We review the current understanding of high charge state ion confinement and ion temperature in Electron Cyclotron Resonance Ion Sources (ECRIS). Experiments probing the ion confinement time of various charge states strongly favour a confinement scheme where the high charge state ions are trapped in a local dip of the ambipolar plasma potential. The electrostatic confinement permits ion confinement times of 10 ms order-of-magnitude. The dwelling time of the ions, undergoing stepwise ionisation from neutrals to high charge states, is long enough for the energy transfer from the plasma electrons to heat the ions to 10–15 eV while the energy exchange in ion–ion collisions results in all charge states having essentially the same temperature. We then describe a technique, using the ion temperatures obtained through optical emission spectroscopy and afterglow transient beam currents, to estimate the magnitude of the potential dip. In our example, measured with a 14 GHz ECRIS the value of the potential dip is 1.3–1.9 V. We demonstrate that the temporal characteristics of the afterglow transient occurring in 1 ms scale can be estimated by assuming that the afterglow peak of high charge state ion currents is caused by a change of the ion confinement scheme from electrostatic trapping to random walk diffusion resulting in order-of-magnitude reduction of the ion confinement time.
我々は、電子サイクロトロン共鳴イオン源(ECRIS)における高電荷状態イオンの閉じ込めとイオン温度に関する現在の理解を概説する。様々な電荷状態のイオン閉じ込め時間を探査する実験は、高電荷状態イオンが両極性プラズマ電位の局所的なディップに捕獲される閉じ込めスキームを強く支持する。静電閉じ込めにより、イオン閉じ込め時間は10 msオーダーが可能になる。中性原子から高電荷状態への段階的电離を受けるイオンの滞在時間は、プラズマ電子からのエネルギー移動がイオンを10–15 eVに加熱するのに十分な長さであり、一方、イオン–イオン衝突におけるエネルギー交換により、全ての電荷状態が本質的に同じ温度を持つことになる。次に、光学発光分光法とアフターグロー過渡ビーム電流によって得られたイオン温度を用いて、電位ディップの大きさを推定する手法を説明する。我々の例では、14 GHz ECRISで測定された電位ディップの値は1.3–1.9 Vである。1 msスケールで発生するアフターグロー過渡現象の時間特性は、高電荷状態イオン電流のアフターグローピークが、イオン閉じ込めスキームの静電捕獲からランダムウォーク拡散への変化によって引き起こされ、その結果イオン閉じ込め時間が桁違いに短縮されることを仮定することで推定できることを実証する。