First measurements of line electron density in Uragan-2M plasmas via 140 GHz heterodyne interferometer

Commissioned a microwave 2 mm (140 GHz) superheterodyne interferometer, which allows to start the measurement of linear (average over the length of the chord passing through the plasma) of the electron density at the Uragan-2M torsatron. Compared with the previously used 8 mm interferometer, this diagnosis will significantly expand the limits of measurement. It is now possible to measure the plasma density up to the 2.43∙10²⁰ m⁻³. New receiving and transmitting waveguide line provided a significant reduction in attenuation of the microwave radiation introduced into the plasma. It ensures that the value of the minimum measured density does not exceed 1.5∙10¹⁶ m⁻³. It is shown that a high signal-to-noise ratio and the temporal efficiency of the detection system allowed to measure the quasi-coherent plasma fluctuations in the range of 3…20 kHz.На торсатроне Ураган-2М введён в эксплуатацию микроволновый 2 мм (140 ГГц) супергетеродинный интерферометр, позволяющий начать измерения линейной (средней по длине хорды, проходящей через плазму) плотности электронов. По сравнению с ранее применяемым 8 мм интерферометром данная диагностика позволила существенно расширить пределы измерений. В настоящее время стало возможным измерять плотность плазмы до величины 2,43∙10²⁰ м⁻³. Новая приемно-передающая волноводная линия обеспечила значительное уменьшение затухания микроволнового излучения, вводимого в плазму. Это дало возможность добиться того, что величина минимальной измеряемой плотности не превышает 1,5∙10¹⁶ м⁻³. Показано, что высокое отношение сигнал-шум и временное быстродействие приёмной системы позволили измерить квазикогерентные флуктуации плазмы в диапазоне 3…20 кГц.На торсатроні Ураган-2М введений в експлуатацію мікрохвильовий 2 мм (140 ГГц) супергетеродинний інтерферометр, що дозволяє почати вимірювання лінійної (середньої по довжині хорди, що проходить через плазму) густини електронів. У порівнянні з раніше застосовуваним 8 мм інтерферометром ця діагностика дозволила істотно розширити межі вимірювань. В даний час стало можливим вимірювати густину плазми до величини 2,43∙10²⁰ м⁻³. Нова приймально-передавальна хвильопровідна лінія забезпечила значне зменшення затухання мікрохвильового випромінювання, що вводиться в плазму. Це дало можливість домогтися того, що величина мінімальної вимірюваної густини не перевищує 1,5∙10¹⁶ м⁻³. Показано, що високе відношення сигнал-шум і часова швидкодія приймальної системи дозволили вимірювати квазікогерентні флуктуації плазми в діапазоні 3…20 кГц

Some features of the dynamics of suprathermal electrons after RF heating off at the Uragan-3M stellarator plasmas

For the past decades the microwave radiometry is a routinely used as diagnostic tool to obtain the information on temporal evolution and radial profile of the electrons temperature at Uragan-3M torsatron plasma experiments. However, in the case of low plasma density operation we observe the high level of emission at the frequencies that match the second and third harmonics of the extraordinary mode of electron cyclotron emission (ECE), after RF heating pulse off. This effect could be explained with the production of the suprathermal electrons. The present work describes the suprathermal electrons (SE) dynamics after turning off the RF heat pulse at the Uragan-3M torsatron (ne=2·10¹² cm⁻³ Te=300 eV, PRF=115 kW, B0=0.69 T). In the absence of the well-known suppressive echniques (resonant magnetic perturbations and massive gas injection) an attempt was made to describe the factors, which contribute to the generation of the suprathermal electrons for the Uragan-3M plasmas. The temporal evolution of the ECE emission intensity and it dependence on the working gas pressure in the torsatron vacuum chamber is presented. The level of the ECE emission shows strong correlation with other diagnostics (plasma density, plasma current, HXR and Hα emission intensity). The gradual increase of the pressure (after RF off) could be is one of the reasons that temporarily sustain the process of electron acceleration. The dependence of the time ECE emission on the rate in magnetic field change (δB) is also given.Протягом останніх десятиліть мікрохвильова радіометрія регулярно використовується для отримання інформації про часову еволюцію та радіальний профіль температури електронів під час плазмових експериментів на торсатроні Ураган-3М. Тим не менш, у випадку низькощільної плазми за допомогою цієї діагностики спостерігається поява випромінювання на частотах, відповідних другій і третій гармонікам незвичайної хвилі циклотронного випромінювання (ЕЦВ), після відключення імпульсу високочастотного нагріву. Цей ефект можна пояснити існуванням надтеплових електронів. Описані динаміка надтеплових електронів (НЕ) після виключення ВЧ-імпульсу на торсатроні Ураган-3М (ne=2·10¹² см⁻³, Te=300 еВ, PRF=115 кВт, B0=0,69 Tл). За відсутності відомих методів придушення (резонансні магнітні збурення і масивна інжекція газу) була зроблена спроба описати фактори, що сприяють генерації надтеплових електронів у плазмі Ураган-3М. Представлена тимчасова динаміка інтенсивності емісії ЕЦВ і її залежність від тиску робочого газу у вакуумній камері торсатрона. Рівень емісії ЕЦВ демонструє чітку кореляцію з результатами інших методів діагностики (щільність плазми, струм плазми, HXR і Hα). Поступове підвищення тиску (після відключення ВЧ-потужності) може бути однією з причин, які підтримують процес прискорення електронів. Також наведена часова залежність випромінювання ЕЦВ від швидкості зміни магнітного поля (δB/δt).В последние десятилетия микроволновая радиометрия регулярно используется в качестве диагностического инструмента для получения информации о временной эволюции и радиальном профиле температуры электронов в экспериментах на торсатроне Ураган-3М. Тем не менее, в случае низкоплотной плазмы при помощи этой диагностики наблюдается появление излучения на частотах, соответствующих второй и третьей гармоникам необыкновенной волны циклотронного излучения (ЭЦИ), после отключения импульса высокочастотного нагрева. Этот эффект можно объяснить существованием надтепловых электронов. Описана динамика надтепловых электронов (НЭ) после выключения ВЧ-импульса на торсатроне Ураган-3М (ne=2·10¹² см⁻³, Te=300 эВ, PRF=115 кВт, B0=0,69 Tл). В отсутствие известных методов подавления (резонансные магнитные возмущения и массивная инжекция газа) была предпринята попытка описать факторы, способствующие генерации надтепловых электронов в плазме Ураган-3М. Представлена временная динамика интенсивности эмиссии ЭЦИ и ее зависимость от давления рабочего газа в вакуумной камере торсатрона. Уровень эмиссии ЭЦИ демонстрирует строгую корреляцию с результатами других методов диагностики (плотность плазмы, ток плазмы, интенсивность HXR и Hα). Постепенное повышение давления (после отключения ВЧ-мощности) может быть одной из причин, которые поддерживают процесс ускорения электронов. Также приведена временная зависимость излучения ЭЦИ от скорости изменения магнитного поля (δB/δt)

Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma

Frequency spectrum (radial profile) of X-mode second harmonic electron cyclotron emission was observed for optically thin plasma produced by Alfvén resonance heating in Uragan-3M torsatron. Radial electron temperature profile within frequency range 31.5–37.5GHz is covered a significant portion of the plasma column radius. Temperature profile derived from “radiation temperature” profile. This procedure neglects multiple reflections of ECE radiation from the torsatron inner structure (mainly from helical coils). We relate the mismatch effect of the ECE radiation data by the strong modification of emission level by plasma opacity (small plasma optical depth) and by the scrambling effect. This effect results from both O-X mode conversion. Electron temperature is calculated from radiation temperature using tokamak approximation for the optical thickness. The difference in ECE and other data is explained using some modification of electron density profile.Радіаційний профіль електронно-циклотронного випромінювання другої гармоніки з незвичайною поляризацією для оптично тонкої плазми був отриманий під час експериментів зі створення та нагріву плазми на торсатроні УРАГАН-3М в області частот, близьких до альфвенівського резонансу. Відповідний радіальний профіль електронної температури в частотному діапазоні 31.5…37.5 ГГц покриває значну частину плазмового шнура. Різниця між радіаційною і справжньої температури обумовлена малими значеннями плазмової оптичної товщини через невеликі значення густини плазми. Відмінність в отри них даних ЕЦР-випромінювання можна віднести за рахунок зміни рівня прозорості плазми(малі величини оптичної товщини) і за рахунок ефекту переміщення поляризації випромінювання. Температура електронів обчислюється із температури випромінювання, використовуючи наближення токамака для оптичної товщини. Різниця отриманої температури за даними ЕЦР в порівнянні з іншими діагностиками може бути пояснена як наслідок деякої локальної модифікації електронного профілю густини.Радиальный профиль электронно-циклотронного излучения второй гармоники с необыкновенной поляризацией для оптически тонкой плазмы был получен во время экспериментов по созданию и нагреву плазмы на торсатроне УРАГАН-3М в области частот, близких к альфвеновскому резонансу. Соответствующий радиальный профиль электронной температуры в частотном диапазоне 31.5...37.5 ГГц покрывает значительную часть плазменного шнура. Различие между радиационной и истинной температурами обусловлено малыми значениями плазменной оптической толщины из-за небольших значений плотности плазмы. Различия в полученных данных ЭЦР-излучения можно отнести за счет изменения уровня прозрачности плазмы (малые величины оптической толщины) и за счет эффекта перемещения поляризации излучения. Температура электронов вычисляется из температуры излучения, используя приближение токамака для оптической толщины. Разница полученной температуры по данным ЭЦР по сравнению с другими диагностиками может быть объяснена как следствие некоторой локальной модификации электронного профиля плотности

A high speed 140 ghz microwave interferometer for density fluctuation measurements in Uragan-2M stellarator

The operation of the 2 mm microwave superheterodyne interferometer, which allows to measure the linear electron density (average over the line of sight through the plasma) at the Uragan-2M stellarator is presented. Compared with the previously used 8 mm interferometer, this diagnostic does significantly expand the limits of the measured density of electrons which is now increased up to the value of 2.43∙10²⁰ m⁻³ . Optimized receiving and transmitting waveguide line provided a significant reduction in attenuation of the microwave radiation introduced into the plasma. It ensures that the presented experiments the value of the minimum measured density does not exceed 1.5∙10¹⁶ m⁻³. It is shown that for the different plasma discharges this system which have a high signal-tonoise ratio and high time resolution of the detector allowed to measure the “global” quasi-coherent fluctuations of the plasma density in the frequency range of 3…20 kHz.Описана робота мікрохвильового супергетеродинного інтерферометра 2 мм, що дозволяє вимірювати лінійну електронну густину (середню після проходження крізь плазму) на стелараторі Ураган-2М. У порівнянні з 8-міліметровим інтерферометром, що використовувався раніше, ця діагностика значно розширює межі виміряної густини електронів, яка тепер збільшена до значення 2.43∙10²⁰ м⁻³. Оптимізована хвильопровідна лінія прийому і передачі забезпечувала значне зменшення затухання мікрохвильового випромінювання, що вводиться в плазму. Це гарантія того, що для представлених експериментів значення мінімальної виміряної густини не перевищує 1,5∙10¹⁶ м⁻³. Показано, що для різних плазмових розрядів ця система, яка має високе відношення сигнал/шум і високу роздільну здатність детектора, дозволяє вимірювати «глобальні» квазікогерентні флуктуації густини плазми в діапазоні частот 3...20 кГц.Описана работа микроволнового супергетеродинного интерферометра 2 мм, позволяющего измерять линейную электронную плотность (среднюю после прохождения через плазму) на стеллараторе Ураган-2М. По сравнению с ранее используемым 8-миллиметровым интерферометром эта диагностика значительно расширяет пределы измеренной плотности электронов, которая теперь увеличена до значения 2,43∙10²⁰ м⁻³. Оптимизированная волноводная линия приема и передачи обеспечивала значительное уменьшение затухания микроволнового излучения, вводимого в плазму. Это гарантия того, что для представленных экспериментов значение минимальной измеренной плотности не превышает 1,5∙10¹⁶ м⁻³. Показано, что для различных плазменных разрядов эта система, которая имеет высокое отношение сигнал/шум и высокое временное разрешение детектора, позволяет измерять «глобальные» квазикогерентные флуктуации плотности плазмы в диапазоне частот 3...20 кГц

Behaviour features of the radiative losses of the torsatron U – 3M plasma

The total bolometrically measured plasma radiation losses on the RF heating power were found. The results of measurements demonstrate a nonmonotonic dependence of radiation losses on RF power. Namely, at low RF power levels (80...170 kW) the total radiation losses raised with increasing the RF power. However, the total radiation losses decreased sharply when RF power exceeded 200 kW (down to ≈20 kW at 240 kW of RF power). Simultaneously, the intensity of impurity lines fell down significantly, whereas the average electron temperature (found from ECE measurement) did increase. The authors consider that screening properties of periphery plasma give reasons for above experimental facts.На торсатроне “У-3М” проведены измерения зависимости общих радиационных потерь от уровня вводимой в плазму ВЧ-мощности. Измерения показали немонотонную зависимость величины радиационных потерь от уровня вводимой ВЧ-мощности. При вводимой ВЧ-мощности на уровне 80...170 кВт величина радиационных потерь пропорционально возрастает. Доля радиационных потерь резко падает (до ~10% от вводимой ВЧ мощности) когда ВЧ-мощность достигает ≥200 кВт. Одновременно (более чем на порядок) уменьшаются интенсивности примесных линий, в то время как электронная температура в области удержания продолжает расти (ЭЦР радиометр). Авторы полагают, что объяснением приведенных выше экспериментальных фактов могут быть экранирующие свойства магнитной конфигурации торсатрона.На торсатроні “У-3М” проведені вимірювання залежності загальних радіаційних втрат від рівня введеної у плазму ВЧ-потужності. Виміри показали немонотонну залежність радіаційних втрат від рівня ВЧ-потужності. При введеній ВЧ-потужності на рівні 80...170 кВт доля радіаційних втрат пропорційно зростає. Доля радіаційних втрат різко зменшується (до ~10% від рівня ВЧ-потужності) коли введена ВЧ-потужність досягає рівня ≥200 кВт. Одночасно (більше ніж на порядок) зменшується інтенсивність ліній домішок, в той же час електронна температура продовжує зростати (ЕЦР радіометр). Автори вважають, що поясненням наведених вище експериментальних фактів можуть бути екрануючі властивості магнітної конфігурації торсатрону

Radial distributions of RF discharge plasma parameters and radial electric field in the Uragan-3M torsatron

The results of local measurements of RF discharge plasma parameters (plasma density and its fluctuations, electron temperature and energy of superthermal electrons, plasma poloidal rotation velocity) in the Uragam-3M torsatron are presented. The obtained data are analyzed taking into account the peculiarities of the Uragan-3M magnetic configuration and scenario of RF plasma production and heating. Some suppositions about mechanisms of a radial electric field generation are discussed with the calculation of a magnetic configuration island structure

Creation of low density starting plasma with small frame antenna at Uragan-3M device

Deficient shot-to-shot stability of Uragan-3M discharges makes difficult to reproduce experimental results over the period of experimental session. An efficient way of reducing difference between shots is creation of initial low density plasma before the main discharge to start up. A RF pre-ionization in the same frequency range as that of the main discharge is used in the Uragan-3M torsatron. The pre-ionization provides stable discharges during the whole experimental campaign. The main parameters of the pre-ionization plasma are measured and discussed.Нестабильность разрядов Урагана-3М затрудняет воспроизведение экспериментальных результатов в течение одной экспериментальной кампании. Эффективным способом устранения различия между параметрами плазмы в разных импульсах является предионизация ВЧ-разрядной низкоплотной плазмой, которая создается малой рамочной антенной. Предионизация обеспечивает стабильность разрядов в течение всей экспериментальной кампании. Были измерены и оценены основные параметры предионизационной плазмы.Нестабільність розрядів Урагана-3М утрудняє відтворення експериментальних результатів на протязі однієї експериментальної кампанії. Ефективним способом усунення різниці між параметрами плазми в різних імпульсах є передіонізація ВЧ-розрядною низькощільною плазмою, яка створюється малою рамковою антеною. Передіонизація забезпечує стабільність розрядів на протязі всієї експериментальної кампанії. Були виміряні й оцінені основні параметри передіонізаційної плазми

Behaviour of the radiation of the suprathermal electrons at the Uragan-3M torsatron after RF heating off from ECE measurements

The microwave radiometry is a well-known diagnostics to obtain the information on temporal evolution and radial profile of the electron temperature at U-3M torsatron plasma experiments. However, under low plasma density with this diagnostics we report on the large production of runaway electrons after RF heating pulse off. We notice a gradually increasing of the radiometer signal at the frequencies that match the second and third harmonics of electron cyclotron emission of the extraordinary mode. This effect could be explained with the existence of the “runaway” electrons in U-3M discharge. A phenomenological description of this process is presented, where the time evolution of the ECE radiation signal is compared to the electron density evolution.Микроволновая радиометрия является хорошо известной диагностикой для получения информации о временной эволюции и виде радиального профиля температуры электронов во время плазменных экспериментов на торсатроне У-3М. Тем не менее, в случае низкоплотной плазмы при помощи этой диагностики наблюдается появление значительного числа «убегающих» электронов после отключения импульса высокочастотного нагрева. Замечено постепенное увеличение сигнала радиометра на частотах, которые соответствуют второй и третьей гармоникам электронной циклотронной эмиссии необыкновенной волны. Этот эффект можно объяснить существованием «убегающих» электронов в разряде У-3М. Представлено феноменологическое описание этого процесса, где временная эволюция сигнала излучения ECE сравнивается с эволюцией плотности электронов.Мікрохвильова радіометрія є добре відомою діагностикою, для отримання інформації про тимчасову еволюцію та вигляд радіального профілю температури електронів під час плазмових експериментів на торсатроні У-3М. Тим не менш, у випадку низькощільної плазми за допомогою цієї діагностики спостерігається поява значного числа «тікаючих» електронів після відключення імпульсу високочастотного нагріву. Помічено поступове збільшення сигналу радіометра на частотах, які відповідають другій і третій гармонікам електронної циклотронної емісії незвичайної хвилі. Цей ефект можна пояснити існуванням «тікаючих» електронів у розряді У-3М. Представлено феноменологічний опис цього процесу, де тимчасова еволюція сигналу випромінювання ECE порівнюється з еволюцією щільності електронів

Usage of three-halfturn antenna at the Uragan-3M device

Unshielded THT antenna is successfully used: (i) for heating of plasma prepared by the frame antenna pulse, (ii) for making an initial plasma with low density ~10¹⁰ cm⁻³ for further frame antenna operation, (iii) for independent generation and heating plasma at low magnetic fields B₀ <0.7 T and (iv) for mutual operation with frame antenna. In the last scenario both antennas contribute to plasma heating.Неэкранированная трехполувитковая антенна успешно используется: (i) для нагрева плазмы, подготовленной импульсом рамочной антенны; (ii) для создания начальной плазмы низкой плотности ~ 10¹⁰ см⁻³ для дальнейшей работы рамочной антенны; (iii) для независимого создания и нагрева плазмы в магнитных полях B₀ <0,7 Тл; (iv) для совместной роботы с рамочной антенной (в этом случае обе антенны дают вклад в нагрев плазмы).Неекранована трьохнапіввиткова антена успішно використовується: (i) для нагріву плазми, підготовленої імпульсом рамкової антени; (ii) для створення початкової плазми з низькою густиною ~ 10¹⁰ см⁻³ для подальшої роботи рамкової антени; (iii) для незалежного створення та нагріву плазми в магнітних полях B₀ <0,7 Тл; (iv) для взаємної роботи з рамковою антеною (у цьому випадку обидві антени роблять внесок до нагріву плазми)

Plasma parameters evolution during conditioning RF discharges in Uragan-2M torsatron

The results of the plasma parameters optimization measured via two-chord interferometry, radiometry, and the registering of the Нα, CIII, OII lines intensity are discussed. The optimization was realized by variation of RF scenario of the RF power introduction, pressure and magnetic field.Обговорюються результати оптимізації параметрів плазми вимірюваних за допомогою двохордової інтерферометрії, радіометрії і реєстрації інтенсивності ліній Нα, СІІІ, ОІІ. Оптимізація здійснювалась шляхом зміни сценаріїв вводу ВЧ-потужності, тиску і магнітного поля.Обсуждаются результаты оптимизации параметров плазмы, измеряемых с помощью двуххордовой интерферометрии, радиометрии и регистрации интенсивности линий Нα, СІІІ, ОІІ. Оптимизация осуществлялась путем варьирования сценариев ввода ВЧ- мощности, давления и магнитного поля