Cylindrical energy analyzer for heavy ion bbeam diagnostics

Abstract

O estudo de fenómenos de transporte e turbulência em plasmas é fundamental para a compreensão e controle do confinamento de partículas e energia em máquinas de fusão nuclear do tipo ‘Tokamak’ ou ‘Stellarator’. O diagnóstico de feixe de iões pesados (DFIP) é uma ferramenta única que pode medir localmente várias quantidades de grande interesse tais como a densidade do plasma (ne), o potencial do plasma (Phi), a temperatura electrónica (Te) e o campo magnético poloidal (Bp), ao longo de todo o raio do plasma com uma resolução espacial de alguns mm e até aos microsegundos de resolução temporal (centenas de kHz). O objectivo da tese é o de desenvolver um Analizador Electroestático Cilíndrico de 90o (AEC-90o) e demonstrar a sua capacidade para medir o potencial do plasma com uma resolução de energia aceitável (poucas dezenas de Volt). A geometria partícular deste analisador electroestático foi escolhida por forma a permitir as medidas do potencial de plasma em paralelo com as medidas da densidade do plasma e campo magnético poloidal obtidos com o DFIP sem necessitar de se alterar a trajectoria do feixe sonda durante a descarga de plasma. O traballho apresentado versa a conceção, desenho e simulação (utilizando o código SIMION) de um analizador multi-canal do tipo AEC-90o. A operação é baseada num modo inovador de desaceleração tirando partido do retardamento e focagem do feixe de prova por um campo electroestático apropriado aplicado à entrada do analisador. A operação no modo de desaceleração demonstrou vantagens significativas na resolução das medidas da energia do feixe e nas caraterísticas de aberração angular quando comparado com o modo convencional de operação do AEC-90o. As previsões obtidas pela simulação foram verificadas experimentalmente por meio de um protótipo AEC-90o com ½ das dimensões lineares usando um feixe de electrões numa montagem dedicada a este fim. Uma unidade intermédia adicional, denominada modulo de entrada electroestático (MEE), responsável pela defleção e focagem dos feixes secundários provenientes do plasma até à entrada do AEC-90o, foi igualmente desenhada e otimizada no programa SIMION. A montagem combinada do MEE e do protótipo ½ AEC-90o foi instalada e comissionada no tokamak ISTTOK (Portugal) onde foram obtidas com sucesso as medidas do potencial no centro do plasma. O analizador foi calibrado usando um método indireto com o fim de determinar o valor absoluto do potencial do plasma. A segunda parte desta tese compreende as expriências coduzidas pela autora na dupla Sonda de Feixe de Iões Pesados (SFIP) no ‘Stellarator’TJ-II na CIEMAT (Espanha). O trabalho desnvolvido no TJ-II demonstra a importância das medidas do perfil de potencial e densidade afim de melhor compreender o comportamento do plasma. As experiências foram desenvolvidas em torno de três objectivos: (i) Os perfis centrais do potencial do plasma foram investigados durante a polarização da periferia do plasma com o fim de identificar assimetrias, medindo com duas sondas SFIP separadas toroidalmente; (ii) Medições utilizando o SFIP de linhas de nível 2D do potencial de plasma e densidade e das suas flutuações num regime novo de rastreamento de energia, em plasmas de baixa densidade sustentados por ‘ECRH’; (iii) Medidas do perfil do potencial do plasma quando sujeito a aquecimento por feixes de neutros (FN) injectados em contra e em paralelo à corrente de plasma e sua comparação afim de investigar a correlação entre confinamento de partículas e injeção de feies de neutros com as predições teoricas.

The study of plasma turbulence and transport is crucial to understand and control the particle and energy confinement in fusion devices such as tokamak or stellarators. The Heavy Ion Beam Diagnostic (HIBD) is a unique tool that can provide the local measurement of the quantities of interest such as plasma density (ne), the plasma potential (Phi), the electron temperature (Te) and the poloidal magnetic field (Bp), along a radial scan in the plasma with a spatial resolution of several mm and down to the microsecond range temporal resolution (hundreds of kHz). The aim of the thesis is to develop a high resolution 90º cylindrical energy analyzer (CEA) and demonstrate its capability to measure plasma potential with sufficient energy resolution (in the order of tens of Volt). The particular analyzer geometry is chosen to provide the plasma potential measurements along with the profiles of plasma density and poloidal magnetic field obtained by the HIBD without the need to scan the probing beam during the plasma discharge. The present work covers the conceptualization, design and simulation (using SIMION code) of a multiple channel 90º CEA. The operation is based in an innovative deceleration mode which takes advantage of the beam retardation and focusing property of a customized electrostatic field at the input of the analyzer. The deceleration mode has demonstrated significant improvements in the beam energy measurements resolution and angle aberration characteristics as compared to conventional CEA operation. The simulation predictions were verified by experimental results obtained by testing a half-size 90º CEA prototype with an electron beam installed in a dedicated test facility. An additional intermediate unit, named electrostatic input module (EIM), responsible to focus and deflect the secondary beams from plasma output to CEA input, was also designed and optimized in SIMION. The combined set-up of EIM and half-size 90º CEA prototype was installed and commissioned in ISTTOK tokamak (Portugal) to successfully obtain the measurements of plasma potential from the core. The analyzer has been calibrated using an ‘indirect calibration’ approach in order to determine the absolute plasma potential. The second part of this thesis work covers the experiments performed by the author on the dual heavy ion beam probe (HIBP) at TJ-II stellarator at CIEMAT (Spain). The work at TJ-II investigates and demonstrates the significance of potential and density profile measurement to understand the behavior of the plasma. The experiments were developed around three experimental objectives: (i) The plasma core potential profiles were investigated during external plasma edge biasing in order to probe asymmetries by observing the plasma potential response measured by two toroidally separated HIBP’s; (ii) 2D poloidal contour plots of plasma potential and density and their fluctuations have been measured by HIBP in a new energy scanning mode in low density plasmas sustained by ECRH; (iii) The plasma potential profiles for plasmas heated by counter- and co- neutral beam current drive injection (NBI) are obtained and compared in order to correlate the fast particle confinement with NBI current drive injection as predicted theoretically.