Confinement of the 0.5…4.5 keV plasma ions in low density discharges of the U-3M torsatron

Dependences of the charge exchange (CX) fluxes of neutral are investigated via neutral particle analyzers (NPA) in the U-3M torsatron. Fast (≤0.5 ms) decay of the vertical and tangential CX fluxes has been observed after turning off RF heating power. According to these measurements, the U-3M energy confinement time of the 0.5…4.5 keV ions is less than 0.5 ms in the low density (ne=(1…4)·10¹² cm⁻³) discharges. No difference between confinement of the ion energy component parallel to the magnetic field and confinement of the perpendicular to the magnetic field one was observed in U-3M. Evidently, an ion cooling through CX collisions with neutrals sustain the main channel of the 0.5…4.5 keV ion energy loss in the U-3M torsatron.Зависимости потоков нейтралов перезарядки измерены с помощью анализаторов нейтральных частиц в торсатроне У-3М. Быстрое (≤0.5 мс) время спада вертикального и тангенциального потоков нейтралов перезарядки наблюдалось после выключения мощности ВЧ-нагрева. Согласно этим измерениям время удержания энергии 0.5…4.5 кэВ ионов в У-3М меньше, чем 0.5 мс в низкоплотных (ne=(1…4)·10¹² cm⁻³) разрядах. В У-3М не было обнаружено разницы между удержанием компонентов ионной энергии параллельной и перпендикулярной магнитному полю. По-видимому, остывание ионов посредством актов перезарядки с нейтралами является основным каналом потери энергии 0.5…4.5 кэВ ионов в торсатроне У-3М.Залежності потоків нейтралів перезарядки виміряні за допомогою аналізаторів нейтральних частинок у торсатроні У-3М. Швидкий (≤0.5 мс) час спаду вертикального і тангенціального потоків нейтралів перезарядки спостерігався після виключення потужності ВЧ-нагріву. Згідно цим вимірам час утримання енергії 0.5…4.5 кеВ іонів в У-3М менший, ніж 0.5 мс у розрядах з малою густиною (ne = (1…4)·10¹² cm⁻³). B У-3М не було виявлено різниці між утриманням компонент іонної енергії паралельної та перпендикулярної магнітному полю. Мабуть охолодження іонів за допомогою актів перезарядки з нейтралами є основним каналом втрати енергії 0.5…4.5 кеВ іонів у торсатроні У-3М

Distribution of 0.2…4.5 keV plasma ions in set of U-2M discharges

Charge exchange (CX) neutral fluxes were measured by neutral particle analyzer (NPA) in plasma discharges sustained by the W7-X-like radio frequency (RF) antenna in the Uragan-2M (U-2M) stellarator. CX fluxes in pure hydrogen discharge (B₀ = 0.36 T, f = 4.926 MHz) in stellarator configuration (effective perpendicular ion temperature T⊥ ≈ 450 eV) is less energetic in comparison with U-2M hybrid configuration (T⊥ ≈ 800 eV). RF discharge in stellarator configuration with helium and hydrogen mixture (B₀ = 0.351 T; f = 5.156 MHz, P = 6·10⁻⁴Torr) shows more energetic CX fluxes (T⊥ ≈ 1 keV). The ion cyclotron frequency distribution across the U-2M plasma has been studied numerically. These calculations are accompanied by direct measurement of the RF frequency by magnetic sensor. The ion cyclotron frequency is present in plasma bulk of all discharges under consideration.Потік нейтралів перезарядки вимірювався аналізатором нейтральних частинок у плазмових розрядах, що підтримуються радіочастотною W7-X-подібної антеною у стелараторі Ураган-2М (У-2М). Потоки нейтралів перезарядки в чисто водневому розряді (B₀ = 0,36 Тл, f = 4,926 МГц) у стелараторній конфігурації (ефективна перпендикулярна температура іонів T⊥ 450 эВ) менш енергійні в порівнянні з гібридною конфігурацією У-2М (T⊥≈ 800 эВ). ВЧ-розряд в стелараторній конфігурації з сумішшю гелію і водню (B₀ = 0,351 Тл; f = 5,156 МГц, P = 6 · 10⁻⁴Торр) показує більш енергійні потоки нейтралів перезарядки (T⊥ ≈ 1кэВ). Чисельний розрахунок розподілу іонної циклотронної частоти в плазмі У-2М, а також пряме вимірювання ВЧ частоти магнітним датчиком показують, що іонна циклотронна частота присутня в обсязі плазми всіх розглянутих розрядів.Поток нейтралов перезарядки измерялся анализатором нейтральных частиц в плазменных разрядах, поддерживаемых радиочастотной W7-X-подобной антенной в стеллараторе Ураган-2М (У-2М). Потоки нейтралов перезарядки в чисто водородном разряде (B₀ = 0,36 Тл, f = 4,926 МГц) в стеллараторной конфигурации (эффективная перпендикулярная температура ионов T⊥ ≈ 450 эВ) менее энергичны по сравнению с условиями гибридной конфигурации У-2М (T⊥ ≈ 800 эВ). ВЧ-разряд в стеллараторной конфигурации со смесью гелия и водорода (B₀ = 0,351 Тл; f = 5,156 МГц, P = 6 · 10⁻⁴Торр) показывает более энергичные потоки нейтралов перезарядки (T⊥ ≈ 1кэВ). Численный расчёт распределения ионной циклотронной частоты в плазме У-2М, а также прямое измерение ВЧ-частоты магнитным датчиком показывают, что ионная циклотронная частота присутствует в объёме плазмы всех рассматриваемых разрядов

Dynamics of the main plasma parameters during spontaneous transition into the mode of improved confinement in torsatron U-3M

The work [1] contains discussion about the changes in plasma energy content and energy lifetime during the transition into the mode of improved confinement at RF-heating in torsatron U-3M in range of rare collision frequencies of plasma particles. It was proved, that both energy content of plasma volume and energy lifetime increase as a result of transition into the mode of improved confinement. This increase is almost in 2 times. Temporal behavior of such plasma parameters as ion and electron temperature, plasma density and average charge state of plasma ions in the modes with improved confinement are discussed and reviewed in this work.В торсатроне У-3М в режиме редких частот соударений проведены измерения энергосодержания плазмы и энергетического времени жизни. Показано, что при переходе в режим улучшенного удержания наблюдается почти двухкратное увеличение энергосодержания и энергетического времени жизни плазмы.У торсатроні У-3М в режимі рідкісних частот зіткнень проведені вимірювання енерговмісту плазми та енергетичного часу життя. Показано, що при переході в режим поліпшеного утримання спостерігається майже двократне збільшення енерговмісту та енергетичного часу життя

The analysis of turbulence and rotation U-3M torsatron plasma during transport barriers formation

The analysis of plasma density oscillations and E×B rotation of U-3M torsatron plasma was performed by UHR correlation reflectometry during the transport barrier formation. The connections between these characteristics and the phenomenon of inner and edge transport barrier formation were determined experimentally at the different values of HF power and plasma densit

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

Studies of edge turbulence in the Uragan-3M torsatron

Spatial and temporal behavior of the edge fluctuations and their correlation with plasma density behavior inside the confinement region of the Uragan-3M torsatron are investigated. The key role of the radial electric field in turbulent transport suppression is shown.Досліджено динаміку флуктуацій поблизу межі плазми та їх кореляції з поведінкою щільності усередині об’єму утримання а торсатроні Ураган-3М. показана основна роль радіального електричного поля в пригнічені турбулентного потокуИсследована динамика флуктуаций вблизи границы плазмы и их корреляция с поведением плотности внутри объема удержания в торсатроне Ураган-3М. Показана основная роль радикального электрического поля в подавлении турбулентности поток

Effects of plasma heating on the magnitude and distribution of plasma flows in the helical divertor of the Uragan-3M torsatron

Recently, a strong up-down asymmetry in the poloidal distributions of diverted plasma flows has been observed in the l = 3/m = 9 Uragan-3M torsatron, in many features similar to what have been observed in the l = 2 Heliotron E heliotron/torsatron. With this asymmetry, the predominant outflow of the diverted plasma is directed with the ion toroidal drift. On this basis, the asymmetry can be related to the space non-uniformity of the charged particle loss. In the work reported, the magnitude of divertor flow in U-3M and the vertical asymmetry in its distribution are studied as functions of the heating parameter P/, P being the power absorbed in the plasma, and are juxtaposed with corresponding P-related changes in the density and fast ion content in the plasma. As P/ increases, an increase of fast ion content and of particle loss, on the one hand, and an increase of divertor flow magnitude and of vertical asymmetry of the flow, on the other hand, are observed. A mutual accordance between these processes validates the hypothesis on a dominating role of fast particle loss in formation of vertical asymmetry of divertor flows in helical devices

Divertor flow and particle loss behaviors in spontaneous change of confinement state in the URAGAN-3M torsatron

Under conditions of spontaneous change of plasma confinement state having been observed recently in the U-3M torsatron with a natural helical divertor, it is shown that at the initial phase of this change all the components of the diverted plasma flow (DPF) decrease, while thermal (TI) and suprathermal (STI) ion content in the bulk plasma increases and the TI+STI fraction in the DPF is reduced on the ion В×∇В drift side, thus indicating an improvement of ion confinement. The initial phase is ended by a DPF rise on the ion В×∇В drift side, a TI+STI content decay in the bulk plasma and a rise of TI+STI outflow into the DPF, these being indications of an ion confinement deterioration. However, a simultaneous DPF reduction on the electron В×∇В drift side and a rise of electron density and ECE indicate an improvement of electron confinement.В умовах виявленої раніше спонтанної зміни режиму утримання в торсатроні У-3М з природним гвинтовим дивертором показано, що на початковій стадії цієї зміни зменшуються всі складові плазмового диверторного потоку (ПДП), в той час, як зростає кількість теплових (ТІ) та надтеплових (НТІ) іонів в основній плазмі, засвідчуючи про покращення їх утримання. Початкова стадія завершується зростанням ПДП на боці іонного дрейфу В×∇В, зменшенням кількості ТІ та НТІ в основній плазмі та підвищеним виходом їх до ПДП, що є ознакою погіршення утримання іонів. Але одночасне зменшення ПДП на боці електронного дрейфу В×∇В і зростання електронної густини та електронного циклотронного випромінювання вказують на покращення утримання електронів.В условиях обнаруженного ранее спонтанного изменения режима удержания в торсатроне У-3М с естественным винтовым дивертором показано, что на начальной стадии этого изменения уменьшаются все составляющие плазменного диверторного потока (ПДП) и растёт содержание тепловых (ТИ) и сверхтепловых (СТИ) ионов в основной плазме, свидетельствуя об улучшении их удержания. Начальная стадия завершается возрастанием ПДП на стороне ионного дрейфа В×∇В, уменьшением содержания ТИ и СТИ в основной плазме и повышенным их уходом в ПДП, что говорит об ухудшении удержания ионов. Однако, при этом уменьшается ПДП на стороне электронного дрейфа В×∇В и растут плотность электронов и электронное циклотронное излучение, что указывает на улучшение удержания электронов

Transition to the improved confinement mode in torsatron U-3M in range of rare collision frequencies

Transition to the mode of improved plasma confinement in U-3M facility earlier was discussed in works [1-3]. In these studies discussed the various processes in the confinement volume and in the peripheral plasma that accompany the transition process. Study of plasma confinement and process of transition into the mode of improved confinement just at rare collisions between plasma particles is very important because future fusion reactor based on a toroidal magnetic trap will operate under plasma parameters with rare collision frequencies (“banana” mode). The peculiarity of experiments on torsatron U-3M is that they are conducted at small density ne ≤ 2×10^12 cm^-3 and, thereby, the frequency of collisions in the confinement area is in the "banana" mode [4]. And herewith, time of collisions is essentially smaller (up to several orders for electrons and up to the order for ions) than the lifetime of plasma particles. It ensures maxwellization of distribution function and possibility to compare the obtained results with data from other experiments. The objective of this work is to study the main regularity of transition into the mode of improved confinement. Also it is interesting to compare the results with data from other facilities