Development of an electrostatic diagnostic for space charge characterization in a negative ion beam

Gli iniettori di particelle neutre sono tra i metodi più diffusi per il riscaldamento di un plasma. Questi fasci non sono influenzati dai campi elettromagnetici, per cui possono viaggiare per grandi distanze: una volta raggiunto il plasma, le particelle neutre sono ionizzate a causa delle collisioni e riscaldano il plasma stesso trasferendogli la propria energia cinetica, finché non viene raggiunto l'equilibrio termico. I fasci di particelle neutre possono essere ottenuti tramite la neutralizzazione di fasci di ioni ad alta energia. Nella maggioranza dei casi si utilizzano ioni idrogeno, H+ o H-. L'utilizzo dei fasci di ioni è tecnicamente complesso perché in entrambi i casi gli ioni tendono a respingersi tra loro, causando la dispersione del fascio durante la propagazione. Gli iniettori di ioni negativi sono più efficienti perché il tasso di neutralizzazione degli H- è più alto rispetto a quello degli H+, poiché il loro elettrone addizionale è debolmente legato e, di conseguenza, viene perso facilmente. D'altra parte, gli ioni negativi sono più difficili da produrre rispetto agli ioni positivi e si disperdono facilmente durante il processo di accelerazione proprio a causa dell'elevato tasso di neutralizzazione. Ad ogni modo, quando il gas di background è ionizzato, gli ioni positivi generati sono confinati nella regione del fascio, che ha potenziale minore. Questo fenomeno di compensazione spaziale di carica permette al fascio di propagarsi per distanze maggiori. L'obiettivo di questa tesi è la caratterizzazione spaziale di carica del fascio di ioni H- prodotto in NIO1, un acceleratore di ioni negativi installato presso il Consorzio RFX (Padova), utilizzando una sonda di Langmuir singola. Una comprensione più profonda del fenomeno di compensazione spaziale di carica sarà utile per la realizzazione di iniettori di neutri altamente efficienti per il reattore a fusione nucleare ITER. Neutral beam injectors are one of the most applied techniques for plasma heating. Fast neutral beams are unaffected by electromagnetic fields so they can travel for long distances: once they reach the plasma region they are ionized because of collisions and they heat the already existing plasma particles until they reach thermal equilibrium. These neutral beams are obtained through charge exchange and neutralization of high energy ion beams, which are usually made of positive hydrogen ions H+ or negative hydrogen ions H-. The employment of ion beams is technically complex because both positive and negative ions tend to repel each other while propagating. Negative ions injectors are more efficient since the H- neutralization rate is higher because their additional electrons are weakly tied. On the other hand, these ions are more difficult to produce than positive ions and are easily lost during the acceleration process because of neutralization. However, when the background gas is ionized, positive ions are generated and they are kept into the beam region, which has a lower potential. This phenomenon is known as space charge compensation and it allows the beam to propagate for longer distances. The aim of this thesis work is the spatial charge characterization of the H- beam in NIO1, a negative-ions accelerator hosted at Consorzio RFX in Padova, through a single Langmuir probe. A better understanding of space charge compensation will be useful with a view to develop highly efficient beam injectors for the ITER) reactor.