Stochastic structures in the low-frequency plasma turbulence: measurement of characteristics and determination of general features

Results are presented from the experimental and statistical studies of low-frequency turbulence in a magnetized plasma. It is shown that, for all types of driving instability (drift, ion-acoustic, MHD instability), this turbulence is accompanied by the formation of stochastic structures demonstrating a statistically consistent behavior and similar correlation, spectral, probability characteristics. The stochastic structures that are existing in the state of dynamic equilibrium and non-random interaction determine all common features of very different turbulent processes: ionacoustic nonlinear solitons, drift vortices, and MHD spatial structures. It follows that the structural turbulence is a non-Gaussian probability process with the long memory, i.e., a self-similar probability process

High voltage test bench for heavy ion beam probe diagnostics on T-15MD tokamak

D-shaped tokamak T-15MD is nowunder construction in the NRC “Kurchatov Institute”. Heavy ion beam probing (HIBP) is an important part of T-15MD diagnostic system. Calculations of the probing ions trajectories show that the beam will pass through the plasma about 1.0…1.5 m, which can lead to its significant attenuation. HIBP operation requires obtaininga high-current long-focus probing beam of Tl+ ions (I = 200…400 μA, f = 4…6 m, d ≤ 10 mm). A high voltage (300 keV) test-benchto test such beams is eing created now. Numerical modeling shows the possibility of a beam formation with a current of 300 μA and diameter 12 mm at 6 m from the ion emitter.Зараз в НДЦ «Курчатовський інститут» ведеться будівництво токамака Д-образного перерізу Т-15МД. Зондування пучком важких іонів (ЗПВІ) є важливою частиною діагностичного комплексу Т-15МД. Розрахунки траєкторій зондувальних іонів показують, що пучок буде проходити у плазмі шлях довжиною 1,0…1,5 м, що може призводити до значного його ослаблення. Для забезпечення можливості вимірювань параметрів плазми потрібно отримати сильнострумових довгофокусних зондувальних пучків Tl+ (I = 200…400 мкА, f = 4…6 м, d ≤ 10 мм). На даний час у Курчатовському інституті створюється діагностичний стенд для вирішення цієї задачі. На цьому стенді будуть проводитися експерименти по фокусуванню іонних пучків з енергією до 300 кеВ, а також вивчатися властивості термоіонних емітерів і час їх життя. Розрахунки руху іонів в інжекторі показують можливість створення пучка струмом 300 мкА, діаметром 12 мм на відстані 6 м від іонного емітера.В НИЦ «Курчатовский институт» ведется строительство токамака Д-образного сечения Т-15МД. Зондирование пучком тяжелых ионов (ЗПТИ) является важной частью его диагностического комплекса. Расчеты траекторий зондирующих ионов показывают, что пучок будет проходить по плазме путь длиной 1,0…1,5 м, что может приводить к значительному его затуханию. Возможность измерения параметров плазмы требует получения сильноточных длиннофокусных зондирующих пучков ионов Tl+ (I = 200…400 мкА, f = 4…6 м, d ≤ 10 мм). Тестовый стенд для этой задачи сейчас создается. На этом стенде будут проводиться эксперименты по фокусировке ионных пучков с энергией до 300 кэВ, а также изучаться свойства термоионных эмиттеров и время их жизни. Расчеты движения заряженных частиц в ионнооптической системе инжектора показывают возможность создания пучка током 300 мкА, диаметром 12 мм на расстоянии 6 м от ионного эмиттера

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

Absorption of Microwaves in Different Regimes of Electron Cyclotron Plasma Heating at the L-2M Stellarator

Abstract: The results are presented from studies of the extraordinary wave (X-wave) absorption in plasma of the L-2M stellarator, as well as the power loss of microwave beam introduced into the plasma. The X-wave occurs as a result of splitting the linearly polarized gyrotron radiation, as it intersects the plasma boundary. Different electron cyclotron resonance heating (ECRH) regimes were studied: heating by a sequence of microwave pulses and heating that involves an auxiliary ECRH pulse. It was ascertained that for the X-wave, the single-pass absorption coefficient along the central chord of the plasma cross section is higher than 95%, and in the axial ECRH regime, the power losses correspond to the O-wave power. It was ascertained that the power loss of the beam inputted into the plasma increases up to 20–23% when the gyroresonance region was displaced towards the inner wall of the vacuum chamber and the ECRH pulse duration was increased. At the same time, the radiation loss drastically increased. It was hypothesized that an increase in the power loss is caused by a decrease in the X-wave absorption coefficient integrated over the beam cross section, which occurs due to a decrease in the electron temperature across the microwave beam cross section. In the regime with the auxiliary ECRH pulse, the pulsed sputtering of the vacuum chamber coating occurs, and the electron density and temperature change; nevertheless, the absorption coefficient along the central chord exceeds 90%. © 2021, Pleiades Publishing, Ltd

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

Pulse-periodic ecr-heating plasma mode in L-2M stellarator [ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ЭЦР-НАГРЕВА ПЛАЗМЫ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М]

The electron cyclotron resonance method is one of the main methods for plasma heating in modern thermonuclear devices. Mechanisms of ionization and plasma heating by microwave waves are actual for increasing the temperature of the plasma's electron component to the required values. This article presents the results of analysis of the experiments on creation and heating of high-temperature plasma confined in a stellarator magnetic trap. Heating was carried out in a pulse-periodic mode in a time-varying magnetic field with microwave pulses regulated in amplitude and time with pauses between them; their duration varied in the range of 1-4 ms. Dynamic of the electron temperature and density profiles were investigated with the EC-heating modulating as well as the edge plasma features. © 2020 National Research Center Kurchatov Institute. All rights reserved