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

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

Plasma potential correlations between heavy ion beam probe and langmuir probe on the Т-10 tokamak

This work is dedicated to simultaneous measurements of plasma potential oscillations at GAM frequencies in different locations on the T-10 tokamak and studying their correlation properties. Recent experiments with Heavy Ion Beam Probing and Langmuir probes have shown high coherency between signals of two diagnostics (up to 0.8) despite a large distance between the observation points: half of torus in toroidal and about π in poloidal direction, up to 12 cm in radial direction. The phase shift between potentials measured with two diagnostics has been obtained in two plasma scenarios. It was found the most likely that potential oscillations at the GAM frequency propagate outward, but influence of 2π phase shift cannot be excluded.Робота присвячена одночасному дослідженню коливань потенціалу плазми на частотах ГАМ у різних областях токамака Т-10 та вивчення їх кореляційних властивостей. Недавні експерименти з використанням зондування плазми пучком важких іонів і ленгмюрівських зондів показують високий рівень когерентності між сигналами двох діагностик (до 0.8), не дивлячись на велику відстань між областями спостереження : половина тора у тороїдальному напрямку і близько π у полоїдальному, до 12 см – у радіальному. Фазовий зсув між коливаннями потенціалу, який вимірюється двома діагностиками, був отриманий у двох плазмових режимах. Найбільш ймовірно, що коливання потенціалу на частотах ГАМ поширюються назовні, хоча при цьому не можна виключати вплив "перескоку" фази на 2π.Работа посвящена одновременному исследованию колебаний потенциала плазмы на частотах ГАМ в различных областях токамака Т-10 и изучению их корреляционных свойств. Недавние эксперименты с использованием зондирования плазмы пучком тяжёлых ионов и ленгмюровских зондов показывают высокий уровень когерентности между сигналами двух диагностик (вплоть до 0.8), несмотря на большое расстояние между областями наблюдения: половина тора в тороидальном направлении и около π в полоидальном, до 12 см – в радиальном. Фазовый сдвиг между колебаниями потенциала, измеренный двумя диагностиками, был получен в двух плазменных режимах. Наиболее вероятно, что колебания потенциала на частотах ГАМ распространяются наружу, хотя при этом нельзя исключать влияние “перескока” фазы на 2π