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

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

The first operation of the heavy ion beam probing diagnostic (HIBP) on the Uragan-2M torsatron

The Heavy Ion Beam Probing (HIBP) diagnostic system has been installed and operates now on the Uragan-2M torsatron for the first time in Ukraine. The cesium ion beam with energy range of 17…120 keV and ion current of 10…150 μA was used in the first experiments for tracing the probing beam through torsatron magnetic field (0.39…0.4 T). The secondary ion beam with intensity in the range of 30…100 nA was detected on the first deflecting plate of the secondary beam-line according to preliminary calculations by using 80 keV primary beam energy and 100 μA of primary ion current. The primary beam with energy range of 17…20 keV (Ibeam≈10 μA) was traced through torsatron magnetic field towards the analyzer detection plates.Впервые в Украине введена в строй система диагностики плазмы с помощью пучка тяжелых ионов на торсатроне Ураган-2М. В первых экспериментах по проведению зондирующего пучка через магнитное поле торсатрона (0,39…0,4 Тл) использовался первичный пучок ионов цезия с энергией 17…120 кэВ и током 10…150 мкА. В соответствии с ранее проведенными расчетами осуществлена регистрация двукратного ионизованного пучка ионов цезия на первую отклоняющую пластину вторичного ионопровода (ток 30…100 нА) при энергии первичного пучка 70…80 кэВ и токе 100 мкА. Осуществлено проведение первичного пучка с энергией 17…20 кэВ (ток 10 мкА) через магнитное поле торсатрона до детекторных пластин анализатора.Вперше в Україні введено в дію систему діагностики плазми за допомогою пучка важких іонів на торсатроні Ураган-2М. У перших експериментах з проведення зондувального пучка крізь магнітне поле торсатрона (0,39… 0,4 Т) застосовано первинний пучок іонів цезію з енергією 17…120 кеВ та струмом 10…150 мкА. Згідно з попередніми розрахунками проведено реєстрацію вторинного пучка на першу пластину, яка відхиляє іони у вторинному іонопроводі (струм 30…100 нА) а енергії первинного пучка 70…80 кеВ та струму іонів 100 мкА. Здійснено проведення первинного пучка з енергією 17…20 кеВ (струм 10 мкА) крізь магнітне поле торсатрона до детекторних пластин аналізатора

Recent measurements of the electric potential profile and fluctuations in ECRH and NBI plasmas on TJ-II stellarator

Heavy Ion Beam Probe diagnostics is used in TJ-II stellarator to study directly the plasma electric potential with a good spatial (up to 1cm) and temporal (up to 2 µs ) resolution. Low density (ne = (0.3…0.5)×1019 m –3) ECRH plasma in TJ-II is characterized by positive plasma potential (ϕ(0) = +600…+ 400 V). At higher densities the minor area of the negative electric potential appears at the edge. This area increases with the density, finally makes potential fully negative. This tendency is affected by ECRH power and deposition area. The NBI plasmas are characterized by negative electric potential in the full plasma column from the center to the edge, (ϕ(0) = -300…-600 V). These results show the clear link between plasma potential, temperature, density and particle confinement.безконтактного вимірювання електричного потенціалу плазми з високою просторовою (до 1 см) та часовою (до 2 мкс) здатністю. Плазма з низькою щільністю (ne=(0.3…0.5)×1019м –3) в ЕЦР-режимі нагріву на TJ-II характеризується позитивним потенціалом (ϕ(0) = +600…+400 В). При більшій щільності невелика область з негативним потенціалом виникає на периферії. Ця область зростає із збільшенням щільності і, зрештою, потенціал стає повністю негативним. Така поведінка залежить від потужності ЕЦР-нагріву і області її вивільнення. Плазма під час нагріву нейтральним пучком характеризується негативним потенціалом всього плазмового шнура від центру до периферії (ϕ(0) = -300…-600 В). Ці результати показують чіткий зв'язок між потенціалом плазми, електронною температурою, щільністю та утриманням часток.Диагностика плазмы тяжелым пучком ионов используется на стеллараторе TJ-II для бесконтактного измерения электрического потенциала плазмы с высоким пространственным (до 1 см) и временным (до 2 мкс) разрешением. Плазма с низкой плотностью (ne = (0.3…0.5)×1019 м –3) при ЭЦР- нагреве в TJ-II характеризуется положительным потенциалом (ϕ(0) = +600…+400 В). При больших плотностях небольшая область с отрицательным потенциалом возникает на периферии. Эта область увеличивается с возрастанием плотности и, в конечном итоге, потенциал плазмы становится полностью отрицательным. Такое поведение зависит от мощности ЭЦР-нагрева и области высвобождения мощности. Плазма при нагреве нейтральным пучком характеризуется отрицательным потенциалом всего плазменного шнура от центра к периферии (ϕ(0) = -300…-600 V). Эти результаты показывают четкую связь между потенциалом плазмы, электронной температурой, плотностью и удержанием частиц

New capabilities of plasma potential and density measurements using a dual heavy ion beam probing (HIBP) diagnostic in the TJ-II stellarator

The unique capabilities of the dual HIBP system allow the investigation of multi-scale mechanisms to be expanded from the plasma edge to the plasma core in the TJ-II stellarator. Experiments with combined NBI and ECRH heating have shown direct experimental evidence of the influence of ECRH on turbulent mechanisms, increasing the level of fluctuation, on the amplitude of Long-Range-Correlations (LRC) as proxy of Zonal Flows (ZFs) for potential fluctuations but not for density and poloidal magnetic fluctuations and on neoclassical radial electric fields. Whereas ECRH influences the level of fluctuations in a wide range of plasma densities, ECRH induced reversal of the neoclassical radial electric field has been observed only in low-density plasmas. The TJ-II unique experimental capabilities would allow validation of nonlinear saturation of turbulence simulations (e.g. TEM), including quantitative assessments of discrepancies (e.g. level of fluctuations, correlation lengths and interplay with ZFs) between theoretical and experimental results.Уникальные возможности двойной системы ЗПТИ позволяют расширить исследование влияния мульти-масштабных механизмов удержания от границы до центра плазмы в стеллараторе TJ-II. Эксперименты с комбинированным нагревом нейтральным пучком и электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) показали прямое экспериментальное доказательство влияния ЭЦР на турбулентные механизмы, приводящие к увеличению уровня флуктуаций, амплитуды дальних корреляций (как показатель зональных течений) для колебаний потенциала, неоклассического радиального электрического поля, но не для колебаний плотности плазмы и полоидального магнитного поля. В то время как ЭЦР влияет на уровень флуктуаций в достаточно широком диапазоне плотностей плазмы, индуцированный ЭЦР-переворот неоклассического радиального электрического поля наблюдается только для плазмы с низкой плотностью. Уникальные экспериментальные возможности TJ-II позволили бы проверку численного моделирования нелинейного насыщения турбулентности (например, TEM), включая количественные оценки в расхождении (например, амплитуды колебаний, длины корреляции и их взаимодействие с зональными потоками) между теоретическими и экспериментальными результатами.Унікальні можливості подвійної системи ЗПВІ дозволяють розширити дослідження впливу багатомасштабних механізмів утримання з периферії до центру плазми в стелараторі TJ-II. Експерименти з комбінованим нагрівом нейтральним пучком і електронно-циклотронним резонансом (ЕЦР) показали пряме експериментальне підтвердження впливу ЕЦР на турбулентні механізми, що приводять до збільшення рівня флуктуацій, амплітуди далеких кореляцій (як показник зональних течій) для коливань потенціалу, неокласичного радіального електричного поля, але не для коливань густини плазми і полоідального магнітного поля. У той час як ЕЦР впливає на рівень флуктуацій в досить широкому діапазоні густини плазми, індукований ЕЦР-переворот неокласичного радіального електричного поля спостерігається тільки для плазми з низькою густиною. Унікальні експериментальні можливості TJ-II дозволили б перевірку чисельного моделювання нелінійного насичення турбулентності (наприклад, TEM), включаючи кількісні оцінки в розходженні (наприклад, амплітуди коливань, довжини кореляції і їх взаємодія з зональними потоками) між теоретичними і експериментальними результатами

Estimations of plasma potential and density by the heavy ion beam probing diagnostics on the Uragan-2M torsatron

First estimations of plasma electric potential and density in URAGAN -2M (U-2M) torsatron were done by the Heavy Ion Beam Probing Diagnostic (HIBP). The estimated plasma potential has the negative potential value of -(80…195) V. The experimental values of the secondary ion beam current are well correlated with average plasma density measured by radio-interferometer - (1.25… 2.5)×10¹² cm⁻³ . Notable oscillations of the secondary beam current were observed, which were caused by fluctuations of the torsatron magnetic field.С помощью диагностического комплекса зондирования плазмы пучком тяжёлых ионов (ЗППТИ) на торсатроне УРАГАН-2М проведена предварительная оценка потенциала и плотности плазмы. Оценка дала значение отрицательного потенциала на уровне -(80…195) В. Полученные экспериментальные значения плотности плазмы достаточно хорошо соответствуют измерениям средней плотности плазмы с помощью интерферометра - (1.25…2.5)x10¹² см⁻³. Зарегистрированы колебания тока вторичных ионов, обусловленные флуктуациями магнитного поля торсатрона.За допомогою діагностичного комплексу зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ) на торсатроні УРАГАН-2М були проведені попередні оцінки потенціалу та густини плазми. Оцінка дала значення негативного потенціалу на рівні -(80…195) В. Одержані експериментальні значення густини плазми збігаються з вимірюванням середньої густини плазми за допомогою інтерферометра - (1.25…2.5)x10⁻¹² см⁻³.. Зареєстровані коливання струму вторинних іонів, які обумовлені флуктуаціями магнітного поля торсатрону

HIBP results on the WEGA stellarator

The heavy ion beam probe (HIBP) is a non-perturbing diagnostic, which allows to determine the spatial distributions of the main plasma parameters such as plasma potential, density, electron temperature and poloidal magnetic field in magnetically confined fusion plasma devices. The heavy ion beam probe plasma diagnostic system has been installed and tested on the WEGA stellarator in Greifswald, Germany in 2006-2007. The HIBP on WEGA is planned to be used for the basic investigations of the plasma confinement in a different magnetic configurations. Also, power deposition region will be investigated in experiments with modulated gyrotron heating power. In this work, the first plasma potential and total secondary current profiles measurements results are presented in a comparison with Langmuir probes data.Діагностика зондування плазми за допомогою пучка важких іонів (ЗППВІ) – це діагностика, яка не впливає на параметри плазми, та дозволяє вимірювати просторовий розподіл головних параметрів, таких як потенціал плазми, густина, електронна температура та полоїдальне магнітне поле у пристроях з магнітним утриманням. Діагностика плазми пучком важких іонів була встановлена на стелараторі ВЕГА у м. Грайфсвальд, Німеччина, у 2006-2007р. ЗППВІ на стелараторі ВЕГА заплановано використовувати для дослідження процесів утримання плазми при різних магнітних конфігураціях. Також буде досліджена область поглинання ВЧ- потужності у експериментах з модульованою потужністю гіротрону. У цій роботі представлено перші вимірювання профілю потенціалу та повного струму вторинного пучка у порівнянні з даними, які були одержані від Ленгмюрівських зондів.Диагностика зондирования плазмы с помощью пучка тяжелых ионов (ЗППТИ) является диагностикой, которая не влияет на параметры плазмы и позволяет измерять пространственные распределения главных параметров, таких как потенциал плазмы, плотность, электронная температура и полоидальное магнитное поле в установках с магнитным удержанием. Диагностика плазмы пучком тяжелых ионов была установлена на стеллараторе ВЕГА в г. Грайфсвальде, Германия, в 2006-2007г. ЗППТИ на стеллараторе ВЕГА планируется использовать для исследования процессов удержания плазмы в различных магнитных конфигурациях. Также будет исследована область поглощения ВЧ- мощности в экспериментах с модулируемой мощностью гиротрона. В этой работе представлены первые измерения профилей потенциала и полного тока вторичного пучка в сравнении с данными, полученными от Ленгмюровских зондов