Low frequency oscillations in U-2M conditioning RF discharges

MHD oscillations were studied in low magnetic field (B₀ = 0.01 T) radio frequency discharges of the URAGAN-2M (U-2M) stellarator. Coherent oscillations are observed by bolometers, triple Langmuir probe microwave interferometer (140 GHz) and magnetic pick-up coils in different toroidal cross-sections of U-2M. Modified diagnostics show, that the plasma beta (β = nT/(μ₀B² )) is rather high in these discharges in spite of the low temperature (Te = 10…50 eV) and density (ne = (0.5…1)∙10¹² cm⁻³ ) due to very low magnetic field. Variation of the magnetic configuration of U-2M substantially modifies fluctuations amplitude, oscillating modes type and frequency. Rotated m = 2 mode is transformed into the Sawtooth-like oscillations in different magnetic configurations. Strong dependence on the magnetic configuration indicates that observed in U-2M phenomena can have similar nature as in stellarator high temperature plasmas.МГД-осциляції плазми вивчалися у високочастотних розрядах стеларатора У-2М при малому магнітному полі (B0 = 0,01 Tл). Когерентні осциляції спостерігаються болометрами, потрійним ленгмюрівським зондом, НВЧ-інтерферометром (140 ГГц) і магнітними зондами в різних тороїдальних перерізах У-2М. Оновлені діагностики показують, що β плазми (β = nT/(μ₀B ² )) досить висока в цих розрядах завдяки низькому магнітному полю, незважаючи на низькі температуру (Te = 10…50 еВ) і густину (ne = (0,5…1)∙10¹² cм⁻³ ). Варіювання магнітної конфігурації У-2М значно змінює амплітуду флуктуацій, тип моди і частоту. Мода m = 2, що обертається, трансформується в пилкоподібні коливання в різних магнітних конфігураціях. Сильна залежність від магнітної конфігурації вказує, що спостережуваний на У-2М ефект може мати схожу природу з процесами, що і аналогічна поведінка осциляцій в гарячій плазмі стелараторів.МГД-осцилляции плазмы изучались в высокочастотных разрядах стелларатора У-2М при малом магнитном поле (B0 = 0,01 Tл). Когерентные осцилляции наблюдаются болометрами, тройным ленгмюровским зондом, СВЧ-интерферометром (140 ГГц) и магнитными зондами в различных тороидальных сечениях У-2М. Обновленные диагностики показывают, что β-параметр (β = nT/(μ₀B ² )) достаточно высок в этих разрядах, несмотря на низкие температуру (Te = 10…50 эВ) и плотность (ne = (0,5…1)∙10¹² cм⁻³ ). Благодаря низкому магнитному полю вариация магнитной конфигурации У-2М значительно изменяет амплитуду флуктуаций, тип моды и частоту. Вращающаяся мода m = 2 трансформируется в пилообразные колебания в различных магнитных конфигурациях. Сильная зависимость от магнитной конфигурации указывает, что наблюдаемый на У-2М феномен может иметь схожую природу с осцилляциями в горячей плазме стеллараторов

Study of wave processes at the initial stage of RF-heating in the Uragan-3M torsatron

The study of wave processes occurring during the initial stage of RF plasma heating in the Uragan-3M torsatron was performed with using movable magnetic and electric probes. The heating was carried out by the frame antenna. The electric probe allowed to register changes of the plasma density profile, while the magnetic probes measured amplitude and phase shifts between all magnetic field components at different points over the plasma column cross-section. The frequency spectrum of magnetic field fluctuations contains the main frequency that coincides with the RF oscillator frequency and higher harmonics. The amplitude of the 2nd harmonic in this mode can be compared with the amplitude of the basic harmonic.С помощью подвижных магнитных и электрических зондов в торсатроне Ураган-3М были изучены волновые процессы, протекающие на начальной стадии ВЧ-нагрева. Нагрев плазмы проводился с помощью “рамочной” антенны. Электрический зонд позволял регистрировать изменение профиля плотности плазмы, а магнитные зонды измеряли амплитуду и сдвиг фаз между всеми компонентами поля в различных точках по сечению плазменного шнура. Частотный спектр регистрируемых колебаний магнитного поля содержит основную частоту, совпадающую с частотой ВЧ-генератора, и более высокие гармоники. Амплитуда второй гармоники в данном режиме может быть сравнима с амплитудой основной гармоники.За допомогою рухливих магнітних і електричних зондів у торсатроні Ураган-3М були вивчені хвильові процеси, що протікають на початковій стадії ВЧ-нагріву. Нагрівання плазми проводилося за допомогою "рамкової" антени. Електричний зонд дозволяв реєструвати зміну профілю щільності плазми, а магнітні зонди вимірювали амплітуду і зрушення фаз між усіма компонентами поля в різних точках по перерізу плазмового шнура. Частотний спектр реєстрованих коливань магнітного поля містить основну частоту, яка збігається з частотою ВЧ-генератора, і більш високі гармоніки. Амплітуда другої гармоніки в даному режимі може бути порівнянна з амплітудою основної гармоніки

Peripheral plasma characteristics in the Uragan-3M torsatron

In the l=3/m=9 Uragan-3M (U-3M) torsatron a hydrogen plasma is produced and heated by RF fields in the Alfvén range of frequencies (ω≤ωci). Peripheral plasma is investigated using two moveable Langmuir probes. Spatial distributions of plasma parameters, Vf, Te and ne in two operating regimes and in three cross-sections are measured. Link between confinement volume and transition layer is shown. RF electric antenna field influence on the probes is discussed.В торсатроне Ураган-3М (У-3М) водородная плазма создается и нагревается ВЧ-полями в области альфвеновских частот (ω≤ωci). Периферийная плазма исследована с помощью двух подвижных ленгмюровских зондов. Пространственные распределения параметров плазмы (Vf, Te и ne) были измерены в двух режимах работы установки в трех полоидальных сечениях. Показано существование связи между областью удержания и переходным слоем. Обсуждается влияние ВЧ-электрического поля антенны на зонд.У торсатроні Ураган-3М (У-3М) воднева плазма створюється та нагрівається ВЧ-полями в області альфвенівських частот (ω≤ωci). Периферійна плазма досліджена за допомогою двох рухомих ленгмюровських зондів. Просторові розподіли параметрів плазми (Vf, Te та ne) були виміряні в двох режимах роботи установки в трьох полоїдальних перерізах. Показано існування зв'язку між областю утримання та перехідним шаром. Обговорюється вплив ВЧ-електричного поля антени на зонд

Characteristic properties of the three-half-turn-antenna-driven RF discharge in the Uragan-3M torsatron

In the λ = 3 Uragan-3M torsatron hydrogen plasma is heated by RF fields in the Ålfven range of frequencies (ω≤ωсi). Plasma with the mean density ‾ne units of 10¹² сm⁻³ is produced by the frame antenna and used as an initial plasma (“target”) to produce and heat a denser plasma (up to ‾ne ~ 10¹³ сm⁻³) by means of the shorter wavelength three-half-turn antenna with azimuthal currents. Characteristics of the three-half-turn-antenna-driven discharge are studied experimentally depending on the RF power fed to the antenna and initial plasma parameters.В трехзаходном торсатроне Ураган-3М водородная плазма создается и нагревается ВЧ-полями в области альфвеновских частот (ω≤ωсi). Плазма со средней плотностью ‾ne единицы 10¹² см⁻³ создается рамочной антенной и используется как исходная для получения и нагрева более плотной плазмы (до ‾ne ~ 10¹³ см⁻³) с помощью более коротковолновой трехполувитковой антенны с азимутальными токами. Экспериментально исследуются характеристики ВЧ-разряда, поддерживаемого трехполувитковой антенной, в зависимости от ВЧ-мощности, подводимой к антенне, и параметров исходной плазмы.У трьохзаходному торсатроні Ураган-3М воднева плазма створюється і гріється ВЧ-полями в області альфвенівських частот (ω≤ωсi). Плазма з середньою щільністю ‾ne одиниці 10¹² см⁻³ створюється рамковою антеною і використовується як початкова для одержання та нагріву щільнішої плазми (до ‾ne ~ 10¹³ см⁻³) за допомогою більш короткохвильової трьохнапіввиткової антени з азимутальними струмами. Експериментально досліджуються характеристики ВЧ-розряду, який підтримується трьохнапіввитковою антеною, в залежності від ВЧ-потужності, що підводиться до антени, та параметрів початкової плазми

Continuous wall conditioning VHF discharge without magnetic field in a toroidal device

Experiments were carried out at Uragan-2M torsaron for wall conditioning without magnetic field. Plasma discharge was created with the same antenna and VHF generator used for weak magnetic field (B0=100 G) wall conditioning. Experiment was carried out during whole wall conditioning period of Uragan-2M experimental campaign. The dynamics of wall conditioning was obtained alongside with standard plasma parameters measurements.На торсатроне Ураган-2М был выполнен модельный эксперимент по чистке стенок вакуумной камеры без магнитного поля. Плазменный разряд создавался той же антенной и СВЧ-генератором, которые использовались для чистки в слабом магнитном поле (B0=100 Гс). Эксперимент проводился на протяжении всего периода чистки во время экспериментальной кампании Урагана-2М. Динамика чистки стенок была получена вместе со стандартными измеряемыми параметрами плазмы.На торсатроні Ураган-2М було проведено модельний експеримент із чистки стінок вакуумної камери без магнітного поля. Плазмовий розряд створювався тією самою антеною та НВЧ-генератором, що використовуються для чистки в слабкому магнітному полі (B0=100 Гс). Експеримент проводився впродовж всього періоду чистки пiд час експериментальної кампанії Урагана-2М. Динаміка чистки стінок була отримана разом із стандартними вимірюваними параметрами плазми

Wall conditioning discharges driven by Т-shaped antenna in Uragan-2M

New VHF antenna was introduced at Uragan-2M for VHF vacuum chamber wall conditioning without and with weak magnetic field. It was made as a T-shaped ¼ wavelength double rod. The T-shaped antenna is capable for slow waves generation due to its longitudinal currents. This new wall conditioning tool was studied analyzing vacuum chamber wall conditions and achieved plasma parameters.Для чистки вакуумної камери Урагану-2М у слабкому магнітному полі і без магнітного поля було впроваджено нову СВЧ-антену. Її було виконано у вигляді чвертьхвильового стрижня. Т-подібна антена здатна створювати повільні хвилі з повздовжніми струмами. Новий інструмент для чистки стінок вивчався через стан вакуумної камери і досягнутих параметрів плазми.Для чистки вакуумной камеры Урагана-2М в слабом магнитном поле и без магнитного поля была внедрена новая СВЧ-антенна. Она была выполнена в виде четвертьволнового стержня. Т-образная антенна способна создавать медленные волны с продольными токами. Новый инструмент для чистки стенок изучался посредством состояния вакуумной камеры и достигнутых параметров плазмы

Radio-frequency plasma start-up at Uragan-3M stellarator

A double frame antenna with a broad spectrum of parallel wavenumbers (with respect to the magnetic field) is used for radio-frequency (RF) plasma production in Uragan-3M stellarator type device. The delay between the start of RF pulse and the discharge development (breakdown (delay) time) is analyzed as functions of the magnetic field strength, neutral gas pressure and anode voltage of the RF generator. The reproducibility of the RF discharges is improved by the pre-ionization by the pulse of the three-half-turn antenna preceding the main RF pulse. The pre-ionization also results in shortening of the breakdown time for the frame antenna. The Langmuir probe measurements are made with two probes located at the plasma edge near and far from the double frame antenna. The measurements give rather high edge electron temperature, about 100 eV, at the initial stage of the frame antenna discharge both near and far from the antenna. The information on the plasma build-up is also given by the Hα chord measurements.Рамочная антенна с широким спектром параллельных волновых чисел (по отношению к магнитному полю) используется для высокочастотного (ВЧ) создания плазмы в установке стеллараторного типа УРАГАН-3М. Задержка между началом ВЧ-импульса и моментом развития разряда (время (задержки) пробоя) анализируется как функции величины магнитного поля, давления нейтрального газа и анодного напряжения ВЧ-генератора. Воспроизводимость ВЧ-разрядов повышается за счёт предварительной ионизации с помощью трёхполувитковой антенны, которая запускается перед основным ВЧ-импульсом. Предварительная ионизация также приводит к уменьшению времени пробоя. Измерения температуры и плотности плазмы выполнены двумя Ленгмюровскими зондами, расположенными на краю плазмы вблизи и вдали от рамочной антенны. Измерения дают достаточно высокую температуру электронов, около 100 эВ, на начальном этапе разряда как вблизи, так и вдали от антенны. Информация о создании плазмы также дают хордовые измерения линии Hα.Рамкова антена з широким спектром паралельних хвильових чисел (по відношенню до магнітного поля) використовується для високочастотного (ВЧ) створення плазми в установці стелараторного типу УРАГАН-3М. Затримка між початком ВЧ-імпульсу і моментом розвитку розряду (час (затримки) пробою) аналізується як функції величини магнітного поля, тиску нейтрального газу і анодної напруги ВЧ-генератора. Відтворюваність ВЧ-розрядів підвищується за рахунок попередньої іонізації за допомогою тринапіввиткової антени, яка запускається перед основним ВЧ-імпульсом. Попередня іонізація також призводить до зменшення часу пробою. Вимірювання температури і густини плазми виконані двома Ленгмюрівськими зондами, розташованими на краю плазми поблизу і на віддаленні від рамкової антени. Вимірювання дають досить високу температуру електронів, близько 100 еВ, на початковому етапі розряду як поблизу, так і на віддаленні від антени. Інформацію про створення плазми також дають хордові вимірювання лінії Hα

Studies of edge turbulence in the Uragan-3M torsatron

Spatial and temporal behavior of the edge fluctuations and their correlation with plasma density behavior inside the confinement region of the Uragan-3M torsatron are investigated. The key role of the radial electric field in turbulent transport suppression is shown.Досліджено динаміку флуктуацій поблизу межі плазми та їх кореляції з поведінкою щільності усередині об’єму утримання а торсатроні Ураган-3М. показана основна роль радіального електричного поля в пригнічені турбулентного потокуИсследована динамика флуктуаций вблизи границы плазмы и их корреляция с поведением плотности внутри объема удержания в торсатроне Ураган-3М. Показана основная роль радикального электрического поля в подавлении турбулентности поток

Influence of movable B₄C-limiter on characteristics of RF discharge plasma in the Uragan-2M torsatron

A variant of the B₄C movable biased pumped limiter for the Uragan-2M torsatron is described. Some results of experiments with the limiter moved from the vacuum chamber wall to the central region of the plasma column in the work mode of Uragan-2M operation are reported. The effect of limiter-plasma interaction on parameters of the RF plasma discharges is discussed.Представлена удосконалена модель рухомого B₄C-лімітера торсатрону Ураган-2М. Викладені і обговорюються попередні результати, отримані в експериментах із взаємодії плазми імпульсних ВЧ-розрядів з лімітером при його русі до центральної області плазмового шнура.Представлена усовершенствованная модель подвижного B₄C-лимитера торсатрона Ураган-2М. Изложены и обсуждаются предварительные результаты, полученные в экспериментах по взаимодействию плазмы импульсных ВЧ-разрядов с лимитером при его движении к центральной области плазменного шнура

A scenario of pulsed ecrh wall conditioning in hydrogen for the Wendelstein 7-X helias

A new wall conditioning scenario in hydrogen atmosphere for the Wendelstein 7-X stellarator-helias (W7-X) has been proposed and tested in part. Feasibility of the proposed scenario has been demonstrated on W7-X at OP1.2b experimental campaign during investigation of a chain of ultra-short pulsed electron cyclotron resonance heating plasma discharges.Був запропонований і випробуваний новий сценарій кондиціонування стінки в атмосфері водню для стеларатора-хеліаса Wendelstein 7-X (W7-X). Застосовано принцип кондиціонування стінок камери атомарним воднем, виробленим в плазмі, який хімічно взаємодіє з домішками, адсорбованими на поверхні камери, зверненої до плазми. Можливість реалізації запропонованого сценарію було підтверджено на W7-X під час експериментальної кампанії OP1.2b при дослідженні ланцюжка ультракоротких імпульсів з нагріванням за допомогою електронного циклотронного резонансу.Был предложен и испытан новый сценарий кондиционирования стенки в атмосфере водорода для стелларатора-хелиаса Wendelstein 7-X (W7-X). Использован принцип кондиционирования стенок камеры атомарным водородом, производимым в плазме, который химически взаимодействует с примесями, адсорбированными на поверхности камеры, обращенной к плазме. Возможность реализации предложенного сценария была подтверждена на W7-X во время экспериментальной кампании OP1.2b при изучении цепочки ультракоротких импульсов в плазме с нагревом в условиях электронного циклотронного резонанса