, in orderto confine energetic ions. High densities of ions may be obtained due to the formation of virtualelectrodes inside the hollow cathode grid, though relevant parameters influencing their forma-tion are still to be understood. The object of this project is to characterize plasma discharge ina fusor, with particular stress on potential well shape.An experiment exploiting Doppler shift produced by fast excited hydrogen atoms will is devel-oped; the kinetic energy of fast neutrals is determined along a microchannel during Star modeoperation and prominent population of diverging neutrals is established in a pressure range be-tween 0.3 Pa and 1.5 Pa. Increase of neutral kinetic energy is detected outside the cathode grid,reaching∼40% of the applied potential.A Particle-In-Cell simulation of the fusor is developed to support experimental data interpre-tation and gain an in-depth knowledge of particle behaviour inside the machine. Cylindricalgeometry will be employed too speed up the simulation and background gas will be made ofH2and atomicH. Equilibrium population of the discharge is in accord with previous resultsand Star mode operation is achieve. Virtual anode formation is not observed, but syntheticspectra are extracted from the simulated discharge revealing that absence of virtual anode doesnot produce the desired spectrum, while imposing its presence as an input causes spectra toshow the same features of experimental ones, corroborating the hypothesis of a virtual anodeformation. In an apparecchio a confinamento inerziale, un pozzo di potenziale si instaura tra elettrodi concentrici, con lo scopo di confinare ioni energetici. Densità ioniche molto alte possono essere ottenute grazie alla formazione di elettrodi virtuali all'interno della griglia centrale che funge da catodo; parametri fisici rilevanti che influenzano la loro formazione non sono ancora noti dettagliatamente. L'obbiettivo di questo progetto è caraterrizare il plasma in una scarica all'interno del fusore, con particolare attenzione sulla struttura del potenziale. È stato progettato un esperimento che sfrutta la variazione della lunghezza d'onda dei fotoni emessi da particelle eccitate in movimento nel fusore; l'energia cinetica degli atomi di idrogeno che si diseccitano è determinata lungo un microchannel durante il regime di operazione Star-mode e una popolazione di ioni prevalemntemente divergenti è misurata in un range di pressioni tra 0.3Pa e 1.5Pa. All'esterno della griglia catodica si misura un aumento di energia cinetica, che raggiunge circa il 40% del potenziale applicato. Un codice Particle-In-Cell per simulare il comportamento degli ioni nel fusore è stata sviluppata, modellizzando il fusore in geometria cilindrica e con un background costituito da idrogeno molecolare e atomico. La popolazione della scarica all'equilibrio è in accordo con i precedenti studi e il regime di Star-mode è stato ottenuto. La formazione di un anode virtuale non è osservata nella simulazione, ma gli spettri ottenuti in tali condizioni rivelatno che l'assenza di anode virtual non garantisce le misure osservate; ipotizzare la sua presenza conduce, d'altro canto, a spettri con le stesse caratteristiche contenute nelle misure sperimentali. Interpretando le caratteristiche degli spettri come indizi della presenza di un anode virtuale, l'entità di tale struttura corrisponed a circa 40% del potenziale applicato.