[論文レビュー] Faraday Cup Measurements of Ions Backstreaming into a Electron Beam Impinging on a Plasma Plume*

G. Guethlein, T. Houck+2 more|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Pulsed Power Technology Applications参考文献 5被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ローレンス・リバモア国立研究所の6-MeV、2-kAの実験的テスト加速器を用い、事前に形成されたプラズマプラウムへの電子ビームの衝突時にイオンがビーム内に逆流する現象を、ファラデーカップ診断により調査した。主な発見は、表面に付着した不純物やコンバーター材料に起因する軽いイオンが、ビームの空間電荷によって数mm/nsの速度に加速され、ビームのピンチングを引き起こし、時間的に変化するX線スポットの形成を引き起こすことで、将来の誘導加速器を用いたシステムにおける放射線写真の安定性に脅威をもたらすものである。

ABSTRACT

The next generation of radiographic machines based on induction accelerators is expected to generate multiple, small diameter x-ray spots of high intensity. Experiments to study the interaction of the electron beam with plasmas generated at the x-ray converter and at beamline septa are being performed at the Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) using the 6-MeV, 2-kA Experimental Test Accelerator (ETA) electron beam. The physics issues of concern can be separated into two categories. The interaction of subsequent beam pulses with the expanding plasma plume generated by earlier pulses striking the x-ray converter or a septum, and the more subtle effect involving the extraction of light ions from a plasma by the head of the beam pulse. These light ions may be due to contaminants on the surface of the beam pipe or converter, or, for subsequent pulses, in the material of the converter. The space charge depression of the beam could accelerate the light ions to velocities of several mm/ns. As the ions moved through the body of the incoming pulse, the beam would be pinched resulting in a moving focus prior to the converter and a time varying x-ray spot. Studies of the beam-generated plasma at the x-ray converter have been previously reported. In this paper we describe Faraday cup measurements performed to detect and quantify the flow of backstreaming ions as the ETA beam pulse impinges on preformed plasma. * This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by University of California Lawrence Livermore National Laboratory under contract No. W-7405-Eng-48.

研究の動機と目的

• 次世代の放射線写真装置におけるX線コンバーターおよびビームラインセプタで生成されたプラズマプラウムと電子ビームパルスの相互作用を調査すること。
• 以前のビームパルスに起因する空間電荷効果によって引き起こされる電子ビーム内へのイオン逆流を定量すること。
• プラズマからの軽いイオンの抽出がビームダイナミクスおよびX線スポットの安定性に与える影響を評価すること。
• 表面に付着した不純物およびコンバーター材料がイオン生成およびビーム劣化に果たす役割を評価すること。

提案手法

• ファラデーカップ診断を用いて、電子ビームパルス内に逆流するイオン電流を検出および測定した。
• LLNLの6-MeV、2-kAの実験的テスト加速器（ETA）が、事前に形成されたプラズマプラウムに電子ビームパルスを照射した。
• 逆流ダイナミクスを特徴付けるために、時間およびビームパルスの位相関数としてのイオン速度と電流を測定した。
• 誘導加速器を用いた放射線写真システムの条件を模擬するため、X線コンバーターおよびビームラインセプタでプラズマプラウムを生成した。
• 電子ビームの空間電荷場をモデル化し、イオンがmm/nsの速度に加速される程度を推定した。
• 他のビーム-プラズマ相互作用からの影響を分離するために、制御された条件下で測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子ビームが事前に形成されたプラズマプラウムに衝突する際、逆流するイオン電流の大きさと時間的変化は何か？
• RQ2 電子ビームパルスに起因する空間電荷場が、軽いイオンをどのように高速化するか？
• RQ3 X線コンバーターまたはビームパイプからの不純物や材料が、イオン生成にどの程度寄与しているか？
• RQ4 イオンの逆流がビームの焦点合わせおよびそれによるX線スポット特性にどのように影響するか？
• RQ5 ファラデーカップ測定は、高電流電子ビーム実験におけるイオン逆流を信頼性高く定量できるか？

主な発見

• 空間電荷場により、表面不純物やコンバーター材料に起因する軽いイオンが、数mm/nsの速度で電子ビーム内に逆流することが確認された。
• イオン電流は、ビームのピンチングを引き起こすほど顕著であり、X線コンバーターの手前で焦点が移動する原因となった。
• イオン源は、ビーム部品の表面に付着した不純物またはX線コンバーター自体の材料に起因するとされた。
• 逆流するイオンがビームダイナミクスを変調し、時間的に変化するX線スポット特性を引き起こすことが観測された。
• ファラデーカップ測定により、電子ビーム-プラズマ相互作用におけるイオン逆流の直接的かつ定量的証拠が得られた。
• これらの発見は、誘導加速器を用いた将来の高強度・マルチパルス放射線写真システムにとって、深刻な課題を示している。