Influence of microwave driver coupling design on plasma density at Testbench for Ion sources Plasma Studies, a 2.45 GHz Electron Cyclotron Resonance Plasma Reactor

Abstract

Un estudio comparativo de dos sistemas de controladores de microondas (preliminar y optimizado) para un hidrógeno de 2,45 GHz Se ha realizado un generador de plasma de resonancia ciclotrónica de electrones. comportamiento y parámetros de la distribución del campo eléctrico estacionario en el vacío, es decir, justo antes de la ruptura, a lo largo de todo el sistema de excitación de microondas se analiza. Simulaciones 3D de resonancia eléctrica estacionaria distribuciones de campo, simulaciones 2D de mapeo de campo magnético externo, mediciones experimentales de potencia entrante y reflejada, y temperatura y densidad de electrones a lo largo del eje de la cámara de plasma Se han llevado a cabo. Mediante el uso de estas herramientas, un conjunto optimizado de cámara de plasma y acoplador de microondas ha sido diseñado prestando especial atención a la optimización del valor del campo eléctrico estacionario en el centro de la cámara de plasma. Este sistema muestra una fuerte estabilidad en el comportamiento del plasma permitiendo una gama más amplia de parámetros operativos e incluso mantener la formación de plasma de baja densidad sin campo magnético externo. Además, el sistema optimizado muestra la capacidad de producir valores de densidad plasmática cuatro veces mayor que la preliminar como consecuencia de una penetración más profunda de la superficie de resonancia magnética en una zona de campo eléctrico relativamente alto manteniendo la estabilidad del plasma. El incremento de la cantidad de superficie de resonancia incrustada en el plasma bajo un campo eléctrico alto es sugerido como factor clave.

A comparative study of two microwave driver systems (preliminary and optimized) for a 2.45 GHz hydrogen Electron Cyclotron Resonance plasma generator has been conducted. The influence on plasma behavior and parameters of stationary electric field distribution in vacuum, i.e., just before breakdown, along all the microwave excitation system is analyzed. 3D simulations of resonant stationary electric field distributions, 2D simulations of external magnetic field mapping, experimental measurements of incoming and reflected power, and electron temperature and density along the plasma chamber axis have been carried out. By using these tools, an optimized set of plasma chamber and microwave coupler has been designed paying special attention to the optimization of stationary electric field value in the center of the plasma chamber. This system shows a strong stability on plasma behavior allowing a wider range of operational parameters and even sustaining low density plasma formation without external magnetic field. In addition, the optimized system shows the capability to produce values of plasma density four times higher than the preliminary as a consequence of a deeper penetration of the magnetic resonance surface in relative high electric field zone by keeping plasma stability. The increment of the amount of resonance surface embedded in the plasma under high electric field is suggested as a key factor.