Análisis de iones supratérmicos en el TJ-II con una sonda luminiscente e investigación de sus mejoras instrumentales y métodos físicos

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dc.contributor.advisor Baciero Adrados, Alfonso
dc.contributor.advisor Zurro Hernández, Bernardo
dc.contributor.advisor Tribaldos Macía, Víctor
dc.contributor.author Martínez Fuentes, Marco Antonio
dc.date.accessioned 2018-03-23T13:01:16Z
dc.date.available 2018-03-23T13:01:16Z
dc.date.issued 2017-10
dc.date.submitted 2017-10-30
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/26563
dc.description.abstract La detección, la cuantificación y el estudio del comportamiento de iones rápidos o supratérmicos que existen en un plasma, y que escapan del mismo, es de gran interés físico y tecnológico para la investigación de plasmas confinados magnéticamente. En los dispositivos de fusión de tamaño medio o grande, incluyendo el stellarator TJ-II, los iones supratérmicos se originan por los métodos estándar de calentamiento del plasma, es decir, radiofrecuencia e inyección de haces neutros de alta energía, y en un reactor de fusión, además, se producirían por las propias reacciones de fusión. Los iones supratérmicos tienen diferentes efectos sobre el plasma y los propios dispositivos de fusión, que deben tenerse en cuenta para la comprensión del plasma. Así, la interacción de los iones supratérmicos con el plasma térmico contribuye al calentamiento. La fuga prematura de los iones supratérmicos es un efecto perjudicial, ya que su interacción con las paredes de contención del dispositivo induce daño y genera impurezas. Además los iones supratérmicos pueden ser fuente de inestabilidades magnetohidrodinámicas. Conviene resaltar que la detección de los iones supratérmicos constituye una excelente sonda para tales inestabilidades, así como de la propia calidad de la configuración magnética. Esto es fundamental ya que un reactor de fusión debe confinar adecuadamente tanto el plasma térmico como las partículas rápidas, en particular las partículas alfa (núcleos de helio) con el fin que la energía generada no se pierda y que las reacciones de fusión puedan ser auto-mantenidas. El principal objetico de este trabajo de tesis es el estudio de la población de iones supratérmicos en el heliac flexible TJ-II, para lo que fue necesario interpretar y analizar las señales del detector de iones rápidos, las cuales están directamente relacionadas con su población. Posteriormente, se realizó una mejora al detector. Ésta consistió en cambiar la pantalla luminiscente por una de respuesta más rápida y ampliar la anchura de banda del sistema de adquisición de datos. Estas mejoras han permitido investigar fenómenos físicos que afectan a los iones rápidos en el rango de los microsegundos durante la fase de calentamiento por un haz de iones neutros. Este trabajo tiene, desde el punto de vista instrumental, una continuidad lógica con el proyecto de detección de iones rápidos realizado en el trabajo de tesis doctoral de David Jiménez Rey. De esta manera, los resultados expuestos aquí son, en parte, un análisis de los datos adquiridos por el detector desarrollado por él pero con un importante cambio de perspectiva, donde la señal del detector se interpreta como debida a iones individuales con una amplitud proporcional a su energía, y por otra parte los obtenidos después de las mejoras hechas al detector de iones rápidos. Con el fin de situar el tema de este trabajo, se presenta en el Capítulo 1 una visión muy general y simplificada de la fusión y del dispositivo TJ-II, donde se ha llevado a cabo parte del trabajo sobre partículas rápidas en un dispositivo de plasma relevante para fusión, incluyendo una breve introducción a la física del movimiento de partículas cargadas bajo la influencia de campos electromagnéticos. El Capítulo 2 introduce algunos materiales luminiscentes, incluyendo el nuevo material luminiscente que fue empleado para sustituir al anterior dentro del detector de iones rápidos. Se exponen las propiedades más relevantes que poseen los materiales luminiscentes para ser utilizados en detectores de iones supratérmicos, introduciendo un modelo sencillo de simulación numérica de la ionoluminiscencia, basado en colisiones binarias. Debido al desconocimiento de la respuesta de los materiales luminiscentes a iones de baja energía, de 1 keV hasta 40 keV para el trabajo de física de plasma que se aborda aquí, fue necesario su caracterización previa empleando un sistema que utiliza un haz de iones con energía controlable y variable. En el Capítulo 3 se muestran los resultados de este análisis y se comparan los datos experimentales con las simulaciones numéricas del Capítulo 2. En el Capítulo 4 se resaltan las partes más importantes que componen el detector de iones rápidos y se explica la adquisición de datos y los métodos de tratarlos. Después, se mencionan las mejoras instrumentales, que se llevaron a cabo en el detector de iones rápidos para ampliar su anchura de banda hasta 500 MHz. Además, se investiga una mejora en la cabeza del detector de iones rápidos, pasando de una cavidad cilíndrica a una elipsoidal. También se dan los resultados numéricos de la sonda elipsoidal mostrando que es significativamente superior a la cilíndrica para la captura de luz. Y se presentan los resultados obtenidos con un prototipo de la sonda elipsoidal. El detector de iones rápidos, desarrollado por David Jiménez Rey, ha estado en operación desde la campaña de 2007 del TJ-II. En el Capítulo 5 se muestran diferentes estudios sobre la población de iones supratérmicos en descargas generadas por ECRH. Estos están basados en los datos adquiridos en diferentes campañas experimentales, incluyendo: variación de potencia (con uno o dos girotrones), posición de focalización de los haces de los girotrones, modulación a baja frecuencia de un girotrón y barrido de la configuración magnética durante una descarga. También se utiliza un modelo de balance de potencia cero-dimensional para explicar los resultados de la modulación de un girotrón a baja frecuencia. Esto da información de la interacción de la población de iones supratérmicos con diferentes componentes del plasma. Este modelo predice que la interacción más importante de los supratérmicos es con la población de átomos neutros. Por último, el Capítulo 6 muestra resultados de la mejora que se hizo al detector de iones rápidos. Primero, se explica la forma de analizar los datos, y se exponen resultados comparativos entre el sistema de detección previo y el nuevo. Después, se muestran resultados del detector de iones rápidos a diferentes distancias de la última superficie de flujo cerrada de campo magnético. También se comparan datos del detector de iones rápidos con resultados de espectroscopia, estos últimos están enfocados en el análisis de iones supratérmicos perpendiculares a las líneas del campo magnético toroidal. Al final se muestra cómo el nuevo sistema de detección responde a iones rápidos relacionados con los fenómenos tipo ELM-like en el TJ-II, de gran importancia en la física de plasmas. Aunque existe una amplia bibliografía de estudios en el tema con distintos diagnósticos, no se encontraron referencias que empleen detectores de iones rápidos.
dc.description.abstract The detection, quantification and study of the behaviour of fast or suprathermal ions that are present in a plasma, and which escape from it, is of great physical and technological interest for magnetically confined plasma research. In medium or large sized fusion devices, including the stellarator TJ-II, suprathermal ions originate from standard plasma heating methods, i.e., such as radiofrequency and high-energy neutral beam injection, and in a fusion reactor, would also be produced by the fusion reactions themselves. Suprathermal ions have different effects both on plasma and fusion devices themselves, which must be taken into account for understanding of plasma. For instance, suprathermal ions interactions with the thermal plasma contribute to the heating. The premature leakage of suprathermal ions is a detrimental effect, since their interaction with the containing wall of the device induces damage and generates impurities. In addition, suprathermal ions may be a source of magnetohydrodynamic instabilities. It should be noted that the detection of suprathermal ions is an excellent probe for such instabilities as well as for the quality of the magnetic configuration. This is fundamental since a fusion reactor must adequately confine both the thermal plasma and the fast particles, in particular the alpha particles (helium nuclei) in order that the energy generated is not lost so that the fusion reactions can be self-sustaining. The principal objective of this work of thesis is to study the population of suprathermal ions in the flexible heliac TJ-II, for which it was necessary to interpret and analyse signals, which are directly related to such a population, from a fast-ion detector. Subsequently, an improvement was made to the detector. This consisted in changing its luminescent screen to another one with a faster response time and in broadening the bandwidth of the data acquisition system. These upgrades permitted investigation of physical phenomena that affect fast ions in the range of the microseconds during the Neutral Beam Injection heating phase. This work has, from the instrumental point of view, a logical continuity with the fast-ion detection project described in the Ph.D. thesis of David Jiménez Rey. Hence, the results presented here are, in part, an analysis of the data acquired by the detector developed by him but with a significant change of perspective, where signals are interpreted as being due to individual ions with amplitudes proportional to their energy, and data obtained after the improvements made to the fast-ion detector. In order to situate the theme of this work, Chapter 1 presents a general and simplified view of fusion and of the TJ-II device, where this work on fast particles in a plasma device relevant to fusion was undertaken, and includes a brief introduction to the physics of charged particles motion under the influence of electromagnetic fields. Chapter 2 introduces luminescent materials, including the new luminescent material that was used to replace the former within the fast-ion detector. The most relevant properties of luminescent materials for use in suprathermal ion detectors are presented, introducing a simple model of the numerical simulation of ionoluminescence, based on binary collisions. Due to lack of knowledge of the response of the luminescent materials to low energy ions, from 1 keV up to 40 keV for the work of plasma physics addressed here, it was necessary to characterize them previously using an ion-beam based system with controllable and variable energy. In Chapter 3 the results of this analysis are shown and the experimental results are compared with the results of the numerical simulations of Chapter 2. Chapter 4 highlights the most important parts of the fast-ion detector, and explains the data acquisition and processing methods. Next, the instrumental improvements, which were made to the fast-ion detector to expand its bandwidth up to 500 MHz, are outlined. In addition, an improvement made to the head of the fast-ion detector, going from a cylindrical cavity to an ellipsoidal cavity, is explained. The numerical results of the ellipsoidal probe show that it is significantly superior to the cylindrical one for light capture. Results obtained with prototype ellipsoidal probes are presented. The fast-ion detector, developed previously by David Jiménez Rey, has been in operation since 2007 in TJ-II. In Chapter 5, several studies on the suprathermal ion population in discharges generated by ECRH are presented. These are based on data acquired during different experimental campaigns, including: power variation (with one or two gyrotrons), different focus locations of the gyrotron beams, modulation at low frequency of one gyrotron and a scan of the magnetic configuration during a discharge. A zero-dimensional power balance model is also used to explain the results of modulation at low frequency. This gives information on the interaction of the suprathermal ion population with different plasma components. This model predicts that the most important interaction of the suprathermal population is with the population of neutral atoms. Finally, in Chapter 6 results are presented of the improvement that was made to the fast-ion detector. First, the data analysis method is explained, and comparative results are presented between the previous detection system and the new one. Results of the fast-ion detector are then shown when it is operated at different distances from the last closed-field magnetic flux surface. Data from the fast-ion detector is also compared with spectroscopy data, the latter being focused on the analysis of the population of suprathermal ions perpendicular to the toroidal magnetic field lines. Finally, it is shown how the new detection system responds to fast ions related to ELM-like phenomena in TJ-II, a topic of great importance in plasma physics. Although there is a wide bibliography of studies with different diagnostics in this topic, no references were found that employ fast-ion detectors.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso spa
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Stellarator TJ-II
dc.subject.other Plasmas de fusión
dc.subject.other Iones supratérmicos
dc.title Análisis de iones supratérmicos en el TJ-II con una sonda luminiscente e investigación de sus mejoras instrumentales y métodos físicos
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Física
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Plasmas y Fusión Nuclear
dc.description.responsability Presidente: Santiago Mar Sardaña.- Secretario: Luis Raúl Sánchez Fernández.- Vocal: Kieran Joseph Mc Carthy
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Física
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