Az elektron-ciklotronrezonanciás (ECR) ionforrások (ECRIS) kiemelkedő és sok esetben egyedülálló tulajdonságaiknak köszönhetően a világ számos pontján állítanak elő és szolgáltatnak nagytöltésű, nehézion nyalábot nagyenergiájú részecskegyorsítók (ciklotronok, szinkrotronok, tárológyűrűk) számára. A nagyteljesítményű 2-20 GHz-es frekvenciájú mikrohullámú sugárzással plazmát gerjesztő berendezések fejlesztésének világszerte elsődleges célja a lehető legnagyobb töltésállapotú és intenzitású ionnyaláb előállítása, gyorsítóba való juttatása, kis hatáskeresztmetszetű atom-, mag- és részecskefizikai folyamatok vizsgálatához. Az ilyen típusú ionforrások azonban néhány esetben alacsony energiás részecskegyorsítóként működnek, lefedve olyan energiatartományokat, melyek atomfizikai kísérletekhez eleddig elérhetetlenek voltak. Az Atommagkutató Intézet (ATOMKI) ECR ionforrása, melyen kutató munkámat végeztem, egy modularitásának és (nagyenergiájú részecskegyorsítótól való) függetlenségének köszönhetően rendkívül változatos alkalmazási lehetőségekkel bíró ion- és plazmaforrás. Kiváló lehetőséget biztosít plazmafizikai, anyagtudományi és alacsony energiás atomfizikai kutatások elvégzésére. Így tehát ez a berendezés nem csak kutatásaink eszköze, hanem tárgya is. A disszertációm alapjául szolgáló kutatómunkám két jól elkülöníthető és mégis szorosan összefüggő csoportba sorolható. Az egyik rész a standard üzemmódoktól merőben eltérő, a forrás technikai módosítását igénylő nyaláb- és műszaki fejlesztés. A másik pedig az ionforrás plazmájának mélyebb megértését célzó plazmafizikai kutatások. Az atomfizikai és anyagtudományi kísérletek által szorgalmazott nyalábfejlesztési munkáim során az ionválaszték bővítésének szükségességén túl mindvégig fontosnak tartottam egy másik szempontot is. Az eredményeket elemző hozzáállással (a technikai fejlesztéseken túlmenően, a folyamatok hátterét megértve) és a berendezés jelentős módosítása nélkül kívántam elérni.
Disszertációm gerincét az ionforrás plazmájának többféle módszerrel történő vizsgálata alkotja. A plazmában lejátszódó folyamatok pontosabb megértését célzó kísérleteket, plazmadiagnosztikai vizsgálatokat végeztem. A mindenkori ATOMKI ECR csoport kutatási témáinak színes palettáján előkelő helyet foglalnak el ezek a típusú kísérletek. Az ECR plazmák diagnosztikai vizsgálatának két nagy csoportját különböztetjük meg: lokális és globális plazmadiagnosztika. Munkám során a második módszert alkalmaztam. A globális plazmadiagnosztika a plazmában lejátszódó folyamatok (elektron-atom, elektron-ion, ion-atom, ion-ion ütközések) következtében igen széles energiasávban (infravörös, láthatófény, ultraibolya és röntgen) kibocsátott elektromágneses sugárzások vizsgálatán alapul. Ezen sugárzások detektálásával és elemzésével, a folyamatokba történő direkt beavatkozás nélkül nyerhetünk két-, esetleg háromdimenziós információt a plazmát alkotó komponensek térbeli eloszlásáról. A diagnosztikai eredmények értelmezése az ECR plazmát jellemző különböző paraméterekkel rendelkező és egymással komplex csatornákon együttható részecskék nagy száma miatt számítógépes modellezéssel történik. A plazmadiagnosztika területén elért eredményeim helyes interpretálását az ECR csoport által korábban kifejlesztett, a plazma elektronkomponensének háromdimenziós energia- és térbeli eloszlását szimuláló, önmagában is diagnosztikai feladatokat ellátó TrapCAD program segítette. The ECR (Electron Cyclotron Resonance) ion sources (ECRIS) all over the world provide highly charged heavy ion beams for high energy particle accelerators (cyclotrons, synchrotrons, storage rings) because of their favorable and unique features. The plasma is heated up by the externally coupled high-power microwave in the 2-20 GHz region. The main aim of the developments of the ECRISs is to produce as high intensity and as highly charged ion beams as possible for investigation of the processes of atomic, nuclear and particle physics with low cross sections.
However, in some cases they operate as independent devices to deliver low energy ion beams for atomic physics research. The ECR ion source of the Institute for Nuclear Research (ATOMKI) is a multipurpose stand-alone device opening the possibility to produce various plasmas and ion beams for many applications e.g. plasma physics research, material science and atomic physics research. According to this point of view the ATOMKI ECRIS is highly suitable to be investigated and to use it for research projects at the same time. My thesis work can be divided into two different but strongly related parts. The first one is the technical and beam development of the ATOMKI ECRIS, requiring the technical modification of the source. The second part corresponds to my research activities in the field of ECR plasma diagnostic research. In the frame of the technical and beam developments research I concentrated to extend the choice of the ion beams for atomic physics research and for material research. However, during my work I kept always in mind that our aim is to produce such kind of ions with analytic attitude (not only concentrate to the technical part, but try to give explanation of the background) and without any major modification on the source. The most significant part of my thesis concentrates to the investigation of the plasma of the ion source by different methods. In order to understand better the properties of the plasmas diagnostic research was performed. It always had great importance in our laboratory. The experimental investigation of the ECR plasma can be divided into two main groups: local and global diagnostic methods. In my thesis work I used the last one. It is based on the fact that the plasmas emit radiation in the infrared (IR), visible light (VL), ultraviolet (UV), and X-ray (XR) regions of the electromagnetic spectrum. Measurement and analysis of photos and spectra taken in any of these regions give an important and new insight into the plasma structure and into the density distribution of the different components of the plasma. Because of the high number of the plasma particles and of the many kinds of interaction that take place between them, the theoretical interpretation of the experimental results is usually given by using simulation codes. The interpretation of my results was given by using the TrapCAD code. The TrapCAD is simulation program which can calculate and visualize the energy and density distribution of the electron component of the ECR plasma in three dimensions.