Design and initial operation of multichord soft X-ray detection array on the U-3M torsatron

A miniature pinhole camera array for spatially and temporally resolved measurements of soft X-ray emission has been designed and installed in the URAGAN-3M torsatron. Two features of the U-3M: a) very large vacuum vessel; b) a quite high RF noise from the 8-9 MHz plasma heating generators, form a rather difficult for the SXR system design conditions. In order to increase the SXR brightness in 25-50 times the pinhole camera is placed between helical coils near plasma in the “A-A” cross-section. The size of the pinhole and its location relative to the diode array are optimized to cover the whole poloidal cross section and to achieve a good spatial resolution with minimum overlap in nearby channels. Possible misalignments of the SXR system can cause errors in the line of sight impact parameter less than 3⁰ (similar to the SXR channel viewing angle). The maximum of the measured SXR brightness intensity corresponds to the central channel № 11 of the system. The 2.5•10⁷ V/A SXR photodiode photocurrent amplifiers with additional RF noise suppress electronics have been manufactured. The SXR electronics does successfully work in high vacuum conditions near the plasma. Time evolution of the SXR emission profile and its fluctuations are successfully measuring by the designed diagnostics.Миниатюрный датчик для измерения временного поведения и пространственного распределения излучения мягкого рентгена был спроектирован и установлен на торсатроне УРАГАН-3М (У-3М). Две особенности У-3М: а) очень большой вакуумный объём; б) очень большой ВЧ-шум от 8-9 МГц-генераторов, нагревающих плазму, формируют очень сложные условия для проектировки диагностики мягкого рентгена. Для того, чтобы увеличить измеряемую светимость рентгена в 25-50 раз, измеряющая рентген камера обскура помещена между винтовыми проводниками рядом с плазмой в сечении “A-A”. Размер входной щели и её расстояние до набора фотодиодов камеры обскура оптимизированы для покрытия всего полоидального сечения плазмы и получения хорошего пространственного разрешения при минимальном перекрытии соседних каналов. Проведённые оценки показали, что возможные перекосы камеры могут вызвать ошибку в определении прицельного параметра хорды наблюдения меньше, чем величина угла обзора канала мягкого рентгена, в 3⁰. Максимум измеряемой интенсивности светимости мягкого рентгена приходится на центральный канал № 11. Изготовлены усилители фототока чувствительностью 2,5•10⁷ В/А с дополнительной электроникой, подавляющей ВЧ-шум. Электроника успешно работает в условиях высокого вакуума рядом с плазмой. Временная эволюция профиля эмиссии мягкого рентгена и её флуктуаций успешно измеряются разработанной диагностикой.Мініатюрний датчик для вимірювання часового поводження та просторового розподілу випромінювання м'якого рентгена був спроектований і встановлений на торсатроні УРАГАН-3М (У-3М). Дві особливості У-3М: а) дуже великий вакуумний об'єм; б) дуже великий ВЧ-шум від 8-9 МГц-генераторів, що нагрівають плазму, формують дуже складні умови для проектування діагностики м'якого рентгена. Для того, щоб збільшити світність рентгена, що вимірюється, в 25-50 разів, камера обскура поміщена між гвинтовими провідниками поруч з плазмою у перерізі "А-А". Розмір вхідної щілини і її відстань до набору фотодіодів камери обскура оптимізовані для покриття всього полоідального перерізу плазми і отримання доброго просторового розділення при мінімальному перекритті сусідніх каналів. Проведені оцінки показали, що можливі перекоси камери можуть викликати помилку у визначенні прицільного параметра хорди спостереження менше, ніж величина кута огляду каналу м'якого рентгена, в 3⁰. Максимум вимірюваної інтенсивності світності м'якого рентгена припадає на центральний канал № 11. Виготовлені підсилювачі фотоструму чутливістю 2,5•10⁷ В/А з додатковою електронікою, що переважає ВЧ-шум. Електроніка успішно працює в умовах високого вакууму поруч з плазмою. Часова еволюція профілю емісії м'якого рентгена і її флуктуацій успішно вимірюються розробленою діагностикою

Design of multichord soft x-ray detection arrays for the Uragan-2M stellarator

Two miniature pinhole camera arrays for spatially and temporally resolved measurements of soft X-ray emission have been designed for the Uragan-2M stellarator. The power of soft X-ray filtered by different filters has been calculated numerically in order to optimize applicability of two foils temperature measurement technique. In the initial operation, a Be foil with a thickness of 10 μm and Al filter of 3 μm have been chosen to test signal strength and to test two foils temperature measurement technique. SXR photodiodes photocurrent amplifiers with bandwidth up to 5MHz have been designed for signal amplification. Digitizers with 12 bit resolution and sampling rate up to 8 MS/s have been tested for SXR data acquisition.Два миниатюрных датчика для измерения временного поведения и пространственного распределения излучения мягкого рентгена были спроектированы для стелларатора Ураган-2М. Мощность мягкого рентгена, проходящего через различные фильтры, была рассчитана численно с целью оптимизации применимости техники измерения температуры плазмы, базирующейся на двух фольгах. В начальных экспериментах для тестирования величины сигнала мягкого рентгена и проверки техники двух фольг были выбраны 10 мкм-бериллиевая и 3 мкм-алюминиевая фольги. Были разработаны усилители фототока фотодиода мягкого рентгена с частотной полосой до 5 МГц. Аналогово-цифровые преобразователи с разрешением 12 бит и частотой оцифровки до 8 МГц были протестированы для их применения в диагностике мягкого рентгена.Два мініатюрних датчики для виміру тимчасового поводження й просторового розподілу випромінювання м'якого рентгена були спроектовані для стелларатора Ураган-2М. Потужність м'якого рентгена, що проходить через різні фільтри, була розрахована чисельно з метою оптимізації застосовності техніки виміру температури плазми, базованої на двох фольгах. У початкових експериментах для тестування величини сигналу м'якого рентгена й перевірки техніки двох фольг було обрано 10 мкм-берилієву і 3 мкм-алюмінієву фольги. Було розроблено підсилювачі фотоструму фотодіода м'якого рентгена із частотною смугою до 5 МГц. Аналогово-цифрові перетворювачі з розділенням 12 біт і частотою оцифровки до 8 МГц були протестовані для їхнього застосування в діагностиці м'якого рентгена

First results of multichord soft x-ray detection array on the U-3M torsatron

A miniature pinhole camera array for spatially and temporally resolved measurements of soft X-ray plasma emission has been recently installed on the U-3M. The diagnostics has been tested in different types of the U-3M discharge. In low density frame antenna discharges with so-called “H-like” transition a fast SXR emission profile modification is observed. A phase shift of the SXR perturbation induced by the transition as well as different shapes of the perturbation is observed in different channels. The transition can be associated with MHD instability. Different shapes of the SXR emission profile has been observed in different discharge conditions. The SXR array is en excelent tool for study different types of the MHD activity. Different types of the low frequency MHD activity have been observed in the U-3M torsatron. The recently installed SXR diagnostics opens opportunity of detailed studies of the MHD activity together with its driver – the plasma pressure gradient. In the paper we are presented recent experimental results obtained with the use of SXP, without deep analysis these experiments.Миниатюрный датчик для измерения временного поведения и пространственного распределения излучения мягкого рентгена был недавно установлен на торсатроне У-3М. Диагностика протестирована в различных видах разряда У-3М. В низкоплотных разрядах рамочной антенны с так называемым переходом в Н-подобную моду обнаружена быстрая модификация профиля излучения мягкого рентгена. Сдвижка фазы возмущения излучения мягкого рентгена, вызванная переходом, а также различные формы возмущения наблюдались на различных каналах. Переход может быть ассоциирован с МГД-неустойчивостью. Различные формы профиля излучения мягкого рентгена наблюдались в различных условиях разряда. Многоканальный датчик мягкого рентгена - это превосходный инструмент для изучения различных типов МГД-активности. Различные типы низкочастотной МГД-активности наблюдались на торсатроне У-3М. Недавно установленная рентгеновская диагностика открывает возможность детального изучения МГД-активности вместе с вызывающей её причиной – градиентом давления плазмы. Представлены последние экспериментальные результаты, полученные с использованием диагностики мягкого рентгена, без глубокого анализа этих экспериментов.Мініатюрний датчик для вимірювання тимчасового поводження й просторового розподілу випромінювання м'якого рентгену був недавно встановлений на торсатроні У-3М. Діагностика протестована в різних видах розряду У-3М. У низькощільних розрядах рамкової антени з так званим переходом у Н-подібну моду виявлена швидка модифікація профілю випромінювання м'якого рентгену. Зрушення фази збурення випромінювання м'якого рентгену, що викликана переходом, а також різні форми збурення спостерігалися на різних каналах. Перехід може бути асоційований з МГД-нестійкістю. Різні форми профілю випромінювання м'якого рентгену спостерігалися в різних умовах розряду. Багатоканальний датчик м'якого рентгену- це чудовий інструмент для вивчення різних типів МГД-активності. Різні типи низькочастотної МГД-активності спостерігалися на торсатроні У-3М. Недавно встановлена рентгенівська діагностика відкриває можливість детального вивчення МГД-активності разом з причиною, яка її викликає - градієнтом тиску плазми. Представлені останні експериментальні результати, отримані з використанням діагностики м'якого рентгену, без глибокого аналізу цих експериментів

Influence of the photodiode spectral sensitivity on the temperature estimation by sxr using thin filtering foils in Uragan-3M

Soft X-ray (SXRƚ diagnostics is routinely used in Uragan-3M (U-3M) torsatron. One of the SXR diagnostic applications is based on the plasma temperature estimation. The ratio of SXR signals passed through two different foils depends only on the plasma temperature and can be used for its estimation. An influence of spectral sensitivity of the photodiode on the two foils temperature estimations technique is considered in present work numerically. The influence is negligible in the case of the flat sensitivity in the energy range 5…500 eV in the case of thin 1.5 ⁄ 2.25 μm Al foils. In the opposite case of very low spectral sensitivity in 5…500 eV range and its increase at the 1 keV range the signals ratio can be very high. This result can explain high signals ratio experimentally observed in Uragan-3M stellarator, where photodiodes with unknown spectral sensitivity were used.Діагностика плазми на базі м’якого рентгенівського випромінювання завжди використовується на торсатроні Ураган-3М. Одним з діагностичних застосувань цієї діагностики є оцінка температури плазми. Співвідношення сигналів м’якого рентгенівського випромінювання, що пройшли через дві різні фольги, залежить тільки від температури плазми і може використовуватися для її оцінки. Чисельно розглянуто вплив спектральної чутливості фотодіода на методику оцінки температури плазми методом двох фольг. У випадку плоскої спектральної чутливості в діапазоні енергій 5…500 еВ і тонких 1,5 ⁄ 2,25 мкм алюмінієвих фольг цей вплив незначний. У випадку дуже низькою спектральної чутливості в діапазоні 5…500 еВ і її підвищення в діапазоні 1 кеВ співвідношення сигналів, що пройшли через дві фольги може бути дуже високим. Цей результат може пояснити високе співвідношення сигналів м’якого рентгенівського випромінювання, що експериментально спостерігалося в стелараторі Ураган-3М, де використовувалися фотодіоди з невідомою спектральною чутливістю.Диагностика плазмы на базе мягкого рентгеновского излучения постоянно используется на торсатроне Ураган-3М. Одним из диагностических приложений этой диагностики является оценка температуры плазмы. Соотношение сигналов мягкого рентгеновского излучения, прошедших через две разные фольги, зависит только от температуры плазмы и может использоваться для ее оценки. Численно рассмотрено влияние спектральной чувствительности фотодиода на методику оценки температуры плазмы методом двух фольг. В случае плоской спектральной чувствительности в диапазоне энергий 5…500 эВ и тонких 1,5 ⁄ 2,25 мкм алюминиевых фольг это влияние незначительно. В случае очень низкой спектральной чувствительности в диапазоне 5…500 эВ и ее повышения в диапазоне 1 кэВ отношение сигналов, прошедших через две фольги, может быть очень высоким. Этот результат может объяснить высокое соотношение сигналов мягкого рентгеновского излучения, экспериментально наблюдаемое в стеллараторе Ураган-3М, где использовались фотодиоды с неизвестной спектральной чувствительностью

Self-consistent model of the RF plasma production in stellarator

Self-consistent model of the RF plasma production in stellarator that includes system of the balance equations and the boundary problem for the Maxwell’s equations is developed. The first numerical calculations of RF plasma production in the Uragan-2M stellarator are presented.Разработана самосогласованная модель ВЧ-создания плазмы в стеллараторе, включающая систему уравнений баланса и краевую задачу для уравнений Максвелла. Представлены первые результаты численных экспериментов по ВЧ-созданию плазмы в стеллараторе Ураган-2М с помощью разработанной модели.Розроблено самоузгоджену модель ВЧ-створення плазми в стеллараторі, що складається з системи рівнянь балансу та крайової задачі для рівнянь Максвелла. Представлено перші результати числових експериментів з ВЧ-створення плазми в стеллараторі Ураган-2М за допомогою розробленої моделі

Distribution of 0.2…4.5 keV plasma ions in set of U-2M discharges

Charge exchange (CX) neutral fluxes were measured by neutral particle analyzer (NPA) in plasma discharges sustained by the W7-X-like radio frequency (RF) antenna in the Uragan-2M (U-2M) stellarator. CX fluxes in pure hydrogen discharge (B₀ = 0.36 T, f = 4.926 MHz) in stellarator configuration (effective perpendicular ion temperature T⊥ ≈ 450 eV) is less energetic in comparison with U-2M hybrid configuration (T⊥ ≈ 800 eV). RF discharge in stellarator configuration with helium and hydrogen mixture (B₀ = 0.351 T; f = 5.156 MHz, P = 6·10⁻⁴Torr) shows more energetic CX fluxes (T⊥ ≈ 1 keV). The ion cyclotron frequency distribution across the U-2M plasma has been studied numerically. These calculations are accompanied by direct measurement of the RF frequency by magnetic sensor. The ion cyclotron frequency is present in plasma bulk of all discharges under consideration.Потік нейтралів перезарядки вимірювався аналізатором нейтральних частинок у плазмових розрядах, що підтримуються радіочастотною W7-X-подібної антеною у стелараторі Ураган-2М (У-2М). Потоки нейтралів перезарядки в чисто водневому розряді (B₀ = 0,36 Тл, f = 4,926 МГц) у стелараторній конфігурації (ефективна перпендикулярна температура іонів T⊥ 450 эВ) менш енергійні в порівнянні з гібридною конфігурацією У-2М (T⊥≈ 800 эВ). ВЧ-розряд в стелараторній конфігурації з сумішшю гелію і водню (B₀ = 0,351 Тл; f = 5,156 МГц, P = 6 · 10⁻⁴Торр) показує більш енергійні потоки нейтралів перезарядки (T⊥ ≈ 1кэВ). Чисельний розрахунок розподілу іонної циклотронної частоти в плазмі У-2М, а також пряме вимірювання ВЧ частоти магнітним датчиком показують, що іонна циклотронна частота присутня в обсязі плазми всіх розглянутих розрядів.Поток нейтралов перезарядки измерялся анализатором нейтральных частиц в плазменных разрядах, поддерживаемых радиочастотной W7-X-подобной антенной в стеллараторе Ураган-2М (У-2М). Потоки нейтралов перезарядки в чисто водородном разряде (B₀ = 0,36 Тл, f = 4,926 МГц) в стеллараторной конфигурации (эффективная перпендикулярная температура ионов T⊥ ≈ 450 эВ) менее энергичны по сравнению с условиями гибридной конфигурации У-2М (T⊥ ≈ 800 эВ). ВЧ-разряд в стеллараторной конфигурации со смесью гелия и водорода (B₀ = 0,351 Тл; f = 5,156 МГц, P = 6 · 10⁻⁴Торр) показывает более энергичные потоки нейтралов перезарядки (T⊥ ≈ 1кэВ). Численный расчёт распределения ионной циклотронной частоты в плазме У-2М, а также прямое измерение ВЧ-частоты магнитным датчиком показывают, что ионная циклотронная частота присутствует в объёме плазмы всех рассматриваемых разрядов

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

U-3M plasma startup scenario sustained by gas puffing as a different plasma confinement scenario: first results

In order to reduce flux of neutrals into the plasma confinement volume, discharge start-up scenario maintained by impulse gas puffing (GP) has been proposed. Absence of constant working gas feeding in this scenario opens a possibility to reduce working gas pressure in the U-3M vacuum vessel. It was shown that the time of entire vessel filling after sharp gas puffing pulse is about 10…20 ms. In discharges with 5…6 kV on the RF generators and proposed start-up scenario, a delay between GP pulse and plasma creation was shorter than the chamber filling time. The same level of the electron density has been achieved in the discharge under consideration and conventional 5…6 kV discharge maintained by the constant gas feeding only. The Hα emission waveform in the considered discharges is similar to its waveforms in the conventional devices where the sizes of vacuum chamber and plasma are close each other.Для того, чтобы уменьшить поток нейтралов в объем удержания плазмы, был предложен сценарий разряда У-3М, поддерживаемого импульсным напуском газа. Отсутствие постоянной подачи газа в этом сценарии позволяет уменьшить давление рабочего газа в вакуумной камере У-3М. Было показано, что время заполнения вакуумной камеры У-3М после резкого импульса напуска газа составляет около 10...20 мс. В разрядах с 5...6 кВ на ВЧ-генераторах в режиме предложенного сценария напуска газа задержка между импульсом напуска и созданием плазмы была короче времени заполнения камеры. Тот же уровень плотности электронов был достигнут в рассматриваемом разряде и обычном 5...6 кВ разряде, поддерживаемом только постоянной подачей газа. Форма временной зависимости эмиссии линии Hα в рассматриваемых разрядах похожа на форму этой зависимости в обычных установках, в которых размеры плазмы и камеры близки друг к другу.Для того, щоб зменшити потік нейтралів в об’єм утримання плазми, був запропонований сценарій розряду У-3М, що підтримується імпульсним напуском газу. Відсутність постійної подачі газу в цьому сценарії дозволяє зменшити тиск робочого газу у вакуумній камері У-3М. Було показано, що час заповнення вакуумної камери У-3М після різкого імпульсу напуску газу становить близько 10...20 мс. У розрядах з 5...6 кВ на ВЧ-генераторах у режимі запропонованого сценарію напуску газу затримка між імпульсом напуску і створенням плазми була коротшою ніж час заповнення камери. Той же рівень густини електронів був досягнутий в розглянутому розряді і звичайному 5...6 кВ розряді, що підтримується тільки постійною подачею газу. Форма часової залежності емісії лінії Hα в розглянутих розрядах схожа на форму цієї залежності в звичайних установках, в яких розміри плазми і камери близькі один до одного

Dynamics of the main plasma parameters during spontaneous transition into the mode of improved confinement in torsatron U-3M

The work [1] contains discussion about the changes in plasma energy content and energy lifetime during the transition into the mode of improved confinement at RF-heating in torsatron U-3M in range of rare collision frequencies of plasma particles. It was proved, that both energy content of plasma volume and energy lifetime increase as a result of transition into the mode of improved confinement. This increase is almost in 2 times. Temporal behavior of such plasma parameters as ion and electron temperature, plasma density and average charge state of plasma ions in the modes with improved confinement are discussed and reviewed in this work.В торсатроне У-3М в режиме редких частот соударений проведены измерения энергосодержания плазмы и энергетического времени жизни. Показано, что при переходе в режим улучшенного удержания наблюдается почти двухкратное увеличение энергосодержания и энергетического времени жизни плазмы.У торсатроні У-3М в режимі рідкісних частот зіткнень проведені вимірювання енерговмісту плазми та енергетичного часу життя. Показано, що при переході в режим поліпшеного утримання спостерігається майже двократне збільшення енерговмісту та енергетичного часу життя

Development of light atomic injector for beam emission spectroscopy (BES) diagnostic of Uragan-2M torsatron

The improvement of the light atomic injector for beam emission spectroscopy (BES) diagnostic for Uragan-2M was held. The investigation was carried out with the energy of the sodium ion beam was 20…25 keV, the ion current up to 2 mA, and the beam diameter of 15…20 mm with 2 types of neutralizers. Neutralization of the beam was carried out on sodium vapor at an evaporator temperature of up to 300 °C. The neutralization efficiency is now near 60…80 % for Na ion current 1.5…2 mA and 20…25 keV beam energy.Проведено випробування інжектора легких атомів для пучково-емісійної спектроскопії (ПЕС) для діагностики торсатронa Ураган-2М. Дослідження проводилися з енергією пучка іонів натрію 20…25 кэВ іонним струмом до 2 мА та діаметром пучка 15…20 мм з двома типами нейтралізаторів. Нейтралізація пучка проводилася на парах натрію за температурою випарника до 300 °С. Ефективність нейтралізації на даний час становить 60…80 % для іонного струму натрію 1,5…2 мА та енергії пучка 20…25 кеВ.Проведены испытания инжектора легких атомов для пучково-эмиссионной спектроскопии (ПЭС) для диагностики торсатрона Ураган-2М. Исследования проводились при энергии пучка ионов натрия 20…25 кэВ ионным током до 2 мА и диаметром пучка 15…20 мм с двумя типами нейтрализаторов. Нейтрализация пучка проводилась на парах натрия при температуре испарителя до 300 °С. Эффективность нейтрализации в настоящее время составляет 60…80 % для ионного тока натрия 1,5…2 мА и энергии пучка 20…25 кэВ