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

Overview of recent TJ-II stellarator results

The main results obtained in the TJ-II stellarator in the last two years are reported. The most important topics investigated have been modelling and validation of impurity transport, validation of gyrokinetic simulations, turbulence characterisation, effect of magnetic configuration on transport, fuelling with pellet injection, fast particles and liquid metal plasma facing components. As regards impurity transport research, a number of working lines exploring several recently discovered effects have been developed: the effect of tangential drifts on stellarator neoclassical transport, the impurity flux driven by electric fields tangent to magnetic surfaces and attempts of experimental validation with Doppler reflectometry of the variation of the radial electric field on the flux surface. Concerning gyrokinetic simulations, two validation activities have been performed, the comparison with measurements of zonal flow relaxation in pellet-induced fast transients and the comparison with experimental poloidal variation of fluctuations amplitude. The impact of radial electric fields on turbulence spreading in the edge and scrape-off layer has been also experimentally characterized using a 2D Langmuir probe array. Another remarkable piece of work has been the investigation of the radial propagation of small temperature perturbations using transfer entropy. Research on the physics and modelling of plasma core fuelling with pellet and tracer-encapsulated solid-pellet injection has produced also relevant results. Neutral beam injection driven Alfvénic activity and its possible control by electron cyclotron current drive has been examined as well in TJ-II. Finally, recent results on alternative plasma facing components based on liquid metals are also presented. ISSN:0029-5515 ISSN:1741-432

Observation of Oscillatory Radial Electric Field Relaxation in a Helical Plasma

Measurements of the relaxation of a zonal electrostatic potential perturbation in a non-axisymmetric magnetically confined plasma are presented. A sudden perturbation of the plasma equilibrium is induced by the injection of a cryogenic hydrogen pellet in the TJ-II stellarator, which is observed to be followed by a damped oscillation in the electrostatic potential. The waveform of the relaxation is consistent with theoretical calculations of zonal potential relaxation in a non-axisymmetric magnetic geometry. The turbulent transport properties of a magnetic confinement configuration are expected to depend on the features of the collisionless damping of zonal flows, of which the present letter is the first direct observation

Observation of oscillatory radial electric field relaxation in a helical plasma

Measurements of the relaxation of a zonal electrostatic potential perturbation in a non-axisymmetric magnetically confined plasma are presented. A sudden perturbation of the plasma equilibrium is induced by the injection of a cryogenic hydrogen pellet in the TJ-II stellarator, which is observed to be followed by a damped oscillation in the electrostatic potential. The waveform of the relaxation is consistent with theoretical calculations of zonal potential relaxation in a non-axisymmetric magnetic geometry. The turbulent transport properties of a magnetic confinement configuration are expected to depend on the features of the collisionless damping of zonal flows, of which the present letter is the first direct observation

Observation of oscillatory radial electric field relaxation in a helical plasma

Measurements of the relaxation of a zonal electrostatic potential perturbation in a non-axisymmetric magnetically confined plasma are presented. A sudden perturbation of the plasma equilibrium is induced by the injection of a cryogenic hydrogen pellet in the TJ-II stellarator, which is observed to be followed by a damped oscillation in the electrostatic potential. The waveform of the relaxation is consistent with theoretical calculations of zonal potential relaxation in a non-axisymmetric magnetic geometry. The turbulent transport properties of a magnetic confinement configuration are expected to depend on the features of the collisionless damping of zonal flows, of which the present letter is the first direct observation