Microwave heating of plasmas with the new 14 GHz system at the stellarator TJ-K

Abstract

The aim of this thesis has been to investigate the plasmas generated by the newly installed 14 GHz microwave heating system at TJ-K in the equilibrium state. The new heating system has been installed in order to operate TJ-K at a wider range of controllable parameters. Several diagnostics have been used to investigate the plasma: An interferometer was used to obtain the line averaged density. A radially movable device with three Langmuir probes was used to obtain the radial profiles of the electron density and the electron temperature. An optical diode was used to obtain the radiation mainly in the visible range, whereas a bolometer with eight channels was used in order to obtain the poloidal radiation profiles. In addition, the neutral gas pressure, the magnetic field (based on the current running through the coils), and the injected and reflected microwave power was measured. Magnetic and pressure scans in the new regime have been performed, meaning that the scanned parameter has been varied on a shot to shot basis, whereas the other parameters have been kept constant. In addition to increase the parameter space, the magnetic field has been varied in order to vary the power deposition in the plasmas. The pressure has been varied in order to approach regimes where neoclassical effects become important. When lowering the collisionality, collisional regimes where neoclassical effects dominates can be reached. Lower collisional regimes were found for low pressures in hydrogen. However, operation at these collisional regimes is not readily available as it was found that the plasmas become increasingly unstable when closing in on these regimes. With this heating system one can operate at higher magnetic fields, and thus increase the confinement of the plasma. It has been found that plasmas in this regime have higher densities than the previously installed heating systems. This makes the new heating system a good candidate in studying over-dense plasmas.

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Plasmen, die mit dem neuen Mikrowellenheizsystem bei 14 GHz in dem Stellarator TJ-K erzeugt wurden. Das neue Heizsystem wurde an TJ-K installiert, um den Operationsbereich zu erweitern. Verschiedene Diagnostiken wurden verwendet um das Plasma zu untersuchen: Ein Interferometer wurde verwendet, um die liniengemittelte Dichte zu erhalten. Mittels einer radial verfahrbaren Langmuirsonde wurden radiale Profile der Elektronendichte und der Elektronentemperatur bestimmt. Eine optische Diode wurde verwendet, um Strahlung im sichtbaren Bereich zu detektieren, wohingegen ein Bolometer mit 8 Kanälen verwendet wurde, um ein poloidales Profil der vom Plasma emittierten Strahlung zu erhalten. Weiterhin wurde der Neutralgasdruck, das Hintergrundmagnetfeld (basierend auf dem Spulenstrom) und die eingestrahlte und reflektierte Mikrowellenleistung bestimmt. In dem neuen Plasmaregime wurden Magnetfeld- und Druckvariationen durchgeführt, was bedeutet, dass der zu variierende Parameter von Plasmaentladung zu Plasmaentladung variiert wurde, während der andere Parameter konstant blieb. Um den Parameterbereich noch zusätzlich zu erhöhen, wurde das Magnetfeld variiert um den Ort der Leistungsdeposition im Plasma zu verändern. Der Druck wurde vor allem variiert, um in Bereiche vorzustoßen, in denen neoklassische Effekte wichtig werden. Durch Verringerung der Stößigkeit lassen sich diese Bereiche erreichen. Bereiche niedriger Stoßraten wurden für niedrigen Druck in Wasserstoff gefunden. Allerdings ist dieser Bereich nur schwer erreichbar, da das Plasma zunehmend instabil wird, sobald man diesem Bereich nahe kommt. Das neue Mikrowellenheizsystem erlaubt den Betrieb bei höheren Magnetfelder was zu einem besseren Einschluss des Plasmas führt. Es wurde gezeigt, dass die Plasmadichte in diesem Regime, verglichen mit den bisherigen Mikrowellenheizsystemen, höher ist. Damit stellt das neue System eine gute Möglichkeit dar, überdichte Plasmen zu untersuchen.