50 years of hot plasma diagnostic with heavy ion beam probing (HIBP) at the Kharkov institute of physics and technology

An overview describes the evolution of HIBP diagnostics from the origins till today. The progress in the beam technology is presented by examples of HIBPs in tokamaks and stellarators. At the beginning, HIBP provided timeaveraged measurements of plasma potential in single space location, then it evolves to time-resolved measurements of radial distributions and finally it becomes a multi-purpose diagnostics to study the temporal evolution of 2D distributions of potential and turbulence, including the long-range potential correlations with dual HIBP. Highlights in plasma potential profile evolution, a link between potential, density and confinement, geodesic acoustic modes, steady and chirping Alfvén eigenmodes, turbulent particle flux are presented.Представлено огляд розвитку діагностики зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ) від витоків до сьогодення. Прогрес у пучковій технології представлений на прикладах ЗППВІ в токамаках і стелараторах. Спочатку методом ЗППВІ вимірювала усереднені за часом потенціал плазми в одній точці, потім він дозволив знаходити радіальні розподіли з часовою роздільною здатністю, і, нарешті, він стає багатоцільовою діагностикою для вивчення часової еволюції двовимірних розподілів потенціалу і турбулентності, включаючи далекодіючі кореляції потенціалу, вимірювані здвоєним ЗППВІ. Детально розглянуто еволюцію профілю потенціалу плазми, зв'язку між потенціалом, густиною і утриманням, геодезичні акустичні моди, стаціонарні і чирпіровані альфвенівські власні моди, турбулентний потік частинок.Представлен обзор развития диагностики зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ) от истоков до сегодняшнего дня. Прогресс в пучковой технологии представлен на примерах ЗППТИ в токамаках и стеллараторах. Вначале методом ЗППТИ измерялся усредненный по времени потенциал плазмы в одной точке, затем он позволил находить радиальные распределения с временным разрешением, и, наконец, он становится многоцелевой диагностикой для изучения временной эволюции двумерных распределений потенциала и турбулентности, включая дальнодействующие корреляции потенциала, измеряемые сдвоенным ЗППТИ. Подробно рассмотрены эволюция профиля потенциала плазмы, связи между потенциалом, плотностью и удержанием, геодезические акустические моды, стационарные и чирпированные альфвеновские собственные моды, турбулентный поток частиц

Applicability of Heavy Ion Beam Probing (HIBP) system for stellarator WEGA

The applicability of the HIBP for stellarator WEGA is described in this article. It is possible to use such diagnostics for local plasma parameters measurement. Calculations of probing Na + beam trajectories were done for WEGA magnetic configuration with B0 = 0.5 T. The trajectory optimization aiming for the maximal plasma observation was done for chosen entrance and exit port combination. The calculation showsthat HIBPallows getting radial profiles of plasma parameters. The detector line of equal entrance angle connects the central area and the edge of the plasma column for beam energy E =30-60 keV. The detector line of equal energy E = 40 keV allowsto obtain series of radial profiles during single shot by changing of the beam entrance angle with the scan of control voltage.У статті описана можливість застосування HIBP діагностики для стеларатора WEGA. Можливе застосування цієї діагностики для локального вимірювання параметрів плазми. Проведені розрахунки траєкторій пучка іонів натрію для магнітної конфігурації WEGA з Bo = 0.5 T. Проведено оптимізацію траєкторій з метою одержання максимально можливої області спостерігання плазми для даної комбінації вхідного та вихідного портів. Розрахунки показують можливість одержання радіальних профілів параметрів плазми за допомогою HIBP діагностики. Детекторна лінія для постійного кута входу торкается центральної області та периферії плазми при енергії пучка E =30-60 keV. Детекторна лінія для постійної енергії E = 40 keV дозволяє одержати серію радіальних профілів за один постріл при зміні вхідного кута за допомогою сканування пучка керуючою напругою.В статье описана возможность применения HIBP диагностики для стелларатора WEGA. Возможно применения этой диагностики для локальных измерений параметров плазмы. Проведены расчеты траекторий пучка ионов натрия для магнитной конфигурации WEGA с Bo = 0.5 T. Проведена оптимизация траекторий с целью получения максимально возможной области наблюдения плазмы при данной комбинации входного и выходного портов. Расчеты показывают возможность получения радиальных профилей параметров плазмы с помощью HIBP диагностики. Детекторная линия для постоянного угла входа касается центральной области и периферии плазмы при энергии пучка E =30-60 keV. Детекторная линия для постоянной энергии E = 40 keV позволяет получить серию радиальных профилей за один разряд при изменении входного угла с помощью сканирования пучка управляющим напряжением

Study of gams and related turbulent particle flux with hibp in the T-10 tokamak

The new findings in the behavior of geodesic acoustic modes (GAMs) and turbulent particle flux dynamics on the T-10 tokamak are presented. For the first time in T-10 the broadband oscillations ( 0.8, the dominated GAM peak with frequency ~ 14 kHz and noticeable peak of quasi-coherent oscillations in the frequency band 40…100 kHz were observed. The multichannel HIBP measurements were performed to measure poloidal electric field Epol and to retrieve the electrostatic turbulent radial particle flux driven by E×B drift. The preliminary experiment shows that in contrast to the power spectral density of plasma potentials, GAM peak was almost invisible in the Epol power spectrum and on the frequency resolved turbulent particle flux. These results are consistent with the general concept of GAM as a high-frequency branch of zonal flows, having symmetric poloidal structure of potential perturbation, which were supported by earlier observation of poloidal mode number m=0 in T-10.Представлены новые результаты исследований геодезических акустических мод (ГАМ) и турбулентного потока частиц на токамаке T-10. Впервые на Т-10 в разрядах с омическим и ЭЦР-нагревом (Bt = 1,6…2,4 Tл, Ipl = 0,15…0,3 MA, n‾e = (0.6…5)×10¹⁹ m⁻³) в горячей зоне плазмы с помощью зондирования пучком тяжёлых ионов (ЗПТИ) измерены широкополосные колебания электрического потенциала и плотности с частотами до 250 кГц. На периферии, r/a > 0,8, наблюдался преобладающий пик ГАМ с частотой ~ 14 кГц и заметный пик квазикогерентных колебаний с частотами 40…100 кГц. Многоканальные ЗПТИ измерения позволили оценить полоидальное электрическое поле Epol и найти радиальный электростатический турбулентный поток частиц, возбуждаемый E×B дрейфом. Предварительные эксперименты показали, что ГАМ пик виден на спектре колебаний потенциала, но практически не виден на спектре Epolи на частотно разрешённом потоке частиц. Эти результаты согласуются с общей теоретической концепцией, что ГАМ – это высокочастотная ветвь зональных потоков с симметричной полоидальной структурой возмущений потенциала, а также с прежними наблюдениями полоидального модового числа m = 0.Представлено нові результати досліджень геодезичних акустичних мод (ГАМ) і турбулентного потоку часток на токамаці T-10. Вперше на Т-10 в розрядах з омічним і ЕЦР-нагрівом (Bt = 1,6…2,4 Tл, Ipl = 0,15...0,3 MA, n‾e = (0.6…5)×10¹⁹ m⁻³) у гарячій зоні плазми за допомогою зондування пучком важких іонів (ЗПВІ) виміряні широкосмугові коливання електричного потенціалу та щільності з частотами до 250 кГц. На периферії, r/a > 0,8, спостерігався переважаючий пік ГАМ з частотою ~ 14 кГц і помітний пік квазікогерентних коливань з частотами 40…100 кГц. Багатоканальні ЗПВІ виміри дозволили оцінити полоїдальне електричне поле Epol і знайти радіальний електростатичний турбулентний потік часток, збуджуваний E×B дрейфом. Попередні експерименти показали, що ГАМ пік видно на спектрі коливань потенціалу, але практично не видно на спектрі Epol і на частотно дозволеному потоці часток. Ці результати узгоджуються із загальною теоретичною концепцією, що ГАМ - це високочастотна гілка зональних потоків з симетричною полоїдальною структурою обурень потенціалу, а також з колишніми спостереженнями полоїдального модового числа m = 0

Study of poloidal structure of geodesic acoustic modes in the T-10 tokamak with heavy ion beam probing

The poloidal structure of geodesic acoustic modes (GAMs) was studied on the T-10 tokamak by heavy ion beam probing with multichannel energy analyzer. GAMs were mainly pronounced on the plasma electric potential. The poloidal phase shift between the potential oscillations was determined by the two-point correlation technique. It was shown that GAM potential oscillations have the poloidal mode number m=0 in the core plasma. This experimental result agrees with theoretical predictions.На токамаке T-10 с помощью пучка тяжелых ионов исследована полоидальная структура геодезических акустических мод (ГАМ), которые явно видны на потенциале плазмы. Фазовый сдвиг между колебаниями потенциала определялся методом двухточечной корреляции с помощью многоканального энергетического анализатора. Показано, что ГАМ на потенциале имеют полоидальное модовое число m=0. Этот экспериментальный результат согласуется с теоретическими предсказаниями.На токамаці T-10 за допомогою пучка важких іонів досліджена полоїдальна структура геодезичних акустичних мод (ГАМ), що явно видно на потенціалі плазми. Фазове зміщення між коливаннями потенціалу визначається методом двохточечної кореляції за допомогою багатоканального енергетичного аналізатора. Показано, що ГАМ на потенціалі мають полоїдальное модове число m=0. Цей експериментальний результат узгоджується з теоретичними передбаченнями

The development of light ion injector for the plasma diagnostic system based on beam emission spectroscopy

The development of light ion injector and neutralizer for the BES plasma diagnostic system and its first experimental results are presented in this work. This injector will be used for neutral beam plasma diagnostic systems. Diagnostic systems based on neutral beams of Li or Na atoms can be used to study the spatial plasma density profiles, impurity ions and magnetic field distribution in the border region of the plasma fusion devices. This method is based on the detection of the probe beam glow of atoms excited by the plasma electrons. These diagnostic systems consist of two main parts – the neutral beam injector (including the ion beam accelerator and neutralizer) and the secondary light signal registration system. Light ion beam accelerator based on the five-electrode ion-optical system, in contrast to the classical three-electrode system, delivers beams of lithium or sodium with current 3…5 mA at a beam energy 20…25 keV. The neutralizer is based on the supersonic jet of sodium vapor formed by Laval nozzle. The first experiments of neutralizing the ion beam with a transverse supersonic atomic jet was done.Представлена разработка инжектора легких ионов и нейтрализатора для ПЭС-системы диагностики плазмы и первые экспериментальные результаты. Этот инжектор будет использован для диагностики плазмы с помощью пучка нейтральных атомов. Диагностические системы, основанные на нейтральных пучках атомов Li или Na, могут быть использованы для исследования пространственных профилей плотности плазмы, примесей ионов и распределения магнитного поля в пограничных областях плазмы термоядерных установок. Этот метод основан на регистрации свечения атомов зондирующего пучка, возбуждаемых электронами плазмы. Эти диагностические системы состоят из двух основных частей: инжектора нейтральных атомов (включающего ускоритель пучка ионов и нейтрализатор) и системы регистрации излучения. Ускоритель легких ионов, базирующийся на пятиэлектродной ионно-оптической системе, в отличие от классической трехэлектродной, позволяет получать пучки ионов лития или натрия с током 3…5 мА при энергии пучка 20…25 кэВ. Нейтрализатор основан на сверхзвуковой струе паров натрия, формируемой с помощью сопла Лаваля. Проведены первые эксперименты по нейтрализации пучка ионов с помощью поперечной сверхзвуковой струи.Представлена розробка інжектора легких іонів і нейтралізатора для системи ПЕС діагностики плазми та перші експериментальні результати. Цей інжектор буде використаний для діагностики плазми за допомогою пучка нейтральних атомів. Діагностичні системи, засновані на нейтральних пучках атомів Li або Na, можуть бути використані для дослідження просторових профілів густини плазми, домішкових іонів і розподілу магнітного поля в приграничних областях плазми термоядерних установок. Цей метод заснований на реєстрації світіння атомів зондуючого пучка, збуджуваних електронами плазми. Ці діагностичні системи складаються з двох основних частин: інжектора нейтральних атомів (що включає прискорювач пучка іонів і нейтралізатор) та системи реєстрації випромінювання. Прискорювач легких іонів, який базується на п’ятиелектродній іонно-оптичній системі, на відміну від класичної трьохелектродної, дозволяє отримувати пучки іонів літію або натрію зі струмом 3…5 мА при енергії пучка 20…25 кеВ. Нейтралізатор заснований на надзвуковому струмені пари натрію, формованої за допомогою сопла Лаваля. Проведені перші експерименти з нейтралізації пучка іонів за допомогою поперечного надзвукового струменя

HIBP diagnostic for Uragan-2M stellarator

The project of the Heavy Ion Beam Probe (HIBP) plasma diagnostic system for stellarator Uragan-2M is presented. The device Uragan-2M is the flexible torsatron machine with small helical ripples and considerably high size and magnitude of the magnetic field (R = 170 cm, ape = 22 , B0 = 0.8…2.4 T, l = 2, m = 4). Necessary calculations by using the computer code made in HIBP group to optimize HIBP diagnostic set for stellarator Uragan-2MПредставлено проект системи діагностики зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ) для стеларатора Ураган-2М. Установка Ураган-2М являє собою гнучкий торсатрон з малими гелікоїдальними гофрами, з великими розмірами й величиною магнітного поля (R = 170 см, ape = 22 см, B0 = 0.8...2.4 T, l = 2, m = 4). З метою оптимізації параметрів діагностичного пристрою для стеларатора Ураган-2М проведено розрахунки з використанням комп’ютерних програм, які були розроблені групою ЗППВІ- діагностики.Представлен проект системы диагностики зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ) для стелларатора Ураган-2М. Установка Ураган-2М представляет собой гибкий торсатрон с малыми геликоидальными гофрами, с большими размерами и величиной магнитного поля (R = 170 см, ape = 22 см, B0 = 0.8...2.4 T, l = 2, m = 4). С целью оптимизации параметров диагностического устройства для стелларатора Ураган-2М проведены расчеты с использованием компьютерных программ, разработанных в группе ЗППТИ- диагностики

Investigations of thermo-ionic emitters of heavy alkali metals for diagnostic injector of “Uragan-2M” stellarator

The results of solid-state thermo-ionic emitters of Cs⁺ and Tl⁺ ions investigations are presented. These emitters are planned to use in heavy ion beam diagnostic system for “Uragan-2M” stellarator. According to estimations for HIBP diagnostic system operations it is necessary to have primary beam current up to 0.5 mA. The aim of these investigations was determination of emission rate, mass-spectrum of ion beam during the beam extraction time and heavy ion beam current stability in area of 0.5 mA.Представлено результати досліджень твердотілих термоемітерів важких іонів Cs⁺ та Tl⁺ . Цей тип емітерів планується використати у діагностичному комплексі на стеллараторі «Ураган-2М». Згідно з проведеними розрахунками для роботи діагностичного комплексу на пучках важких іонів необхідна величина первинного струму біля 0.5 мА. Метою досліджень було визначення емісійної здатності емітерів, масового спектру потоку іонів у процесі відбору струму та стабільності величини струму іонів важких металів у режимі 0.5 мА.Представлены результаты исследований твердотельных термоэмиттеров тяжелых ионов Cs⁺ и Tl⁺. Данный тип эмиттеров планируется использовать в диагностическом комплексе на стеллараторе «Ураган-2М». Согласно проведенным расчетам, для работы диагностического комплекса необходима величина первичного тока ионов порядка 0.5 мА. Целью исследований было определение эмиссионной способности эмиттера, массового спектра потока ионов в процессе отбора тока и стабильности величины тока ионов тяжелых металлов в режиме 0.5 мА

HIBP diagnostic injectors for Uragan-2M and TJ-II stellarators

The testing and first operations of the Heavy Ion Beam Probe (HIBP) plasma diagnostic injectors for stellarator Uragan-2M and TJ-ІІ is presented in this work. The increasing of plasma density in modern fusion devices up to (3...7)×10^19m^-3 (TJ-ІІ and T-10) leads to huge probing ion beam absorption in central plasma area. One way to obtain the HIBP information from plasma centre is the increasing of primary ion beam current. A new modification of HIBP injectors for TJ-ІІ and Uragan 2M stellarators was developed and tested in IPP NSC KIPT with energy up to 100 keV and ion current up to 300 μA

Features of HIBP diagnostics application to stellarator-like devices

Features of heavy ion beam probe application to stellarator-like devices have been connected with specific stellarator characteristics: zero (negligible) plasma current, relatively high poloidal and stray magnetic fields, toroidal asymmetry of magnetic surfaces and various operational regimes connected with different magnetic configurations. This paper shows how to decrease the errors in HIBP measurements due to these disadvantages. Absence of the plasma current in stellaratorlike devices gives possibility to make secondary ion beam energy analyzer calibration in situ in each plasma shot. This advantage improves accuracy of plasma potential measurements by HIBP diagnostic on TJ-II stellarator.Можливості застосування діагностики плазми за допомогою пучка важких іонів у пристроях стеллараторного типу зв’язанізі специфічними характеристиками стеллараторів: практично нульовий струм плазми, відносно високізначення полоідальних і розсіяних магнітних полів, тороідальна асиметрія магнітних поверхонь; і різними режимами роботи з різними магнітними конфігураціями. Показано, як можна знизити рівень похибок НІВР вимірювань, зв’язаних з цими несприятливими умовами. Відсутність струму плазми у пристроях стеллараторного типу дає можливість проводити калібровку аналізатора енергій вторинного пучка іонів у кожному плазмовому розряді. Це дозволяє збільшити точність вимірювань потенціалу плазми за допомогою пучка важких іонів на стеллараторі TJ-II.Возможности применения диагностики плазмы с помощью пучка тяжелых ионов в установках стеллараторного типа связаны со специфическими характеристиками стеллараторов: практически нулевой ток плазмы, относительно высокие значения полоидальных и рассеянных магнитных полей, тороидальная ассиметрия магнитных поверхностей; и различными режимами работы с разными магнитными конфигурациями. Показано, как можно снизить уровень ошибок HIBP измерений, вызванных этими неблагоприятными условиями. Отсутствие тока плазмы в установках стеллаторного типа дает возможность проводить калибровку анализатора энергий вторичного пучка ионов непосредственно в каждом плазменном разряде. Это позволяет увеличить точность измерения потенциала плазмы с помощью пучка тяжелых ионов на стеллараторе TJ-II