Investigation on the Microwave-based techniques to improve the performances of the Electron Cyclotron Resonance Ion Sources

The Electron Cyclotron Resonance Ion Sources (ECRISs) are suitable devices to produce intense beams of highly charge state ions in a reliable and continuous way for the accelerator facilities. In the last years, new techniques have been evaluated in order to improve the performances of the existing ECRISs or of those under development. The variation of the microwave frequency and the multiple injection of two electromagnetic waves at different frequencies into the ion source are promising aspects for suchlike improvement. These techniques, based on the different electromagnetic field patterns which can be excited inside an ECRIS and on the improvement of the microwave coupling between the electromagnetic waves and the magnetically confined plasma, have been analyzed within this research work. We carried out most of the experimental investigations with the CAPRICE ECRIS installed at GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH, and the achieved results turned out to be important both for the scientific relevance and for the development of new ECR Ion Sources. The theoretical and experimental investigations presented within this research work provided useful explanations on the performance enhancement of the ECRISs, in terms of production of more intense beams of highly charged ions.

Le sorgenti di ioni di tipo ECR (Electron Cyclotron Resonance) si sono rivelate molto importanti per la produzione continua ed affidabile di fasci intensi di ioni ad alto stato di carica destinati alle facilities di acceleratori di particelle. Recentemente, nuove tecniche sono state sviluppate per migliorare le prestazioni delle sorgenti ioniche esistenti e di quelle in fase di sviluppo. La variazione della frequenza delle microonde e l iniezione di due onde elettromagnetiche a frequenza diversa nella sorgente di ioni sono due aspetti importanti per tale miglioramento. Queste tecniche, basate sulle diverse distribuzioni di campo elettromagnetico che possono essere eccitate dentro una sorgente ECR e sul miglioramento dell accoppiamento a microonde tra le onde elettromagnetiche e il plasma magneticamente confinato, sono state analizzate in questa tesi. Abbiamo condotto la maggior parte degli esperimenti con la sorgente ECR CAPRICE istallata al GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH e i risultati conseguiti si sono rivelati importanti sia dal punto di vista scientifico che per lo sviluppo di nuove sorgenti ECR. Le analisi teoriche e sperimentali presentate con questo lavoro di tesi hanno fornito infatti utili spiegazioni sull aumento delle prestazioni di tali sorgenti di ioni in termini di produzione di fasci più intensi di ioni a più alto stato di carica.