A Helicon Plasma Source for Wakefield Accelerators

In the present work high density helicon plasma discharges are created and characterized as a promising concept towards the realization of plasma wakefield accelerators to build up electric fields in the order of GV/m to accelerate electrons to energies in the TeV range with proton driving bunches. For such a concept plasma sources are needed that are able to maintain discharges with plasma densities of n_e = 7E20 m^-3 over long distances with a low variation in plasma density. Measurements at the PROMETHEUS-A device are performed for variable parameters, like magnetic induction, RF heating power and filling gas pressure. A CO2 laser interferometer, a laser induced fluorescence (LIF) diagnostic and a reaction rate model are combined to give a full picture. It is shown that in most cases the plasma density is centrally peaked with a high density region +- 5 mm from the center. The peak plasma density increases with increasing filling gas pressure, RF heating power and magnetic induction, limited by the number of neutral particles in low pressure discharges, by the transferred heating power and the increasing recombination and electron quenching rates of argon ions in high filling pressure cases. The increase in plasma density with increasing magnetic induction correlates to the direct proportionality in the helicon dispersion relation. For all investigated operational parameters the time evolution of the helicon discharge shows the same characteristics and is reliably reproducable inside the error bars. The electron temperature is determined by combining the collisional radiative model with line ratio measurements of two spontaneously emitted LIF lines. The low electron temperature regime of 1.2 eV < T_e < 1.4 eV and the electron temperature profiles are consistent with helicon wave heating via collisional power dissipation. The maximum plasma density of n_e = (6 +- 1)E20 m^-3 is measured at high RF power of P_RF = 24 kW, p_0 = 9 Pa filling gas pressure and a magnetic induction of B = 105 mT with a maximum electron temperature at 1.4 eV. At these operational parameters the plasma density peaking time and width are determined to be 270E-6 s and 50E-6 s, respectively. This shows that specific plasma density requirements for the use of a wakefield accelerator are reachable and the duration of the peak plasma density is more than sufficient for a relativistic particle to pass a 1 km long plasma cell. Additionally time-resolved LIF profile measurements for neutral and singly ionized argon were conducted to complement the previously evaluated measurements. The time resolution of the LIF diagnostic was chosen in a way to adequately represent the evolution of densities and to allow full profile measurements over one day. A resolution of 200E-6 s was chosen. The time-resolved neutral and ion metastable densities show hollow profiles with high densities at the edges over the first ms indicating higher ionization levels and increasing electron quenching rates. The metastable densities are highly determined by electron temperature, RF heating power and filling neutral gas pressure and do not reflect the neutral argon evolution. To investigate the influence of neutral depletion on the density evolution and maximum plasma density, the argon neutral and ion ground state densities are determined. Both time-resolved density profiles show a hollow profile with highest densities at the edges over a longer time interval of 3-4 ms. The penetration depths (ionization mean-free paths) indicate increased ionization of neutral argon while dissipating inwards, corresponding well to the theoretical value of lambda = 20 mm. This results in a depletion of neutrals in the center of the discharge, leading to a limitation and a fast decrease of plasma density after the neutrals are partially ionized. The shown refilling effect of neutral argon is too slow to have an important impact. At operation parameters for highest plasma density, the calculated ground states also show a fast increase in density at the end of the discharge after the RF-heating is switched off. This indicates recombination effects to these atomic states and higher ionization levels than ArII in the helicon discharge.In der vorliegenden Arbeit werden hochdichte Helikon-Plasmaentladungen erzeugt und als vielversprechendes Konzept zur Realisierung von Plasma-Kielfeld-Beschleunigern zum Aufbau elektrischer Felder in der Größenordnung von GV/m zur Beschleunigung von Elektronen auf Energien im TeV-Bereich charakterisiert. Für ein solches Konzept werden Plasmaquellen benötigt, die in der Lage sind, Entladungen mit Plasmadichten von n_e = 7E20 m^-3 über weite Strecken mit nur geringer Variation in Plasmadichte zu realisieren. Die Messungen am Experiment PROMETHEUS-A werden für variable Parameter wie magnetische Flussdichte, RF-Heizleistung und Gasdruck durchgeführt. Die Kombination aus einem CO2-Laserinterferometer, einer laserinduzierten Fluoreszenzdiagnostik und einem Reaktionsratenmodell ergibt dabei ein einheitliches Bild. Es wird gezeigt, dass in den meisten Fällen die Plasmadichte mit einem hochdichten Bereich +- 5 mm vom Zentrum entfernt ist. Die maximale Plasmadichte nimmt mit steigendem Füllgasdruck, RF-Heizleistung und magnetischer Flussdichte zu, begrenzt durch die Anzahl der Neutralteilchen in Niederdruckentladungen, durch die übertragene Heizleistung und die steigenden Rekombinations- und Elektronenkollisionsraten mit Argonionen in Fällen des hohen Gasdrucks. Die Erhöhung der Plasmadichte mit zunehmender magnetischer Flussdichte korreliert mit der Proportionalität dieser Größen in der Helikondispersionsrelation. Für alle untersuchten Betriebsparameter weist die zeitliche Entwicklung der Helikonentladung die gleichen Eigenschaften auf und ist innerhalb der Fehlerbalken zuverlässig reproduzierbar. Die Elektronentemperatur wird bestimmt, indem das Reaktionsratenmodell mit Linienverhältnismessungen von zwei spontan emittierten LIF-Linien kombiniert wird. Das niedrige Elektronentemperaturregime von 1,2 eV < T_e < 1,4 eV und die Elektronentemperaturprofile stimmen mit dem Helikonheizmechanismus via kollisionsbasierter Leistungsdissipation überein. Die maximale Plasmadichte von n_e = (6 +- 1)E20 m^-3 wird bei hoher RF-Leistung von P_RF = 24 kW, p_0 = 9 Pa Gasdruck und einer magnetischen Flussdichte von B=105 mT mit einer maximalen Elektronentemperatur bei 1,4 eV gemessen. Bei diesen Betriebsparametern werden der Zeitpunkt und die Dauer der maximalen Plasmadichte auf 270E-6 s bzw. 50E-6 s bestimmt. Dies zeigt, dass die spezifischen Anforderungen an die Plasmadichte für den Einsatz eines Kielfeldbeschleunigers erreichbar sind und die Dauer der maximalen Plasmadichte ausreichend ist, damit ein relativistisches Teilchen eine 1 km lange Plasmazelle passieren kann. Zeitaufgelöste LIF-Profilmessungen für neutrales und ionisiertes Argon wurden als Ergänzung zu den zuvor ausgewerteten Messungen durchgeführt. Die zeitliche Auflösung der LIF-Diagnose wurde so gewählt, dass sie die Entwicklung der Dichten adäquat abbildet und Profilmessungen über einen Tag ermöglicht. Es wurde eine Auflösung von 200E-6 s gewählt. Die zeitaufgelösten metastabilen Dichten der Neutralen und Ionen zeigen Hohlprofile mit hohen Dichten an den Kanten über die ersten ms, die höhere Ionisationswerte und steigende Elektronenquenchraten signalisieren. Die metastabilen Dichten werden in hohem Maße durch Elektronentemperatur, RF-Heizleistung und neutralen Gasdruck bestimmt und spiegeln nicht direkt die neutrale Argonentwicklung wider. Um den Einfluss der Neutralgasverarmung auf die Dichteentwicklung und die maximale Plasmadichte zu untersuchen, werden die Argon-Neutral- und -Ionen-Grundzustandsdichten bestimmt. Beide zeitaufgelösten Dichteprofile zeigen ein Hohlprofil mit höchsten Dichten an den Kanten über einen längeren Zeitraum von 3-4 ms. Die Eindringtiefen (freie mittlere Weglänge) weisen auf eine erhöhte Ionisation von neutralem Argon bei der Dissipation nach innen hin, was dem theoretischen Wert von Lambda = 20 mm gut entspricht. Dies führt zu einem Abbau von Neutralen im Zentrum der Entladung, was zu einer Begrenzung und einer schnellen Abnahme der Plasmadichte führt, nachdem die Neutralen teilweise ionisiert wurden. Die dargestellte Nachfüllwirkung von neutralem Argon ist zu langsam, um einen wichtigen Einfluss zu haben. Bei Betriebsparametern für höchste Plasmadichte zeigen die berechneten Grundzustände auch einen schnellen Dichteanstieg am Ende der Entladung nach Abschalten der RF-Heizung. Dies deutet auf Rekombinationseffekte zu diesen Atomzuständen und höhere Ionisationsniveaus als ArII in der Helikonentladung hin

Confirmation of the topology of the Wendelstein 7-X magnetic field to better than 1:100,000

Fusion energy research has in the past 40 years focused primarily on the tokamak concept, but recent advances in plasma theory and computational power have led to renewed interest in stellarators. The largest and most sophisticated stellarator in the world, Wendelstein 7-X (W7-X), has just started operation, with the aim to show that the earlier weaknesses of this concept have been addressed successfully, and that the intrinsic advantages of the concept persist, also at plasma parameters approaching those of a future fusion power plant. Here we show the first physics results, obtained before plasma operation: that the carefully tailored topology of nested magnetic surfaces needed for good confinement is realized, and that the measured deviations are smaller than one part in 100,000. This is a significant step forward in stellarator research, since it shows that the complicated and delicate magnetic topology can be created and verified with the required accuracy

Major results from the first plasma campaign of the Wendelstein 7-X stellarator

\u3cp\u3eAfter completing the main construction phase of Wendelstein 7-X (W7-X) and successfully commissioning the device, first plasma operation started at the end of 2015. Integral commissioning of plasma start-up and operation using electron cyclotron resonance heating (ECRH) and an extensive set of plasma diagnostics have been completed, allowing initial physics studies during the first operational campaign. Both in helium and hydrogen, plasma breakdown was easily achieved. Gaining experience with plasma vessel conditioning, discharge lengths could be extended gradually. Eventually, discharges lasted up to 6 s, reaching an injected energy of 4 MJ, which is twice the limit originally agreed for the limiter configuration employed during the first operational campaign. At power levels of 4 MW central electron densities reached 3 10\u3csup\u3e19\u3c/sup\u3e m\u3csup\u3e-3\u3c/sup\u3e, central electron temperatures reached values of 7 keV and ion temperatures reached just above 2 keV. Important physics studies during this first operational phase include a first assessment of power balance and energy confinement, ECRH power deposition experiments, 2nd harmonic O-mode ECRH using multi-pass absorption, and current drive experiments using electron cyclotron current drive. As in many plasma discharges the electron temperature exceeds the ion temperature significantly, these plasmas are governed by core electron root confinement showing a strong positive electric field in the plasma centre.\u3c/p\u3

Major results from the first plasma campaign of the Wendelstein 7-X stellarator

After completing the main construction phase of Wendelstein 7-X (W7-X) and successfully commissioning the device, first plasma operation started at the end of 2015. Integral commissioning of plasma start-up and operation using electron cyclotron resonance heating (ECRH) and an extensive set of plasma diagnostics have been completed, allowing initial physics studies during the first operational campaign. Both in helium and hydrogen, plasma breakdown was easily achieved. Gaining experience with plasma vessel conditioning, discharge lengths could be extended gradually. Eventually, discharges lasted up to 6 s, reaching an injected energy of 4 MJ, which is twice the limit originally agreed for the limiter configuration employed during the first operational campaign. At power levels of 4 MW central electron densities reached 3 1019 m-3, central electron temperatures reached values of 7 keV and ion temperatures reached just above 2 keV. Important physics studies during this first operational phase include a first assessment of power balance and energy confinement, ECRH power deposition experiments, 2nd harmonic O-mode ECRH using multi-pass absorption, and current drive experiments using electron cyclotron current drive. As in many plasma discharges the electron temperature exceeds the ion temperature significantly, these plasmas are governed by core electron root confinement showing a strong positive electric field in the plasma centre.Peer reviewe