[논문 리뷰] Faraday Cup Measurements of Ions Backstreaming into a Electron Beam Impinging on a Plasma Plume*

G. Guethlein, T. Houck외 2명|ArXiv.org|2000. 08. 18.

Pulsed Power Technology Applications참고 문헌 5인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 라이브러리 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 6-MeV, 2-kA 실험용 가속기에서 전자 빔이 사전 형성된 플라즈마 플룸에 충돌할 때 이온이 뒤로 흐르는 현상을 파장 측정 장치를 통해 조사한다. 주요 발견은 경량 이온(표면 오염물질이나 변환재료에서 유래할 가능성이 높음)이 빔의 공간 전하에 의해 몇 mm/ns의 속도로 가속되며, 이로 인해 빔 수축 현상과 시간에 따라 변하는 X선 포인트 형성이 발생하고, 이는 향후 인덕션 가속기 기반 시스템의 단층 촬영 이미지 안정성에 위협이 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 향후 세대의 단층 촬영 장치에서 X선 변환재와 빔라인 세퍼레이터에서 생성된 플라즈마 플룸과 전자 빔 펄스 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 이전 빔 펄스의 공간 전하 효과로 인해 전자 빔 내로 후류로 흐르는 이온의 양을 정량화하기 위해.
• 플라즈마에서 유도된 경량 이온의 추출이 빔 동역학과 X선 포인트 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 표면 오염물질과 변환재료가 이온 생성과 빔 열화에 미치는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 파라데이 컵 진단을 사용하여 전자 빔 펄스로 후류로 흐르는 이온 전류를 탐지하고 측정하였다.
• 라이브러리 리버모어 국립연구소의 6-MeV, 2-kA 실험용 가속기(ETA)가 사전 형성된 플라즈마 플룸에 전자 빔 펄스를 조준하였다.
• 후류로 흐르는 동역학을 특성화하기 위해 시간과 빔 펄스 위상에 따른 이온 속도 및 전류를 측정하였다.
• 인덕션 가속기 기반 단층 촬영 시스템의 조건을 시뮬레이션하기 위해 X선 변환재와 빔라인 세퍼레이터에서 플라즈마 플룸을 생성하였다.
• 전자 빔의 공간 전하장을 모델링하여 mm/ns 수준의 이온 가속도를 추정하였다.
• 다른 빔-플라즈마 상호작용과의 혼동을 방지하기 위해 통제된 조건에서 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 빔이 사전 형성된 플라즈마 플룸에 충돌할 때 후류로 흐르는 이온 전류의 크기와 시간적 변화는 어떠한가?
• RQ2 전자 빔 펄스의 공간 전하장이 경량 이온을 어떻게 고속도로 가속시키는가?
• RQ3 X선 변환재나 빔 파이프에서 유래한 오염물질 또는 재료가 이온 생성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 이온 후류로 흐름이 빔 집중성과 그로 인한 X선 포인트 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 파라데이 컵 측정이 고전류 전자 빔 실험에서 이온 후류로 흐름을 신뢰성 있게 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 공간 전하장에 의해 경량 이온이 몇 mm/ns의 속도로 뒤로 흐르는 것이 관측되었으며, 이는 전자 빔 내에서 발생하였다.
• 이온 전류가 빔 수축 현상을 일으킬 정도로 크며, 이로 인해 X선 변환재 이전에 움직이는 초점이 형성되었다.
• 이온의 원천은 빔 구성 요소의 표면 오염물질 또는 X선 변환재 자체의 재료에서 기인한 것으로 추정되었다.
• 후류로 흐르는 이온이 빔 동역학을 조절하여 시간에 따라 변하는 X선 포인트 특성을 유도하는 것으로 관측되었다.
• 파라데이 컵 측정을 통해 전자 빔-플라즈마 상호작용에서 이온 후류로 흐름에 대한 직접적이고 정량적인 증거를 확보하였다.
• 이러한 발견들은 향후 인덕션 가속기를 기반으로 하는 고강도, 다중 펄스 단층 촬영 시스템에 있어 중요한 과제임을 시사한다.