Entwicklung einer Heliumstrahldiagnostik zur Messung der Elektronendichte und -temperatur mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung

Kruezi, Uron

Dissertation / PhD Thesis/Book

Entwicklung einer Heliumstrahldiagnostik zur Messung der Elektronendichte und -temperatur mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung

Kruezi, U. (Corresponding author)FZJ*

2007
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag Jülich
ISBN: 978-3-89336-476-3

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energietechnik / Energy Technology 62, IV, 151 S. (2007) = Universität Düsseldorf, Diss., 2007

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Abstract: Die Lebenszeit der plasmabegrenzenden Wandkomponenten in einem Fusionsexperiment mit magnetischem Einschluss hängt von ihrer Belastung durch verschiedene Erosionsmechanismen ab und schränkt die Verfügbarkeit von zukünftigen Fusionsanlagen durch den Austausch beschädigter Komponenten ein. Der hierfür verantwortliche senkrecht zum Magnetfeld liegende Teilchen und Wärmetransport ist noch nicht vollständig verstanden. In der Plasmarandschicht tragen insbesondere Plasmaturbulenzen und lokale Instabilitäten (ELMs) zu einer kritischen Belastung der Wand bei. Das Verständnis und die Kontrolle dieser Phänomene sind für zukünftige wirtschaftlich arbeitende Fusionskraftwerke unumgänglich. Ein Konzept zur Kontrolle der Teilchen- und Energieabfuhr steht mit dem $\textit{Dynamischen Ergodischen Divertor}$ (DED) am $\textit{Tokamak}$ TEXTOR zur Verfügung und wird dort untersucht. Weltweit einzigartig kann damit die wohlgeordnete Magnetfeldstruktur durch resonante magnetische Störfelder statischü und dynamisch mit einer Rotationsfrequenz von bis zu 10 kHz stochastisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Diagnostik zur Untersuchung von kurzzeitigen Ereignissen in der Plasmarandschicht entwickelt und aufgebaut. Sie ermöglicht räumlich (2 mm) und zeitlich (10 μs) hochaufgelöste Messungen der Elektronendichte n$_{e}$ und Elektronentemperatur T$_{e}$. Dies geschieht durch Spektroskopie an ins Plasma injizierten Heliumatomen, aus deren gemessenen Linienintensitäten bzw. Intensitätsverhältnissen mit Hilfe eines Stoß-Strahlungsmodells n$_{e}$ und T$_{e}$ bestimmt werden kann. Um die Anforderungen zur Messung von Plasmafluktuationen bis zu 100 kHz zu erfüllen, wurde ein Injektionssystem entwickelt, das einen Helium-Überschallstrahl hoher Teilchendichte (1.5 · 10$^{18}$ m$^{−3}$) und gleichzeitig niedriger Divergenz (±1$^{\circ}$) erzeugen kann. Parallel dazu wurde ein Beobachtungssystem bestehend aus Mehrkanal-Photomultipliern (PMT) mit hoher und einer CCD-Kamera mit geringerer Zeitauflösung aufgebaut. Die Signale der verschiedenen PMT-Kanäle werden auf die Intensitäten der vergleichbaren Raumkanäle der CCD-Kamera normiert. Die erstmalige, spektroskopische Messung von T$_{e}$-Fluktuationen ergab für die kennzeichnenden Parameter: Geschwindigkeit v$_{r}$ = (380 ± 60) m/s, Korrelationslänge L$_{r}$ $\approx$ (5 ± 1) mm und Lebenszeit $\tau_{L}$ $\approx$ (10 ± 1.25) μs und entspricht damit den typischen Werten von n$_{e}$-Fluktuationen. Unter dem Einfluss resonanter magnetischer Störfelder durch den DED konnten wegen des nicht zu vernachlässigbaren Photonenrauschens (8% für Integrationszeiten von 100 μs) keine quantitativen Fluktuationscharakteristiken bestimmt werden. Darüber hinaus konnten während des dynamischen AC-Betriebs des DED mit rotierendem Störfeld (974 Hz) n$_{e}$ und T$_{e}$ räumlich und zeitlich aufgelöst werden und zeigten aufgrund dynamisch mitbewegter Plasmastrukturen eine starke Modulation um einen Faktor 3 bzw. 2. Neben einem erwarteten Druckabfall in der $\textit{laminaren Flussröhre}$ (charakterisiert durch einen starken parallelen Transport) wurde ein bislang unbekannter Anstieg im $\textit{ergodischen Bereich}$ (charakterisiert durch einen höheren effektiven senkrechten Transport) beobachtet. Der Vergleich zwischen Rotationen der theoretischen Vakuumstörfeldstrukturen zu den im Plasma gemessenen ergab eine Phasendifferenz von 54$^{\circ}$−90$^{\circ}$. Mit Hilfe beider Drehrichtungen konnte eine maximal mögliche Differenz von 36$^{\circ}$ − 72$^{\circ}$ bestimmt werden, was eine unsymmetrische von der Drehrichtung abhängige Phasenverschiebung impliziert. Die hier entwickelte Helium-Überschallstrahldiagnostik eröffnet die Möglichkeit kurzzeitige Ereignisse (wie z.B. DED-AC, ELMs und n$_{e}$-T$_{e}$-Fluktuationen) in der Plasmarandschicht zu untersuchen.

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