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

The study of the radial location of quasi-coherent modes by heavy ion beam probe in the TJ-II stellarator

Recent experiments in low magnetic shear flexible heliac TJ-II have shown that steady frequency and chirping Alfvén Eigenmodes take place with 100 kHz< fAE <300 kHz at both pure NBI and combined ECR and NBI heated plasmas with low line-averaged density ne = (0.3…1.5)×10¹⁹ m⁻³ at Low Field Side (LFS) and High Field Side (HFS) of the plasma column. Furthermore, several types of low-frequency modes with f < 30 kHz, such as suprathermal electrostatic modes, tearing-like modes, quasicoherent modes with long-range potential correlations, were also observed. Power spectra for electrostatic and electromagnetic oscillations for all types of modes are presented along with their spatial location detected by dual Heavy Ion Beam Probe (HIBP).Експерименти на стелараторі TJ-II показують, що альфвеновські моди у частотному діапазоні 100 кГц< fAE <300 кГц збуджуються в режимах з інжекцією пучка нейтральних атомів, а також в режимах з комбінованим ЕЦР-нагріванням і нейтральною інжекцією при середньохордовій густині електронів ne = (0,3 … 1,5)×10¹⁹ м⁻³. Моди збуджуються як на стороні слабкого, так і на стороні сильного поля. Крім того, у плазмі TJ-II спостерігаються моди з частотами f <30 кГц, а саме моди, що збуджуються швидкими електронами, тірінг-подібні моди, а також моди, що характеризуються далекими кореляціями електричного потенціалу. Деякі моди мають тільки електростатичну компоненту коливань, інші також видно на спектрах коливань густини електронів і полоїдального магнітного поля. У рамках даної роботи була визначена радіальна локалізація кожного типу згаданих квазікогерентних мод. Для цього використовувалися два діагностичних комплекси на пучках важких іонів, магнітні зонди і болометри (AXUV-детектори).Эксперименты на стеллараторе TJ-II показывают, что альфвеновские моды в частотном диапазоне 100 кГц< fAE <300 кГц возбуждаются в режимах с инжекцией пучка нейтральных атомов, а также в режимах с комбинированным ЭЦР-нагревом и нейтральной инжекцией при среднехордовой плотности электронов ne = (0,3…1,5)×10¹⁹ м⁻³. Моды возбуждаются как на стороне слабого, так и на стороне сильного поля. Кроме того, в плазме TJ-II наблюдаются моды с частотами f < 30 кГц, а именно моды, возбуждаемые быстрыми электронами, тиринг-подобные моды, а также моды, характеризующиеся дальними корреляциями электрического потенциала. Некоторые моды имеют только электростатическую компоненту колебаний, другие также видны на спектрах колебаний плотности электронов и полоидального магнитного поля. В рамках данной работы была определена радиальная локализация каждого типа упомянутых квазикогерентных мод. Для этого использовалось два диагностических комплекса на пучках тяжелых ионов, магнитные зонды и болометры (AXUV-детекторы)

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

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

Role of turbulence and electric fields in the establishment of improved confinement in tokamak plasmas

An extensive (INTAS) research programme started in 2002 to investigate the correlations between on the one hand the occurrence of transport barriers and improved confinement in the medium-size tokamaks TEXTOR and T-10 and on the smaller tokamaks FT-2, TUMAN-3M and CASTOR, and on the other hand electric fields, modified magnetic shear and electrostatic and magnetic turbulence using advanced diagnostics with high spatial and temporal resolution and of various active means to externally control plasma transport . This has been done in a strongly coordinated way and exploiting the complementarity of TEXTOR and T-10 and the backup potential of the three other tokamaks, which together have all the relevant experimental tools and theoretical expertise

Measurement of prompt D0^{0} and D‾\overline{D}0^{0} meson azimuthal anisotropy and search for strong electric fields in PbPb collisions at root SNN\sqrt{S_{NN}} = 5.02 TeV

The strong Coulomb field created in ultrarelativistic heavy ion collisions is expected to produce a rapiditydependent difference (Av2) in the second Fourier coefficient of the azimuthal distribution (elliptic flow, v2) between D0 (uc) and D0 (uc) mesons. Motivated by the search for evidence of this field, the CMS detector at the LHC is used to perform the first measurement of Av2. The rapidity-averaged value is found to be (Av2) = 0.001 ? 0.001 (stat)? 0.003 (syst) in PbPb collisions at ?sNN = 5.02 TeV. In addition, the influence of the collision geometry is explored by measuring the D0 and D0mesons v2 and triangular flow coefficient (v3) as functions of rapidity, transverse momentum (pT), and event centrality (a measure of the overlap of the two Pb nuclei). A clear centrality dependence of prompt D0 meson v2 values is observed, while the v3 is largely independent of centrality. These trends are consistent with expectations of flow driven by the initial-state geometry. ? 2021 The Author. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY licens