Study of gams and related turbulent particle flux with hibp in the T-10 tokamak

The new findings in the behavior of geodesic acoustic modes (GAMs) and turbulent particle flux dynamics on the T-10 tokamak are presented. For the first time in T-10 the broadband oscillations ( 0.8, the dominated GAM peak with frequency ~ 14 kHz and noticeable peak of quasi-coherent oscillations in the frequency band 40…100 kHz were observed. The multichannel HIBP measurements were performed to measure poloidal electric field Epol and to retrieve the electrostatic turbulent radial particle flux driven by E×B drift. The preliminary experiment shows that in contrast to the power spectral density of plasma potentials, GAM peak was almost invisible in the Epol power spectrum and on the frequency resolved turbulent particle flux. These results are consistent with the general concept of GAM as a high-frequency branch of zonal flows, having symmetric poloidal structure of potential perturbation, which were supported by earlier observation of poloidal mode number m=0 in T-10.Представлены новые результаты исследований геодезических акустических мод (ГАМ) и турбулентного потока частиц на токамаке T-10. Впервые на Т-10 в разрядах с омическим и ЭЦР-нагревом (Bt = 1,6…2,4 Tл, Ipl = 0,15…0,3 MA, n‾e = (0.6…5)×10¹⁹ m⁻³) в горячей зоне плазмы с помощью зондирования пучком тяжёлых ионов (ЗПТИ) измерены широкополосные колебания электрического потенциала и плотности с частотами до 250 кГц. На периферии, r/a > 0,8, наблюдался преобладающий пик ГАМ с частотой ~ 14 кГц и заметный пик квазикогерентных колебаний с частотами 40…100 кГц. Многоканальные ЗПТИ измерения позволили оценить полоидальное электрическое поле Epol и найти радиальный электростатический турбулентный поток частиц, возбуждаемый E×B дрейфом. Предварительные эксперименты показали, что ГАМ пик виден на спектре колебаний потенциала, но практически не виден на спектре Epolи на частотно разрешённом потоке частиц. Эти результаты согласуются с общей теоретической концепцией, что ГАМ – это высокочастотная ветвь зональных потоков с симметричной полоидальной структурой возмущений потенциала, а также с прежними наблюдениями полоидального модового числа m = 0.Представлено нові результати досліджень геодезичних акустичних мод (ГАМ) і турбулентного потоку часток на токамаці T-10. Вперше на Т-10 в розрядах з омічним і ЕЦР-нагрівом (Bt = 1,6…2,4 Tл, Ipl = 0,15...0,3 MA, n‾e = (0.6…5)×10¹⁹ m⁻³) у гарячій зоні плазми за допомогою зондування пучком важких іонів (ЗПВІ) виміряні широкосмугові коливання електричного потенціалу та щільності з частотами до 250 кГц. На периферії, r/a > 0,8, спостерігався переважаючий пік ГАМ з частотою ~ 14 кГц і помітний пік квазікогерентних коливань з частотами 40…100 кГц. Багатоканальні ЗПВІ виміри дозволили оцінити полоїдальне електричне поле Epol і знайти радіальний електростатичний турбулентний потік часток, збуджуваний E×B дрейфом. Попередні експерименти показали, що ГАМ пік видно на спектрі коливань потенціалу, але практично не видно на спектрі Epol і на частотно дозволеному потоці часток. Ці результати узгоджуються із загальною теоретичною концепцією, що ГАМ - це високочастотна гілка зональних потоків з симетричною полоїдальною структурою обурень потенціалу, а також з колишніми спостереженнями полоїдального модового числа m = 0

Study of poloidal structure of geodesic acoustic modes in the T-10 tokamak with heavy ion beam probing

The poloidal structure of geodesic acoustic modes (GAMs) was studied on the T-10 tokamak by heavy ion beam probing with multichannel energy analyzer. GAMs were mainly pronounced on the plasma electric potential. The poloidal phase shift between the potential oscillations was determined by the two-point correlation technique. It was shown that GAM potential oscillations have the poloidal mode number m=0 in the core plasma. This experimental result agrees with theoretical predictions.На токамаке T-10 с помощью пучка тяжелых ионов исследована полоидальная структура геодезических акустических мод (ГАМ), которые явно видны на потенциале плазмы. Фазовый сдвиг между колебаниями потенциала определялся методом двухточечной корреляции с помощью многоканального энергетического анализатора. Показано, что ГАМ на потенциале имеют полоидальное модовое число m=0. Этот экспериментальный результат согласуется с теоретическими предсказаниями.На токамаці T-10 за допомогою пучка важких іонів досліджена полоїдальна структура геодезичних акустичних мод (ГАМ), що явно видно на потенціалі плазми. Фазове зміщення між коливаннями потенціалу визначається методом двохточечної кореляції за допомогою багатоканального енергетичного аналізатора. Показано, що ГАМ на потенціалі мають полоїдальное модове число m=0. Цей експериментальний результат узгоджується з теоретичними передбаченнями

The development of light ion injector for the plasma diagnostic system based on beam emission spectroscopy

The development of light ion injector and neutralizer for the BES plasma diagnostic system and its first experimental results are presented in this work. This injector will be used for neutral beam plasma diagnostic systems. Diagnostic systems based on neutral beams of Li or Na atoms can be used to study the spatial plasma density profiles, impurity ions and magnetic field distribution in the border region of the plasma fusion devices. This method is based on the detection of the probe beam glow of atoms excited by the plasma electrons. These diagnostic systems consist of two main parts – the neutral beam injector (including the ion beam accelerator and neutralizer) and the secondary light signal registration system. Light ion beam accelerator based on the five-electrode ion-optical system, in contrast to the classical three-electrode system, delivers beams of lithium or sodium with current 3…5 mA at a beam energy 20…25 keV. The neutralizer is based on the supersonic jet of sodium vapor formed by Laval nozzle. The first experiments of neutralizing the ion beam with a transverse supersonic atomic jet was done.Представлена разработка инжектора легких ионов и нейтрализатора для ПЭС-системы диагностики плазмы и первые экспериментальные результаты. Этот инжектор будет использован для диагностики плазмы с помощью пучка нейтральных атомов. Диагностические системы, основанные на нейтральных пучках атомов Li или Na, могут быть использованы для исследования пространственных профилей плотности плазмы, примесей ионов и распределения магнитного поля в пограничных областях плазмы термоядерных установок. Этот метод основан на регистрации свечения атомов зондирующего пучка, возбуждаемых электронами плазмы. Эти диагностические системы состоят из двух основных частей: инжектора нейтральных атомов (включающего ускоритель пучка ионов и нейтрализатор) и системы регистрации излучения. Ускоритель легких ионов, базирующийся на пятиэлектродной ионно-оптической системе, в отличие от классической трехэлектродной, позволяет получать пучки ионов лития или натрия с током 3…5 мА при энергии пучка 20…25 кэВ. Нейтрализатор основан на сверхзвуковой струе паров натрия, формируемой с помощью сопла Лаваля. Проведены первые эксперименты по нейтрализации пучка ионов с помощью поперечной сверхзвуковой струи.Представлена розробка інжектора легких іонів і нейтралізатора для системи ПЕС діагностики плазми та перші експериментальні результати. Цей інжектор буде використаний для діагностики плазми за допомогою пучка нейтральних атомів. Діагностичні системи, засновані на нейтральних пучках атомів Li або Na, можуть бути використані для дослідження просторових профілів густини плазми, домішкових іонів і розподілу магнітного поля в приграничних областях плазми термоядерних установок. Цей метод заснований на реєстрації світіння атомів зондуючого пучка, збуджуваних електронами плазми. Ці діагностичні системи складаються з двох основних частин: інжектора нейтральних атомів (що включає прискорювач пучка іонів і нейтралізатор) та системи реєстрації випромінювання. Прискорювач легких іонів, який базується на п’ятиелектродній іонно-оптичній системі, на відміну від класичної трьохелектродної, дозволяє отримувати пучки іонів літію або натрію зі струмом 3…5 мА при енергії пучка 20…25 кеВ. Нейтралізатор заснований на надзвуковому струмені пари натрію, формованої за допомогою сопла Лаваля. Проведені перші експерименти з нейтралізації пучка іонів за допомогою поперечного надзвукового струменя

HIBP diagnostic injectors for Uragan-2M and TJ-II stellarators

The testing and first operations of the Heavy Ion Beam Probe (HIBP) plasma diagnostic injectors for stellarator Uragan-2M and TJ-ІІ is presented in this work. The increasing of plasma density in modern fusion devices up to (3...7)×10^19m^-3 (TJ-ІІ and T-10) leads to huge probing ion beam absorption in central plasma area. One way to obtain the HIBP information from plasma centre is the increasing of primary ion beam current. A new modification of HIBP injectors for TJ-ІІ and Uragan 2M stellarators was developed and tested in IPP NSC KIPT with energy up to 100 keV and ion current up to 300 μA

Features of HIBP diagnostics application to stellarator-like devices

Features of heavy ion beam probe application to stellarator-like devices have been connected with specific stellarator characteristics: zero (negligible) plasma current, relatively high poloidal and stray magnetic fields, toroidal asymmetry of magnetic surfaces and various operational regimes connected with different magnetic configurations. This paper shows how to decrease the errors in HIBP measurements due to these disadvantages. Absence of the plasma current in stellaratorlike devices gives possibility to make secondary ion beam energy analyzer calibration in situ in each plasma shot. This advantage improves accuracy of plasma potential measurements by HIBP diagnostic on TJ-II stellarator.Можливості застосування діагностики плазми за допомогою пучка важких іонів у пристроях стеллараторного типу зв’язанізі специфічними характеристиками стеллараторів: практично нульовий струм плазми, відносно високізначення полоідальних і розсіяних магнітних полів, тороідальна асиметрія магнітних поверхонь; і різними режимами роботи з різними магнітними конфігураціями. Показано, як можна знизити рівень похибок НІВР вимірювань, зв’язаних з цими несприятливими умовами. Відсутність струму плазми у пристроях стеллараторного типу дає можливість проводити калібровку аналізатора енергій вторинного пучка іонів у кожному плазмовому розряді. Це дозволяє збільшити точність вимірювань потенціалу плазми за допомогою пучка важких іонів на стеллараторі TJ-II.Возможности применения диагностики плазмы с помощью пучка тяжелых ионов в установках стеллараторного типа связаны со специфическими характеристиками стеллараторов: практически нулевой ток плазмы, относительно высокие значения полоидальных и рассеянных магнитных полей, тороидальная ассиметрия магнитных поверхностей; и различными режимами работы с разными магнитными конфигурациями. Показано, как можно снизить уровень ошибок HIBP измерений, вызванных этими неблагоприятными условиями. Отсутствие тока плазмы в установках стеллаторного типа дает возможность проводить калибровку анализатора энергий вторичного пучка ионов непосредственно в каждом плазменном разряде. Это позволяет увеличить точность измерения потенциала плазмы с помощью пучка тяжелых ионов на стеллараторе TJ-II

Heavy ion beam probe design study for TCABR

The Heavy Ion Beam Probe (HIBP) diagnostic is known as a unique tool for the direct plasma electric potential measurements. It gives also information on plasma density, temperature and current profile. The method is based on the injection of single charged ion beam into the plasma and the registration of the double charged particles born due to collisions with the plasma electrons. The area of the ionization in plasma is the sample volume of the plasma potential measurements. The position and the size of the sample volume are determined by the calculation of the trajectories of the probing particles. Three schemes have been analysed: Cs⁺, Tl⁺ ion and neutral injection for TCABR parameters: B0 = 1.5 T, Ipl = 135 kA. The calculations show that ion probing allows getting radial profiles of TCABR plasma parameters with the injection angle fast scan system. In all cases of ion beam injection we must use a curved beam line for ion beam transportation from last steering plates towards upper port. The primary ion beam injector must be situated out of high magnetic field area and its length is about 1.5m. The energy range (less than 100 keV for Cs⁺, or Tl⁺) allows using compact and cheap ion gun equipmenСистема зондування плазми пучком важких іонів відома як унікальний інструмент для прямих вимірювань потенціалу плазми. Вона також дозволяє одержувати інформацію про густину плазми, температуру і профіль току. Метод заснований на інжекції пучка однозарядних іонів у плазму та реєстрації двозарядних часток, утворених у результаті зіткнень з електронами плазми. Область іонізації у плазмі визначає елементарний об’єм, у якому здійснюється вимірювання потенціалу плазми. Положення і розмір елементарного об’єму визначається за допомогою розрахунків траєкторій зондуючих часток. Проаналізовано три варіанти: інжекція іонів Cs⁺, Tl⁺ та нейтральних атомів для параметрів TCABR: B0 = 1.5 T, Ipl = 135 кA. Розрахунки показують можливість одержання профілів параметрів плазми TCABR за допомогою системи швидкого сканування по кутам інжекції іонного пучка. У всіх випадках інжекції іонного пучка необхідно застосування вигнутого іонопроводу для транспортування іонного пучка від вихідних відхиляючих пластин до порту токамака. Інжектор первинного іонного пучка повинен бути розташований поза областю сильного магнітного поля , а його довжина буде біля 1,5 м. Енергія іонного пучка (біля 100 кеВ для Cs⁺ або Tl⁺) дозволяє застосувати компактний и дешевий іонний інжектор.Система зондирования плазмы пучком тяжелых ионов известна как уникальный инструмент для прямых измерений потенциала плазмы. Она так же позволяет получать информацию о плотности плазмы, температуре и профиле тока. Метод основан на инжекции пучка однозарядных ионов в плазму и регистрации двухзарядных частиц, образующихся в результате столкновений с электронами плазмы. Область ионизации в плазме определяет элементарный объем, в котором происходит измерение потенциала плазмы. Положение и размер элементарного объема определяются с помощью расчета траекторий зондирующих частиц. Проанализировано три варианта: инжекция ионов Cs⁺, Tl⁺ и нейтральных атомов для параметров TCABR: B0 = 1.5 T, Ipl = 135 kA. Расчеты показывают возможность получения профилей параметров плазмы TCABR с помощью системы быстрого сканирования по углу инжекции ионного пучка. Во всех случаях инжекции ионного пучка необходимо использование изогнутого ионопровода для транспортировки ионного пучка от выходных отклоняющих пластин до порта токамака. Инжектор первичного ионного пучка должен быть расположен вне области сильного магнитного поля , а его длина составит около 1,5 м. Энергия ионного пучка (около 100 кэВ для Cs⁺ или Tl⁺) позволяет использовать компактный и дешевый ионный инжектор

New capabilities of plasma potential and density measurements using a dual heavy ion beam probing (HIBP) diagnostic in the TJ-II stellarator

The unique capabilities of the dual HIBP system allow the investigation of multi-scale mechanisms to be expanded from the plasma edge to the plasma core in the TJ-II stellarator. Experiments with combined NBI and ECRH heating have shown direct experimental evidence of the influence of ECRH on turbulent mechanisms, increasing the level of fluctuation, on the amplitude of Long-Range-Correlations (LRC) as proxy of Zonal Flows (ZFs) for potential fluctuations but not for density and poloidal magnetic fluctuations and on neoclassical radial electric fields. Whereas ECRH influences the level of fluctuations in a wide range of plasma densities, ECRH induced reversal of the neoclassical radial electric field has been observed only in low-density plasmas. The TJ-II unique experimental capabilities would allow validation of nonlinear saturation of turbulence simulations (e.g. TEM), including quantitative assessments of discrepancies (e.g. level of fluctuations, correlation lengths and interplay with ZFs) between theoretical and experimental results.Уникальные возможности двойной системы ЗПТИ позволяют расширить исследование влияния мульти-масштабных механизмов удержания от границы до центра плазмы в стеллараторе TJ-II. Эксперименты с комбинированным нагревом нейтральным пучком и электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) показали прямое экспериментальное доказательство влияния ЭЦР на турбулентные механизмы, приводящие к увеличению уровня флуктуаций, амплитуды дальних корреляций (как показатель зональных течений) для колебаний потенциала, неоклассического радиального электрического поля, но не для колебаний плотности плазмы и полоидального магнитного поля. В то время как ЭЦР влияет на уровень флуктуаций в достаточно широком диапазоне плотностей плазмы, индуцированный ЭЦР-переворот неоклассического радиального электрического поля наблюдается только для плазмы с низкой плотностью. Уникальные экспериментальные возможности TJ-II позволили бы проверку численного моделирования нелинейного насыщения турбулентности (например, TEM), включая количественные оценки в расхождении (например, амплитуды колебаний, длины корреляции и их взаимодействие с зональными потоками) между теоретическими и экспериментальными результатами.Унікальні можливості подвійної системи ЗПВІ дозволяють розширити дослідження впливу багатомасштабних механізмів утримання з периферії до центру плазми в стелараторі TJ-II. Експерименти з комбінованим нагрівом нейтральним пучком і електронно-циклотронним резонансом (ЕЦР) показали пряме експериментальне підтвердження впливу ЕЦР на турбулентні механізми, що приводять до збільшення рівня флуктуацій, амплітуди далеких кореляцій (як показник зональних течій) для коливань потенціалу, неокласичного радіального електричного поля, але не для коливань густини плазми і полоідального магнітного поля. У той час як ЕЦР впливає на рівень флуктуацій в досить широкому діапазоні густини плазми, індукований ЕЦР-переворот неокласичного радіального електричного поля спостерігається тільки для плазми з низькою густиною. Унікальні експериментальні можливості TJ-II дозволили б перевірку чисельного моделювання нелінійного насичення турбулентності (наприклад, TEM), включаючи кількісні оцінки в розходженні (наприклад, амплітуди коливань, довжини кореляції і їх взаємодія з зональними потоками) між теоретичними і експериментальними результатами

The first operation of the heavy ion beam probing diagnostic (HIBP) on the Uragan-2M torsatron

The Heavy Ion Beam Probing (HIBP) diagnostic system has been installed and operates now on the Uragan-2M torsatron for the first time in Ukraine. The cesium ion beam with energy range of 17…120 keV and ion current of 10…150 μA was used in the first experiments for tracing the probing beam through torsatron magnetic field (0.39…0.4 T). The secondary ion beam with intensity in the range of 30…100 nA was detected on the first deflecting plate of the secondary beam-line according to preliminary calculations by using 80 keV primary beam energy and 100 μA of primary ion current. The primary beam with energy range of 17…20 keV (Ibeam≈10 μA) was traced through torsatron magnetic field towards the analyzer detection plates.Впервые в Украине введена в строй система диагностики плазмы с помощью пучка тяжелых ионов на торсатроне Ураган-2М. В первых экспериментах по проведению зондирующего пучка через магнитное поле торсатрона (0,39…0,4 Тл) использовался первичный пучок ионов цезия с энергией 17…120 кэВ и током 10…150 мкА. В соответствии с ранее проведенными расчетами осуществлена регистрация двукратного ионизованного пучка ионов цезия на первую отклоняющую пластину вторичного ионопровода (ток 30…100 нА) при энергии первичного пучка 70…80 кэВ и токе 100 мкА. Осуществлено проведение первичного пучка с энергией 17…20 кэВ (ток 10 мкА) через магнитное поле торсатрона до детекторных пластин анализатора.Вперше в Україні введено в дію систему діагностики плазми за допомогою пучка важких іонів на торсатроні Ураган-2М. У перших експериментах з проведення зондувального пучка крізь магнітне поле торсатрона (0,39… 0,4 Т) застосовано первинний пучок іонів цезію з енергією 17…120 кеВ та струмом 10…150 мкА. Згідно з попередніми розрахунками проведено реєстрацію вторинного пучка на першу пластину, яка відхиляє іони у вторинному іонопроводі (струм 30…100 нА) а енергії первинного пучка 70…80 кеВ та струму іонів 100 мкА. Здійснено проведення первинного пучка з енергією 17…20 кеВ (струм 10 мкА) крізь магнітне поле торсатрона до детекторних пластин аналізатора

Study of plasma potential, its fluctuations and turbulence rotation in the T-10 tokamak

Plasma potential, its oscillations and turbulence rotation were studied on T-10 in a wide range of ohmic and ECRH regimes. The potential has negative sign over the whole plasma cross section. Broadband turbulence tends to rotate with E×B drift velocity. Rotation and potential evolve together with plasma confinement. Frequency of potential oscillations in the range of geodesic acoustic modes does not change with radius that disagrees with theoretical predictions.Потенциал плазмы, его колебания и вращение исследовались на токамаке T-10 в широком диапазоне омических и ЭЦР-режимов. Потенциал – отрицательный по всему сечению плазмы. Вращение турбулентности соответствует вращению за счет (E×B)-дрейфа. Вращение и потенциал чувствительны к изменениям удержания. Частота колебаний потенциала в диапазоне геодезических акустических мод не меняется по радиусу, что не соответствует локальной теории ГАМ.Потенціал плазми, його коливання та обертання було досліджено на токамаці Т-10 у широкому діапазоні омічних та ЕЦР-режимів. Потенціал має негативну величину по всьому перетину плазми. Обертання турбуленції відповідає обертанню за рахунок (E×B)-дрейфу. Обертання і потенціал чутливі до зміни утримання. Частота коливань потенціалу у діапазоні геодезичних акустичних мод ні змінюється в залежності від радіусу, що не відповідає локальній теорії ГАМ