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

High voltage test bench for heavy ion beam probe diagnostics on T-15MD tokamak

D-shaped tokamak T-15MD is nowunder construction in the NRC “Kurchatov Institute”. Heavy ion beam probing (HIBP) is an important part of T-15MD diagnostic system. Calculations of the probing ions trajectories show that the beam will pass through the plasma about 1.0…1.5 m, which can lead to its significant attenuation. HIBP operation requires obtaininga high-current long-focus probing beam of Tl+ ions (I = 200…400 μA, f = 4…6 m, d ≤ 10 mm). A high voltage (300 keV) test-benchto test such beams is eing created now. Numerical modeling shows the possibility of a beam formation with a current of 300 μA and diameter 12 mm at 6 m from the ion emitter.Зараз в НДЦ «Курчатовський інститут» ведеться будівництво токамака Д-образного перерізу Т-15МД. Зондування пучком важких іонів (ЗПВІ) є важливою частиною діагностичного комплексу Т-15МД. Розрахунки траєкторій зондувальних іонів показують, що пучок буде проходити у плазмі шлях довжиною 1,0…1,5 м, що може призводити до значного його ослаблення. Для забезпечення можливості вимірювань параметрів плазми потрібно отримати сильнострумових довгофокусних зондувальних пучків Tl+ (I = 200…400 мкА, f = 4…6 м, d ≤ 10 мм). На даний час у Курчатовському інституті створюється діагностичний стенд для вирішення цієї задачі. На цьому стенді будуть проводитися експерименти по фокусуванню іонних пучків з енергією до 300 кеВ, а також вивчатися властивості термоіонних емітерів і час їх життя. Розрахунки руху іонів в інжекторі показують можливість створення пучка струмом 300 мкА, діаметром 12 мм на відстані 6 м від іонного емітера.В НИЦ «Курчатовский институт» ведется строительство токамака Д-образного сечения Т-15МД. Зондирование пучком тяжелых ионов (ЗПТИ) является важной частью его диагностического комплекса. Расчеты траекторий зондирующих ионов показывают, что пучок будет проходить по плазме путь длиной 1,0…1,5 м, что может приводить к значительному его затуханию. Возможность измерения параметров плазмы требует получения сильноточных длиннофокусных зондирующих пучков ионов Tl+ (I = 200…400 мкА, f = 4…6 м, d ≤ 10 мм). Тестовый стенд для этой задачи сейчас создается. На этом стенде будут проводиться эксперименты по фокусировке ионных пучков с энергией до 300 кэВ, а также изучаться свойства термоионных эмиттеров и время их жизни. Расчеты движения заряженных частиц в ионнооптической системе инжектора показывают возможность создания пучка током 300 мкА, диаметром 12 мм на расстоянии 6 м от ионного эмиттера

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

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

Electric field study with HIBP in OH and ECRH plasmas on the T-10 tokamak

The plasma potential φ and radial electric field Er were studied on T-10 in a wide range of ohmic and ECRH regimes. At densities ne> 10¹⁹ m⁻³, the potential has negative sign over the whole plasma cross section. At lower densities, the outer zone with positive φ and Er is formed. The absolute value of potential at mid-radius grows with density up to ne ≈ 3×10¹⁹ m⁻³ and then saturates. In regimes with ECR heating, |φ| decreases owing to the density pump-out and the electron temperature increase. Measurements of Er are compared with numerical simulations with several codes including nonambipolar fluxes due to the toroidal field ripple. The change of radially averaged ¬Er with density and temperature qualitatively agrees with neoclassical expectations.Потенциал плазмы φ и радиальное электрическое поле Er исследовались на токамаке T-10 в широком диапазоне омических и ЭЦР-режимов. При плотностях ne> 10¹⁹ м⁻³ потенциал имеет положительный знак во всем сечении плазмы. При меньших плотностях во внешней зоне потенциал и Er меняют знак. Абсолютное значение потенциала на середине радиуса растет с плотностью вплоть до ne ≈ 3×10¹⁹ м⁻³, а затем насыщается. В режимах с ЭЦР-нагревом абсолютная величина |φ| уменьшается за счет откачки плотности и роста электронной температуры. Измерения Er сравнивались с численными расчетами по нескольким кодам, учитывающим неамбиполярные потоки за счет гофрировки тороидального поля. Изменение среднего поля ¬Er с плотностью и температурой не противоречит неоклассическим ожиданиям.Потенціал плазми φ та радіальне електричне поле Er було досліджено на токамаці Т-10 у широкому діапазоні омічних та ЕЦР-режимів. При щiльностях ne> 10¹⁹ м⁻³ потенцiал має позитивний знак в усьому перетинi плазми. При менших щiльностях у зовнiшнiй зонi потенціал та Er змiнюють знак. Абсолютне значення потенцiалу на серединi радіуса росте зi щiльністью майже до ne ≈ 3×10¹⁹ м⁻³, а потiм насичується. У режимах з ЕЦР-нагрiвом абсолютна величина |φ|зменшується за рахунок відкачки щiльностi та росту електронноï температури. Вимiрювання Er порiвнювалися з числовими розрахунками за декiлькома кодами, які враховують неамбіполярнi потоки за рахунок гофрировки тороïдального поля. Зміна середнього поля ¬Er з щiльнiстю та температурою не протирiчить неокласичним сподiванням

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

Study of plasma potential, its fluctuations and turbulence rotation in the T-10 tokamak

Plasma potential, its oscillations and turbulence rotation were studied on T-10 in a wide range of ohmic and ECRH regimes. The potential has negative sign over the whole plasma cross section. Broadband turbulence tends to rotate with E×B drift velocity. Rotation and potential evolve together with plasma confinement. Frequency of potential oscillations in the range of geodesic acoustic modes does not change with radius that disagrees with theoretical predictions.Потенциал плазмы, его колебания и вращение исследовались на токамаке T-10 в широком диапазоне омических и ЭЦР-режимов. Потенциал – отрицательный по всему сечению плазмы. Вращение турбулентности соответствует вращению за счет (E×B)-дрейфа. Вращение и потенциал чувствительны к изменениям удержания. Частота колебаний потенциала в диапазоне геодезических акустических мод не меняется по радиусу, что не соответствует локальной теории ГАМ.Потенціал плазми, його коливання та обертання було досліджено на токамаці Т-10 у широкому діапазоні омічних та ЕЦР-режимів. Потенціал має негативну величину по всьому перетину плазми. Обертання турбуленції відповідає обертанню за рахунок (E×B)-дрейфу. Обертання і потенціал чутливі до зміни утримання. Частота коливань потенціалу у діапазоні геодезичних акустичних мод ні змінюється в залежності від радіусу, що не відповідає локальній теорії ГАМ