Parametrization of reflectometry fluctuation frequency spectra for systematic study of tokamak fusion plasma turbulence

We describe a way to parameterize power spectra extracted from fixed-frequency reflectometry data, with a view to systematic studies of turbulence properties in tokamak plasmas. Analysis of typical frequency spectra obtained from a new database suggests decomposition in a set of four key components: the direct current component, low-frequency fluctuations, broadband (BB) turbulence, and the noise level. For the decomposition in the identified components, different kinds of functions are tested and their fitting performance is analyzed to determine the optimal spectrum parametrization. In particular, for the BB turbulence, three models are compared qualitatively based on a number of representative spectrum test cases, notably the generalized Gaussian, the Voigt, and the Taylor model. In addition, quantitative performance testing is accomplished using the weighted residual sum of squares and the Bayesian information criterion in a large database including 350 000 spectra obtained in Tore Supra. Next, parametrization by the Taylor model is applied to Ohmically heated plasmas, and a BB energy basin is systematically observed in the core plasma region, which shrinks with decreasing radial position of the q = 1 surface. This basin might be explained by a drop of the density fluctuation level inside the q = 1 surface

Etude de la propagation d'un pulsé dans un plasma : applications à la mesure du profil de densité et à la caractérisation des fluctuations en réflectométrie

Non disponible / Not availableInspirée des techniques radars de sondage de l'ionosphère par réflexion d'onde, la réflectométrie est aujourd'hui fréquemment utilisée pour la mesure du profil de densité dans les plasmas de fusion. Ce travail s'intéresse à la réflectométrie de pulse, qui consiste à sonder le plasma à l'aide de signaux très courts présentant une largeur spectrale finie. Le profil de densité est alors déduit des mesures du temps d'aller-retour (ou temps de vol) de l'onde pour différentes fréquences sondes. Une meilleure compréhension de la propagation de tels signaux dans un plasma est nécessaire afin d'améliorer la détermination du profil de densité. Cela a motivé l'écriture d'un code numérique résolvant l'équation d'onde dépendante du temps. Une étude qualitative et quantitative du rôle des effets dispersifs sur la forme du pulse réfléchi est tout d'abord réalisée. Il est montré qu'une information supplémentaire sur la forme du profil de densité peut être déduite de la mesure de l'élargissement du pulse. En conséquence, les méthodes existantes de reconstruction de profil peuvent être améliorées. Des tests d'applicabilité à des cas réalistes rencontrés sur textor, ou la dispersion dans les guides d'onde est prise en compte, et sur tore supra, ou des données expérimentales sont traitées par une méthode de compression de pulse, sont effectues. Afin de comprendre l'origine des perturbations des mesures, l'effet de fluctuations de densité cohérentes sur la forme du signal réfléchi est étudié. Les simulations réalisées montrent que ces perturbations sont prédominantes pour des fluctuations au voisinage de la couche de coupure et donnent des variations de temps de vol comparables à celles observées expérimentalement. Ces résultats confirment que la présence de fluctuations de densité dans les plasmas de tokamak est la principale cause de perturbation des mesures de réflectométrie

The reconstruction of hollow areas in density profiles from frequency swept reflectometry

International audienceAll density profile reconstruction techniques for both O-mode and X-mode are based on the assumption that the cutoff frequency profile is monotonic. However, experimentally, there are many perturbations to the plasma that generate hollow areas in the cutoff frequency profile. They cause a significant immediate reconstruction error that is not rapidly damped. It is demonstrated that even though no reflections occur inside the hollow region, the higher probing frequencies that propagate through this area carry information about it that can be used to estimate its properties. In addition, the reconstruction algorithm is based on the WKB approximation of the phase, which ignores all full-wave features found in experimental signals. These effects were investigated with the use of full-wave simulations in 1D, with special attention paid to the frequency band where they are dominant. A database of perturbation signals is simulated on 5 dimensions of parameters an application is demonstrated for a magnetic island in a Tore Supra discharge. The new adapted reconstruction scheme improved the description of the density profile inside the hollow region and also along 10 cm after it

Study of wave propagation in various kinds of plasmas using adapted simulation methods, with illustrations on possible future applications

Équipe 107 : Physique des plasmas chaudsInternational audienceThe understanding of wave propagation in turbulent magnetized plasmas can be rather complex, particularly if they are inhomogeneous and time-dependent. Simulation can be a useful tool for wave propagation studies, provided that the ``model'' equations take into account the characteristics of the medium relevant for the studied problem and that the numerical scheme including boundary conditions is stable and accurate enough. The choices for the model equations and the corresponding schemes are analyzed and discussed as a function of various parameters, such as the order of the numerical scheme and the number of grid points per wavelength. A quick review of the up-to-date numerical developments is given on the sheath boundary conditions and on the perfect matching layer in anisotropic media. Possible developments of plasma diagnostics conclude this state-of-the-art of simulations of electromagnetic waves in plasmas