Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3993
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Aufbau und Erprobung eines repetierenden Laser-Blow-Off-Systems zur Untersuchung elektrostatischer Elektronendichtefluktuationen in der Rand- und Abschälschicht von TEXTOR und Wendelstein 7-AS
II, 107 S., 2002
Der hohe anomale Teilchen- und Energietransport stellt eines der Hauptprobleme für
die Realisierung eines Fusionsreaktors dar .Man geht heute davon aus, daß dieser
anomale Transport von korrelierten Fluktuationen der elektrischen und magnetischen
Felder sowie der Teilchendichten und -temperaturen verursacht wird. Die genauen
Mechanismen aber sind bis heute nicht verstanden. Deswegen hat die Untersuchung von
Fluktuationen in der Hochtemperaturplasmaphysik eine hohe Priorität.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, zu untersuchen, inwieweit sich ein mit
Laser-Blow-Off (LBO) produzierter atomarer Li-Strahl für die Diagnostik von
Elektronendichtefluktuationen in der Rand- und Abschälschicht von Fusionsplasmen eignet
und entsprechende Messungen durchzuführen. Dazu wurde das bislang am Tokamak
TEXTOR verwendete LBO-System auf repetierenden Betrieb umgestellt und für
Fluktuationsmessungen an TEXTOR und am Stellarator Wendelstein 7-AS eingesetzt.
Das Prinzip dieser Diagnostik beruht darauf, daß die injizierten Atome durch Stöße
mit den Plasmaelektronen angeregt werden und anschließend über einen strahlenden
Übergang in den Grundzustand zurückkehren. Die Intensität der Linienemission dieses
Übergangs ist proportional zu den Dichten der injizierten Li-Atome und der
Plasmaelektronen. Die Eindringtiefe des Li-Strahls ins Plasma wird durch die Ionisation der
Li-Atome begrenzt. Der LBO-Strahl hat in seiner Ausbreitungsrichtung eine
räumliche Auflösung von etwa 2 mm und ist daher besonders gut für die Untersuchung der
räumlichen Struktur von Elektronendichtefluktuationen geeignet, die in radialer und
poloidaler Richtung eine Ausdehnung von 5-15 mm haben. Schwierigkeiten
entstehen hingegen durch die kurze Dauer der einzelnen Pulse (ca. 100 µs) und die starke
Zeitabhängigkeit des Li-Flusses, die bei der Auswertung berücksichtigt werden muß.
Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, daß die radiale
Geschwindigkeit und die radiale Korrelationslänge von Elektronendichtefluktuationen
mittels Li-LBO bestimmt werden können. Die kurze Dauer der erzeugbaren Li-Pulse
schränkt den Nutzen der Diagnostik für die Messung von Spektren und
Lebensdauern jedoch stark ein.
Anhand von TEXTOR-Entladungen konnte die Anwendbarkeit dieser Diagnostik
für Fluktuationsmessungen erstmals an einem Fusionsexperiment demonstriert
werden. Zu starke Variationen des Li-Flusses auf verglichen zur Dauer eines einzelnen
LBO-Pulses kurzen Zeitskalen jedoch können die Trennung zwischen Fluktuationen
des Plasmas und des Li-Flusses deutlich erschweren oder sogar unmöglich machen.
Auch am Wendelstein 7-AS erwies sich diese Methode als brauchbares Instrument
für Fluktuationsmessungen. Im Zusammenspiel mit anderen Diagnostiken konnten neue
Erkenntnisse über die Struktur der fluktierenden Zellen gewonnen werden. So zeigte
sich in manchen Entladungen ein stark unterschiedliches Verhalten der Fluktuationen
im Einschlußgebiet und in der Abschälschicht. Die gemessene radiale Geschwindigkeit
ist in der Abschälschicht von der Dichte abhängig. Anhand von Entladungen bei
unterschiedlicher Richtung des Hauptfelds werden Interpretationen der gemessenen radialen
Geschwindigkeit diskutiert .
High anomalous transport is one of the key problems on the way to a burning plasma.
Today it is generally assumed that this anomalous transport is caused by correlated
fiuctuations of the electric and magnetic fields, as well as of the particle densities and
temperatures. The exact mechanisms are not yet, however, completely understood.
Hence, the investigation of fiuctuations currently has a high priority in fusion research.
Therefore, the aim of this work was to determine to which extent Li-beams that
are produced by means of laser blow-off (LBO) can be used for the investigation of
fiuctuations of the electron density in the edge and scrape-off layer of fusion devices
and to carry out fiuctuation measurements. For this purpose the LBO-system installed
on the TEXTOR tokamak has been upgraded for repetitive operation and used for
fiuctation measurements on TEXTOR and on the Wendelstein 7-AS stellarator.
The principle of this diagnostic is based on the excitation of Li atoms by collisions
with electrons of the plasma and the following relaxation into the ground state. This
transition into the ground state is accompanied by photon emission. For the total beam,
the line emission is proportional the density of both, the Li atoms and the electrons.
The penetration depth of the beam is limited by the increasing ionisation of the injected
atoms caused by the rise of the electron density towards the plasma center. The spatial
resolution in the direction of propagation of atomic beam diagnostics is determined
by the velocity of the atoms and the relaxation time of the atomic processes involved.
In the case of Li-LBO the spatial resolution is about 2 mm, which is ideal for the
investigation of the spatial structure of electron density fiuctuations, as these have a
characteristic length of 5-15 mm in radial as well as in poloidal direction. Problems
arise from the short length of the LBO pulses (ca. 100 µs) and the strong temporal
variation of the Li fiux, that has to be taken into account during the data evaluation.
Numerical simulations show that the radial velocity and correlation length of
fluctuations ofthe electron density can be determined by Li-LBO. The use ofthis diagnostic
for the investigation of the temporal behaviour and frequency spectrum is, however ,
rather restricted.
On the basis of TEXTOR discharges it could be shown for the first time that this
diagnostic can indeed be used for the investigation of fiuctuations of the electron density
in fusion devices. However, if the temporal variation of the Li fiux is too pronounced on
time scales that are short compared to the duration of the LBO pulses, the distinction
between correlations that arise from plasma fiuctuations and those that arise from
variations of the Li fiux can be difficult or even impossible.
On Wendelstein 7-AS, this method has been shown to be a useful tool for the
investigation of fiuctuations. There, it was used in combination with other diagnostics
to get new information on the structure of the fiuctuation cells.
In some discharges, a strong distinction between fiuctuations in the core plasma and
in the scrape-off layer could be seen. In the latter, the measured radial velocity is
observed to drop with rising density. On the basis of discharges with different orientation
of the magnetic field interpretations of the observed radial velocityare discussed.
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