Innovative design and optimization of plasma chamber for ECR ion sources

The design of resonant cavities and the related microwaves injection lines play a key role in the creation of intense electromagnetic fields, to generate and sustain the magnetized plasma inside Electron Cyclotron Resonance Ion Sources (ECRIS). This thesis presents an alternative to the classical cylindrically shaped plasma chamber consisting in an innovative geometry with an unconventional microwave launching system. Its effect is an improved microwave-to-plasma coupling inside ECRIS with an optimization of the electromagnetic field, leading to a higher power absorbed by the plasma. The geometry has been numerically validated by joining CST Microwave Studios and COMSOL Multiphysics, for the calculation of the electromagnetic fields, and MatLab to implement the plasma through its 3D dielectric tensor. The electromagnetic results are very promising and make the proposed geometry suitable for future ECRIS and related applications.

La progettazione delle cavità risonanti e delle relative linee di iniezione delle microonde svolgono un ruolo fondamentale nella creazione di intensi campi elettromagnetici, per generare e sostenere il plasma magnetizzato all'interno delle sorgenti di ioni di tipo Electron Cyclotron Resonance (ECRIS). Questa tesi presenta un'alternativa alla classica camera al plasma di forma cilindrica costituita da una geometria innovativa con un sistema di lancio di microonde non convenzionale. Il suo effetto è un migliore accoppiamento microonde-plasma all'interno delle sorgenti ECR con un'ottimizzazione del campo elettromagnetico, che porta ad una maggiore potenza assorbita dal plasma. La geometria è stata validata numericamente con i programmi CST Microwave Studios e COMSOL Multiphysics, per il calcolo dei campi elettromagnetici, e MatLab per implementare il plasma attraverso il suo tensore dielettrico 3D. I risultati elettromagnetici sono molto promettenti e rendono la geometria proposta adatta alle future sorgenti ECR e relative applicazioni correlate.