The study of the radial location of quasi-coherent modes by heavy ion beam probe in the TJ-II stellarator

Recent experiments in low magnetic shear flexible heliac TJ-II have shown that steady frequency and chirping Alfvén Eigenmodes take place with 100 kHz< fAE <300 kHz at both pure NBI and combined ECR and NBI heated plasmas with low line-averaged density ne = (0.3…1.5)×10¹⁹ m⁻³ at Low Field Side (LFS) and High Field Side (HFS) of the plasma column. Furthermore, several types of low-frequency modes with f < 30 kHz, such as suprathermal electrostatic modes, tearing-like modes, quasicoherent modes with long-range potential correlations, were also observed. Power spectra for electrostatic and electromagnetic oscillations for all types of modes are presented along with their spatial location detected by dual Heavy Ion Beam Probe (HIBP).Експерименти на стелараторі TJ-II показують, що альфвеновські моди у частотному діапазоні 100 кГц< fAE <300 кГц збуджуються в режимах з інжекцією пучка нейтральних атомів, а також в режимах з комбінованим ЕЦР-нагріванням і нейтральною інжекцією при середньохордовій густині електронів ne = (0,3 … 1,5)×10¹⁹ м⁻³. Моди збуджуються як на стороні слабкого, так і на стороні сильного поля. Крім того, у плазмі TJ-II спостерігаються моди з частотами f <30 кГц, а саме моди, що збуджуються швидкими електронами, тірінг-подібні моди, а також моди, що характеризуються далекими кореляціями електричного потенціалу. Деякі моди мають тільки електростатичну компоненту коливань, інші також видно на спектрах коливань густини електронів і полоїдального магнітного поля. У рамках даної роботи була визначена радіальна локалізація кожного типу згаданих квазікогерентних мод. Для цього використовувалися два діагностичних комплекси на пучках важких іонів, магнітні зонди і болометри (AXUV-детектори).Эксперименты на стеллараторе TJ-II показывают, что альфвеновские моды в частотном диапазоне 100 кГц< fAE <300 кГц возбуждаются в режимах с инжекцией пучка нейтральных атомов, а также в режимах с комбинированным ЭЦР-нагревом и нейтральной инжекцией при среднехордовой плотности электронов ne = (0,3…1,5)×10¹⁹ м⁻³. Моды возбуждаются как на стороне слабого, так и на стороне сильного поля. Кроме того, в плазме TJ-II наблюдаются моды с частотами f < 30 кГц, а именно моды, возбуждаемые быстрыми электронами, тиринг-подобные моды, а также моды, характеризующиеся дальними корреляциями электрического потенциала. Некоторые моды имеют только электростатическую компоненту колебаний, другие также видны на спектрах колебаний плотности электронов и полоидального магнитного поля. В рамках данной работы была определена радиальная локализация каждого типа упомянутых квазикогерентных мод. Для этого использовалось два диагностических комплекса на пучках тяжелых ионов, магнитные зонды и болометры (AXUV-детекторы)

Study of the neoclassical radial electric field of the TJ-II flexible heliac

Calculations of the monoenergetic radial diffusion coefficients are presented for several configurations of the TJ-II stellarator usually explored in operation. The neoclassical radial fluxes and the ambipolar electric field for the standard configuration are then studied for three different collisionality regimes, obtaining precise results in all cases

High-intensity cesium ion beams for HIBP diagnostics

The goal of the research is to expand the capabilities of the heavy ion beam probing (HIBP) diagnostic. HIBP is a unique diagnostic, capable to measure plasma potential, density and their fluctuations, as well as the poloidal magnetic field fluctuations in the core and edge plasmas. The sensitivity of the diagnostic is determined by the level of the output signal related to the instrumental noise. The level of the probing beam current should be as high as possible, especially for measurements at the periphery with low output signal due to low plasma density, and in the core, where the beam is attenuated due to the high plasma density. Optimization experiments have shown the possibility of ion beam forming in the current range from 40 to 800 μA.Мета дослідження – розширити можливості діагностики за допомогою зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ). ЗППВІ – це унікальна діагностика, здатна вимірювати потенціал, густину плазми і їх флуктуації, а також флуктуації полоідального магнітного поля в центрі та периферії плазми. Чутливість діагностики визначається рівнем вихідного сигналу, щодо інструментального шуму. Рівень струму зондувального пучка повинен бути якомога більш високим, особливо для вимірювань на периферії з низьким вихідним сигналом через низьку густину плазми, а також у центрі, де пучок послаблюється через високу густину плазми. Експерименти з оптимізації показали можливість формування іонного пучка в діапазоні струму 40…800 мкА.Цель исследования – расширить возможности диагностики с помощью зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ). ЗППТИ – это уникальная диагностика, способная измерять потенциал, плотность плазмы и их флуктуации, а также флуктуации полоидального магнитного поля в центре и периферии плазмы. Чувствительность диагностики определяется уровнем выходного сигнала относительно инструментального шума. Уровень тока зондирующего пучка должен быть как можно более высоким, особенно для измерений на периферии с низким выходным сигналом из-за низкой плотности плазмы, а также в центре, где пучок ослабляется из-за высокой плотности плазмы. Эксперименты по оптимизации показали возможность формирования ионного пучка в диапазоне тока 40…800 мкА

Heavy ion beam probing – a tool to study geodesic acoustic modes and alfven eigenmodes in the T-10 tokamak and TJ-II stellarator

Heavy ion beam probing (HIBP) is a unique diagnostic for core plasma potential. It operates in the T-10 tokamak and TJ-II flexible heliac. Multi-slits energy analyzers provide simultaneously the data on plasma potential φ (by beam extra energy), plasma density (by beam current) and Bpol (by beam toroidal shift) in 5 poloidally shifted sample volumes. Thus, the poloidal electric field and the electrostatic turbulent particle flux are derived. The fine focused (<1 cm) and intense (100 μA) beams provide the measurements in the wide density interval ne=(0.3...5)×10¹⁹ m⁻³, while the advanced control system for primary and secondary beams provides the measurements in the wide range of the plasma currents in T-10 and magnetic configurations in TJ-II, including Ohmic, ECR and NBI heated plasmas. Low-noise high-gain (10⁷ V/A) preamplifiers with 300 kHz bandwidth and 2 MHz sampling allow us to study quasi-coherent modes like Geodesic Acoustic Modes (GAMs) and Alfvén Eigenmodes (AEs). The spatial location, poloidal rotation velocity and mode numbers for GAMs and AEs were studied in the core plasmas.Зондирование пучком тяжёлых ионов (ЗПТИ) является уникальной диагностикой для исследования потенциала горячей плазмы, она работает на токамаке T-10 и стеллараторе TJ-II. Многощелевые анализаторы позволяют одновременно определять потенциал, плотность и полоидальное магнитное поле в пяти точках измерения в плазме, что позволяет найти полоидальное электрическое поле и турбулентный поток частиц. Хорошо сфокусированные (< 1 см) интенсивные (100 мкА) пучки позволяют вести измерения в широком интервале плотностей n‾e=(0.3...5)×10¹⁹ m⁻³, а система управления первичным и вторичным пучками обеспечивает измерения в пределах изменения параметров T-10 и TJ-II, включая режимы омического, электронно-циклотронного и инжекционного нагревов плазмы. Исследованы геодезические акустические моды и альфвеновские собственные моды частотой до 300 кГц.Зондування пучком важких іонів (ЗПВІ) є унікальна система діагностики для дослідження потенціалу в гарячій плазмі на токамаці Т-10 та стелараторі TJ-II. Аналізатори з багатою кількістю апертур дозволяють одночасно вимірювати потенціал, густину та полоїдальне магнітне поле у п’яти об’ємах плазми, що дозволяє знайти полоїдальне електричне поле та турбулентний потік часток. Гарно сфокусовані (< 1 см) інтенсивні (100 мкА) пучки дозволяють провести вимірювання в широкому інтервалі n‾e=(0.3...5)×10¹⁹ m⁻³ густини, а система керування первинним та вторинним пучками забезпечує вимірювання у межах діапазону зміни параметрів T-10 та TJ-II, які включають у себе режими омічного, електронно-циклотронного та інжекційного нагрівів плазми. Досліджено геодезичні акустичні моди і альфвенівські коливання особистої моди частотою до 300 кГц

A dual heavy ion beam probe diagnostic on the TJ-II stellarator

The aim of the report is to show the development of HIBP diagnostics on the TJ-II stellarator and, as a result, the expansion of the range of plasma parameters measurements. The first Heavy Ion Beam Probe (HIBP-1) diagnostic is being used on TJ-II stellarator since 2000. It has been shown significant progress in the measurements of plasma profiles and oscillations. The second HIBP-2 system was installed on TJ-II in 2012. Dual HIBP system, consisting of two identical HIBP-1 and HIBP-2 located ¼ torus apart, provides the measurement of the long-range correlations of plasma parameters in the full plasma column. Low noise high gain (10⁷ V/A) preamplifiers with 1 Hz bandwidth sampling is used. They allow to study broadband turbulence and quasi-coherent modes like geodesic acoustic modes, Alfven eigenmodes, suprathermal electron induced modes, etc. New capabilities of the dual HIBP diagnostic in plasma potential and density investigations were demonstrated on TJ-II stellarator in the measurements of the correlation between fluctuations in different poloidal and toroidal locations: on the same field line, on the same magnetic surface or on different magnetic surfaces at different points, separated toroidally and/or poloidally.На стелараторі TJ-II створена подвійна система зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ). Система складається з двох ідентичних комплексів, розташованих на відстані ¼ тора. Перший діагностичний комплекс почав діяти в 2000 році. Другий комплекс був встановлений в 2012 році. Використання підсилювачів детекторних сигналів з низьким рівнем шуму (10⁷ В/A) з пропускною здатністю 1 МГц дозволяє вивчати широкосмугову турбулентність та квазікогерентні режими, такі як геодезичні акустичні моди; альфвенівські моди; супертермальні моди, які збурюються швидкими електронами, тощо. Нові можливості подвійної системи були продемонстровані при вимірюваннях далеких кореляцій між флуктуаціями в різних полоїдальних та тороїдальних місцях: на одній лінії магнітного поля, на одній або на різних магнітних поверхнях у різних точках, розташованих тороїдально та/або полоїдально.На стеллараторе TJ-II создана двойная система зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ). Система состоит из двух идентичных комплексов, расположенных на расстоянии ¼ тора. Первый диагностический комплекс начал действовать в 2000 году. Второй комплекс был установлен в 2012 году. Использование усилителей детекторных сигналов с низким уровнем шума (10⁷ В/A) и полосой пропускания 1 МГц позволяет изучать широкополосную урбулентность и квазикогерентные моды, такие как геодезические акустические моды; альфвеновские собственные моды; моды, индуцированные надтепловыми электронами и т.д. Новые возможности двойной системы были продемонстрированы при измерениях дальних корреляций между флуктуациями, измеренными в различных полоидальних и тороидальных положениях: на одной или на разных магнитных поверхностях, в различных точках, смещенных тороидально и/или полоидально