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Charakterisierung der elektromagnetischen Turbulenz im Torsatron TJ-K
(2007) Rahbarnia, Kian; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
Es wird die elektromagnetische Turbulenz im Torsatron TJ-K gemessen und analysiert.
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Dynamics and structure analysis of coherent turbulent structures at the boundary of toroidally confined plasmas
(2013) Fuchert, Golo; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
Die sichere und finanzierbare Deckung des steigenden Energiebedarfs ist eine der größten Herausforderungen unseres Jahrhunderts. Kernfusionskraftwerke nach dem Prinzip des magnetischen Einschlusses können möglicherweise einen entscheidenden Beitrag leisten. Derzeit verhindern Energieverluste des Fusionsplasmas durch Turbulenz einen effizienten Betrieb und erhöhen die Erosion der Innenwand des Fusionsreaktors. Nahe der Wand, in der sogenannten Abschälschicht, wird der Transport dominiert von Blobs oder Filamenten: lokalisierte Strukturen erhöhten Drucks, die Energie und Teilchen in Richtung der Wand transportieren. Der Transport hängt unter anderem ab von der Größe, Geschwindigkeit und Entstehungsrate der Blobs. Für einfache Geometrien des einschließenden Magnetfelds sagt ein analytisches Modell die Größe und Geschwindigkeit der Blobs voraus, nicht aber die Entstehungsrate. Experimentelle Beobachtungen deuten auf eine Beteiligung der Randschichtturbulenz in der Nähe der letzten geschlossenen Flussfläche (dem Beginn der Abschälschicht) bei der Blobentstehung hin, was sich in der Entstehungsrate widerspiegeln sollte. Diese Arbeit beantwortet vorrangig zwei Fragen: Beschreiben die einfachen Modelle die Blobeigenschaften auch in Magnetfeldgeometrien tatsächlicher Fusionsexperimente und welchen Einfluss hat die Randschichtturbulenz auf diese Eigenschaften? Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera wurden Größe, Geschwindigkeit und Entstehungsrate der Blobs im Stellarator TJ-K und dem Tokamak ASDEX Upgrade untersucht. Während eine grundsätzliche Übereinstimmung mit den Vorhersagen besteht, konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Randschichtturbulenz die untersuchten Eigenschaften beeinflusst. Die Messungen beinhalten den ersten systematischen Vergleich der Strukturgrößen inner- und außerhalb der letzten geschlossenen Flussfläche. Darüber hinaus wird mit Sondenmessungen die dreidimensionale Struktur der Blobs in einem Stellarator vermessen und gezeigt, dass die Blobs mehr als 50 % des lokalen und mehr als 20 % des totalen Transports in der Abschälschicht ausmachen. Messungen eines Stroms entlang der Filamente bestätigen, dass das analytischen Modell die relevanten physikalischen Prozesse behinhaltet. In ASDEX Upgrade werden Blobeigenschaften bestimmt und in zwei Einschlussregimen, der sogenannten L- und H-Mode, verglichen. Wie schon in TJ-K zeigt sich eine weitgehende Übereinstimmung mit den analytischen Vorhersagen. Größenmessungen deuten einen Einfluss der hohen Ionentemperatur auf die Blobdynamik hin. Außerdem wird eine überraschend geringe Variation der Blobeigenschaften zwischen L- und H-Mode beobachtet.
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Entwicklung und spektroskopische Untersuchung eines Mikrowellen-Plasmabrenners für die Schichtabscheidung aus Pulvern
(2012) Kopecki, Jochen; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
Nachhaltige Energiekonzepte, wie die Verwendung von regenerativen Energien, spielen in Zeiten von immer größer werdendem Energiebedarf eine entscheidende Rolle. Insbesondere im Bereich der Photovoltaik hat Deutschland seit jeher eine Vorreiterrolle eingenommen. Damit ist Deutschland der zentrale Standort für Photovoltaikforschung. In der vorliegenden Arbeit wird eine Möglichkeit zur plasmagestützten Abscheidung von amorphem Silizium aus Pulver entwickelt und untersucht, um eine kostengünstige Alternative zu den bestehenden Verfahren zu finden. Die Plasmaquelle hierfür basiert auf einem Mikrowellenresonator, welcher mit Hilfe von numerischen Simulationen mit CST Microwave Studio dimensioniert wurde und für den Betrieb bei Atmosphärendruck ausgelegt ist. Mit diesem Plasmabrenner ist es möglich ein linear ausgedehntes, freistehendes Plasma zu erzeugen, in dem Si-Partikel verdampft werden können. Die Partikel werden hierfür über einen Trägergasstrom eingeblasen und müssen während ihrer Verweilzeit im Plasma die benötigte Energie zum Verdampfen aufnehmen. Dieser Prozess wird im Detail untersucht, da sich über die Plasmalänge und den Gasfluss die maximal verwendbare Partikelgröße einstellt und für die Abscheidung von qualitativ hochwertigem amorphen Silizium der Schichtbildner vollständig gasförmig sein muss. Die Plasmaparameter T_gas, T_e und n_e, welche ebenfalls ausschlaggebend für den Beschichtungsprozess sind und in die verwendeten Verdampfungsmodelle eingehen, werden mittels optischer Emissionsspektroskopie in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung ermittelt. Hierfür werden sowohl die relativen Intensitäten sowie die Linienprofile der Atomlinien der Balmerserie gemessen und ausgewertet. Die abgeschiedenen Schichten wurden mittels REM-, FTIR- und XPS-Analyse sowie der Photospektroskopie analysiert, wobei eine Verunreinigung der Schichten mit Sauerstoff ermittelt wurde, welche negative Auswirkungen auf die Leitfähigkeit der Schicht hat. Dennoch ist die Morphologie sowie die optische Qualtität der Schichten vergleichbar mit den Ergebnissen gängiger PECVD-Verfahren.
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Experimentelle Untersuchungen zur Struktur und Dynamik von Driftwellenturbulenz in Stellaratorgeometrie
(2012) Birkenmeier, Gregor; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
Seit über 60 Jahren versucht man in der Fusionsforschung ein Plasma mit Hilfe von Magnetfeldern einzuschliesen, so dass die erforderlichen hohen Dichten und Temperaturen für die Zündung der Kernfusion erreicht werden können. Trotz großartiger Fortschritte bewährter Einschlusskonzepte, die Energieeinschlusszeiten an der Zündschwelle der Kernfusion in Bälde erwarten lassen, wird neuartigen Magnetfeldgeometrien von Seiten der theoretischen Plasmaphysik ein enormes zusätzliches Potential an Einschlussverbesserung zugesprochen. Der Schlüssel dafür liegt in der Minimierung des turbulenten Transports durch geeignete Wahl der Magnetfeldgeometrie, wofür ein grundlegendes Verständnis des Einflusses der Magnetfeldgeometrie auf die Plasmaturbulenz essenziell ist. Neben einer stattlichen Anzahl von theoretischen Arbeiten über die turbulente Plasmadynamik in dreidimensionalen Geometrien gibt es nur wenige experimentelle Studien zur Überprüfung der theoretischen Resultate. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, experimentelle Daten zu liefern, die für den Vergleich mit der Theorie und für tiefere Einblicke in das Wechselspiel zwischen Driftwellenturbulenz und Magnetfeldgeometrie dienen. Dafür werden mit Hilfe zweier Multi-Sondenanordnungen an 128 Stellen auf einer Flussfläche des Stellarators TJ-K in Niedertemperaturplasmen lokale Dichte- und Potentialfluktuationen mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen. Daraus bestimmte senkrechte Strukturgrößen sind in Bereichen hoher absoluter lokaler Magnetfeldverscherung reduziert. Zudem wird ein poloidaler Versatz relativ zu den Magnetfeldlinien und ein komplexes Propagationsmuster der parallel ausgedehnten Turbulenzstrukturen gefunden. Aus den Sondendaten können auch Poloidalprofile des turbulenten Transports bestimmt werden. Die Transportmaxima werden dabei poloidal lokalisiert im Bereich negativer Normalenkrümmung (ungünstiger Krümmung) gefunden. Darüber hinaus gibt es Hinweise, dass auch die geodätische Krümmung eine Rolle für den Transport spielen könnte. Die transportverursachenden Bereiche sind parallel entlang einer Magnetfeldlinie auf der Flussfläche ausgedehnt. Die Sondenanordnungen erlauben erstmals auch globale Messungen von Zonalströmungen. Diese deuten auf ein Räuber-Beute-Schema zwischen Zonalströmung und Turbulenz hin, wobei eine signifikante Reduktion des turbulenten Transports um 30 % durch die Zonalströmungen nachgewiesen werden kann. Dabei wirkt die Zonalströmung zunächst auf die Kreuzphase ƒzwischen Dichte und elektrischem Feld, danach erst auf die Fluktuationsamplituden.
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Influence of the ion energy on generation and properties of thin barrier layers deposited in a microwave plasma process
(2012) Ramisch, Evelyn Christine; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
The demand for environment-friendly energy sources increases more and more, which is not only caused by the energy turnaround initialized by the Federal Government. In this context, the focus is set mainly on the development of wind power and solar energy with competitive production costs. Above all, this is a problem for solar cells, which, today, are mainly fabricated out of crystalline silicon and, therefore, are in competition with semiconductor industry. Hence, the development of solar cells based on alternative materials like e.g. copper-indium-gallium-diselenide (CIGS) is of great interest. Because of the lower layer thickness needed for this material, these solar cells can be fabricated on flexible substrates like metal foils. This possibility offers a broader spectrum of applications. For reaching low production costs, the applicability of unpolished steel foil, which exhibits scratches on the µm scale, is investigated as substrate for the solar cells in this work. The use of any metal as substrate requires a barrier layer between the substrate and the solar cells to prevent short-circuits between the separate cells of a solar module and to prevent the diffusion of undesired substrate elements into the solar cells. In this work, siliconoxide and silicon-nitride coatings are deposited as barrier layers in a microwaveplasma process in a gas mixture of HMDSO (hexamethyldisiloxane) and oxygen or monosilane and ammonia. To have the opportunity of influencing the layer growth by high-energetic ions, an additional substrate bias is applied during the deposition, which leads to a capacitive discharge superimposing the microwave one. The high-energetic ions impinging on the layer surface lead to a layer smoothing and melting, especially at positions of indentations in the substrate surface. Hence, the barrier properties of the coating are improved clearly, which was identified by insulation measurements of the deposited film. The layer growth modification is analyzed on the basis of substrates with a well-defined rough surface structure in the µm range experimentally as well as by simulations with the Monte-Carlo Code SDTrimSP-2D, which allows a detailed analysis of the local layer growth mechanisms contributing to the deposition. Additionally, the impinge of the energetic ions affects the molecular structure and composition of the coatings as well. These parameters are an important indicator for the layer material properties like adhesion, hardness and diffusion properties. The molecular composition of the deposited layers is analyzed in detail by Fourier- ransform infrared (FTIR) spectroscopy. From the layer composition and their refractive index, conclusions on the diffusion behavior of the coatings are drawn. In case of applying the substrate bias, the spectra indicate a denser and harder film in case of silicon oxide. Hence, these layers are more diffusion preventing compared to the unbiased ones. On the other hand, the silicon-nitride coatings show contrary properties: They offer more porous layers, when the substrate bias is applied, and, therefore, they assist diffusion.
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Investigation of microwave heating scenarios in the magnetically confined low-temperature plasma of the stellarator TJ-K
(2010) Köhn, Alf; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
The generation and heating of plasmas by means of microwaves is a widely-used method. This is the case for high-temperature fusion plasmas as well as for low-temperature plasmas. In fusion plasmas, the absorption of the microwave is well understood: The wave couples resonantly to the cyclotron motion of electrons around the magnetic field lines. The efficiency of the heating depends strongly on the temperature of the electrons. In low-temperature plasmas, the electrons have temperatures in the range of 1-10 eV. At these temperatures, which are low compared to those in fusion plasmas, the cyclotron resonance only plays a role for the plasma breakdown. Hence, other mechanisms must be used for plasma heating. One possibility is heating by electron Bernstein waves. They must be excited by mode conversion processes in the plasma, because they cannot propagate in vacuum. Another candidate is heating at the upper-hybrid resonance. The stellarator TJ-K is a low-temperature experiment at which microwave heating can be carried out at two different frequencies: at 2.45 GHz and in the range around 8 GHz. The thesis presented here, investigates the possible heating scenarios in TJ-K. To numerically study the interaction of the microwave with the plasma, the full-wave code IPF-FDMC was developed. With this code, the efficiency of the conversion process of an electromagnetic wave into the electrostatic electron Bernstein wave could be investigated in detail for different fusion-relevant experiments in Europe. Both the experimental and the numerical results show that, in TJ-K, most of the microwave power is absorbed at the upper-hybrid resonance. To understand the high absorption coefficient, the reflecting vacuum vessel walls are of vital importance. In the present experimental configuration of TJ-K, heating by Bernstein waves does not play an important role. In the course of these investigations, a new operational regime was discovered in which it is possible to efficiently heat plasmas, albeit there is no resonance for the injected microwave in the plasma.
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Investigation of three-dimensional turbulent structures in the torsatron TJ-K
(2007) Mahdizadeh, Navid; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
In fusion plasmas, the turbulent transport is responsible for the major fraction of particle and heat losses, which degrade the confinement quality in a fusion reactor. Therefore, the investigation of the turbulence dynamics is of great importance. In the core of fusion plasmas, instabilities of interchange-type drive the turbulence, whereas in the plasma edge, the driving mechanism of turbulence is not yet clear. However, numerical simulations of plasma turbulence show that the drift wave should be the dominant instability in this region. It is well known that the edge plasma influences strongly the global confinement properties. Furthermore, the turbulence in the edge sets up a boundary condition for core and scrape of layer transport, which has still not been understood. Hence, the understanding of the physics of the plasma edge is an important issue of fusion research. The key element of the drift wave is the parallel electron dynamics. It can couple the drift wave to the shear-Alfvén wave and determines the degree of instability and the level of transport. On the other hand, the turbulence dynamics parallel to the magnetic field is strongly coupled to the dynamics perpendicular to it. Hence, detailed understanding of drift-wave turbulence needs both information on the perpendicular and the parallel dynamics. For the experimental investigation of plasma turbulence, diagnostics with high temporal and spatial resolution are required. Langmuir probes are well suited for such measurements. In dense and hot fusion plasmas, however, the use of Langmuir probes is limited to the scrape-off layer, which is the region outside the last closed flux surface. The toroidal low-temperature plasma in TJ-K is dimensionally similar to the one in the edge of fusion plasmas. In contrast to fusion plasmas, the whole plasma volume in TJ-K is accessible to Langmuir probes. This allows the use of probe arrays with a large number of tips and high temporal and spatial resolution. Such highly resolved spatial and temporal measurements cannot be carried out in fusion plasmas. A further important advantage of TJ-K is that the comparison of experimental and simulated data is possible in the plasma confinement region. To this end, simulations for the parameters of the TJ-K plasma were carried out using the turbulence code GEM3. In this work, for the first time, the three-dimensional nature of drift waves has been verified experimentally inside the confinement region of the toroidal plasma in TJ-K. The perpendicular dynamics of turbulence has been studied with the focus on the poloidal wavenumber spectra and the scaling of the turbulent structure with the drift scale. To this end, a 64 tip Langmuir probe array has been used, which is poloidally positioned on a flux surface. For the first time, the parallel dynamics of turbulence has been investigated in the core of a toroidally confined plasma. In contrast to previous experiments, multi-probe measurements were carried out to get simultaneous information on the shape and the propagation direction of the turbulent structures. The results for the parallel wave number and the parallel propagation velocity have been compared with results from the simulation code GEM3. It is demonstrated that the propagation in the direction parallel to the magnetic field is affected by Alfvén dynamics. Together, these results strongly confirm previous investigations, which have demonstrated the importance of drift-wave turbulence in TJ-K and therefore also in fusion edge plasma.
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Neue Anwendungsgebiete der Elektronzyklotronresonanzheizung an ASDEX Upgrade
(2012) Höhnle, Hendrik; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
In dieser Arbeit wurden Heizszenarien der Elektronzyklotronresonanzheizung (ECRH) für neue Parametergebiete am Tokamak ASDEX Upgrade im Hinblick auf ITER entwickelt. Die ECRH wird seit dem Umbau des Materials der ersten Wand von Kohlenstoff zu Wolfram auch für die Kontrolle der Wolframkonzentration im Plasmazentrum gebraucht. In ITER-relevanten Entladungen an ASDEX Upgrade wird der Einsatz der ECRH in der üblich verwendeten außerordentlichen Mode an der zweiten Harmonischen (X2-Mode) jedoch begrenzt. Durch die beim ITER-Szenario gleichzeitig benötigte hohe Dichte und hohe Verdrillung des Magnetfeldes, die durch kleine Werte des Sicherheitsfaktors ausgedrückt werden kann, kommt es bei gutem Einschluss zu einem Überschreiten der Cutoff-Dichte der X2-Mode. Dadurch wird die Mikrowelle vor dem Erreichen der Resonanz reflektiert und kann nicht mehr zur zentralen Heizung oder zur Kontrolle der Wolframkonzentration eingesetzt werden. Eine Möglichkeit dieses Problem zu überwinden, ist die Reduzierung des Magnetfeldes und der Absorption der Wellen an der dritten harmonischen Resonanz. Durch die Abhängigkeit des Cutoffs vom Magnetfeld lassen sich so Plasmen bis zu einer 1/3 höheren Dichte heizen. Jedoch konnte mit Raytracing- und Beamtracing-Programmen nur eine zentrale Absorption von ca. 60-70 % an der dritten harmonischen Resonanz ermittelt werden. Die nicht absorbierte ECRH-Leistung ist wegen ihrer hohen Leistungsdichte für mikrowellensensitive Bauteile in ASDEX Upgrade gefährlich. Eine Optimierung des Magnetfeldes von 1,7 T auf 1,8 T kann die Streustrahlung minimieren, indem die am Rand liegende zweite harmonische Resonanz als Strahlensumpf genutzt wird. Die Depositionsregion der dritten Harmonischen bleibt dabei für die Unterdrückung der Wolframakkumulation zentral genug. Dieses Szenario konnte anhand von Experimenten durch die Betrachtung der Streustrahlung und Elektronentemperatur bei zwei verschiedenen Magnetfeldstärken (1,7 T und 1,8 T) verifiziert werden. Auch die Abhängigkeit der Wolframakkumulation von der ECRH-Leistung konnte experimentell gezeigt werden. Mit diesen Ergebnissen war es erstmals möglich, ITER-relevante Entladungen bei kleinem Sicherheitsfaktor an ASDEX Upgrade zu fahren. Die in dieser Arbeit betrachteten ITER-Parameter wurden erreicht und teilweise auch übertroffen. Neben dem verringerten Magnetfeld und der Verwendung der dritten harmonischen Resonanz ist es aber auch möglich, zentral an der zweiten Harmonischen in der ordentlichen Polarisation (O2-Mode) zu heizen. Dadurch ist das Anwenden der ECRH bis zur doppelten Dichte möglich. Es besteht jedoch auch mit der O2-Mode das Problem der unvollständigen Absorption der Heizwellen bei den an ASDEX Upgrade erreichbaren Plasmaparametern. Im Gegensatz zum X3-Szenario kann hierbei jedoch nicht auf einen Strahlensumpf zurückgegriffen werden. Dies erfordert ein eigens für die O2-Mode entwickeltes Heizszenario. Hierbei werden die durchscheinenden Anteile der O2-Strahlen an Spiegeln an der inneren Wand an ASDEX Upgrade reflektiert und so weitere zentrale Plasmadurchgänge realisiert. Mit Beamtracing-Rechnungen konnte eine Steigerung der Absorption von 80 % auf 94 % berechnet werden. Für dieses Heizszenario mussten spezielle Spiegel entwickelt und gebaut werden, die einige Bedingungen erfüllen mussten. Die Spiegel mussten sich z. B., erosionsbedingt und um das Plasma nicht zu verunreinigen, an die innere Wand anschmiegen. Ferner mussten die Spiegel polarisationserhaltend sein, d. h., die Reflexion musste ebenfalls in ordentlicher Polarisation erfolgen. Diese Anforderungen erfüllen nur sogenannte holografische Gitterspiegel, die eine Optimierung der Gitterprofile mittels des Verfahrens der Differenziellen Evolution bedingen. Die theoretischen Reflexionseigenschaften der Spiegel konnten vor dem Einsatz an ASDEX Upgrade experimentell bestätigt werden. In Plasmaentladungen kann es aber wegen unvorhersehbarer Dichteänderungen zu einer Bewegung der Strahlen auf den Spiegeln kommen. Um die Position der Strahlen auf den Spiegeln zu kontrollieren, wurde eine Echtzeitsteuerung zur Nachführung der Strahlen, basierend auf Thermoelementen, entwickelt. Experimente zeigten die erfolgreiche Nachführung der Strahlen in ITER-relevanten Entladungen. In Modulationsexperimenten konnte die höhere Absorption im Plasmazentrum nachgewiesen werden und so das O2-Heizungszenarios verifiziert werden. Mithilfe der Temperaturantwort der Thermoelemente war auch die experimentelle Überprüfung der theoretisch berechneten Absorption möglich. Diese Ergebnisse erlaubten erste Entladungen mit niedrigem Sicherheitsfaktor und der O2-Heizung. Durch die hohe zentrale Wellenheizung und das Einblasen von Deuterium war es möglich, die Wolframkonzentration weiter zu reduzieren. Die betrachteten ITER-relevanten Parameter konnten erreicht und teilweise übertroffen werden.
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Strukturentstehung in Driftwellenturbulenz toroidaler Plasmen
(2009) Manz, Peter; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
In Fusionsplasmen ist die Turbulenz und der damit inhergehende turbulente Transport für den größten Anteil der Teilchen- und Energieverluste verantwortlich. Durch die annähernd freie Bewegung der Ladungsträger parallel zum Magnetfeld kann die Turbulenz in magnetisierten Plasmen, rotierenden Flüssigkeiten im geophysikalischen Kontext entsprechend, als zweidimensional betrachtet werden. In zweidimensionaler Turbulenz bilden sich durch Wirbelvermischung größere Wirbelstrukturen aus. Es wird davon ausgegangen, dass die Wirbel untereinander wechselwirken und sich gegenseitig durchmischen und so schrittweise immer größere Wirbel bilden. Da dieser Prozess stufenweise abläuft wird dieser als Kaskade bezeichnet. Große Wirbelsysteme können für die Fusionsforschung von entscheidender Bedeutung sein, da sie nicht gleichmäßige radiale elektrische Felder aufbauen können, die eine Schlüsselgröße von internen Transport-Barrieren sind. Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Wirbeln verschiedener Skalen wird im Detail untersucht. Die Untersuchung erlaubt Rückschlüsse auf den Entstehungsmechanismus von großskaligen Wirbelstrukturen in magnetisierten Plasmen.
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Untersuchung der Ionendynamik in Laborplasmen : am Beispiel von Flips und TJ-K
(2010) Enge, Sebastian; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Diagnostik, basierend auf der laserinduzierte Fluoreszenz (LIF), aufgebaut und zur Messung der Ionengeschwindigkeitsverteilung eingesetzt. Ein Diodenlaser dient zur Anregung einfach ionisierter Argonionen aus einem metastabilen Zustand heraus. Das Fluoreszenzlicht, das beim Übergang in einen niedrigeren Zustand emittiert wird, ist ein Maß für das absorbierte Laserlicht und somit für die Form des Übergangs, welche wiederum Informationen über die Ionengeschwindigkeit enthält. Eine Modulation der Laserintensität, die durch einen akustooptischen Modulator erreicht wird, erlaubt die Nutzung der Lockin-Technik, um die schwache laserinduzierte Fluoreszenz zu detektieren. Zwei leicht verschiedene Messmethoden wurden angewandt: Eine zeitintegrierte Messung, die eine hohe spektrale Auflösung bietet, und eine phasenaufgelöste Messung, die periodische Phänomene zeitlich auflösen kann. Die Doppelplasmaanlage Flips, sowie ein kleineres Experiment (EHo) als Vorstufe, wurden im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut. An der Doppelplasmaanlage EHo wurde der Verlauf der Plasmarandschicht vermessen. Es wurde gezeigt, dass die Ionen, die für die Ausbildung der Schicht notwendige, Bohm-Geschwindigkeit erreichen. Eine Erhöhung des Neutralgasdruckes verringert die Ausdehnung der Vorschicht, da die Ionisationsrate zunimmt. Durch Argon/Sauerstoff-Gasmischungen konnten elektronegative Plasmen erzeugt werden. Eine Auswirkung der negativen Ionen auf die Ausbildung der Schicht konnten in den hier verwendeten Plasmen ausgeschlossen werden. Ionenakustische Wellen wurden in Flips durch Modulation des Gitters, das die beiden Plasmen in der Doppelplasmaanlage voneinander abgrenzt, mit einer sinusförmigen Spannung erzeugt. Diese Wellen wurden mit Hilfe von Langmuir-Sonden nachgewiesen. Die gemessenen Ionenschallgeschwindigkeiten entsprechen denen, die aus der Elektronentemperatur berechnet wurden. Durch die Anregung des Gitters mit kurzen Hochfrequenzpulsen, deren Frequenz geringfügig über der Ionenplasmafrequenz liegt, konnten Solitonen erzeugt werden. Mit Hilfe der phasenaufgelösten LIF-Messung wurde die zeitliche Änderung der Ionengeschwindigkeitsverteilung durch das Soliton gemessen. Die Ionen werden durch das Soliton adiabatisch komprimiert, weshalb die Dichte und die Temperatur der Ionen lokal ansteigen. Gleichzeitig werden die Ionen durch das Soliton etwas in Ausbreitungsrichtung des Solitons versetzt. Die LIF-Diagnostik wurde weiterhin dazu eingesetzt die Ionentemperaturen und Gleichgewichtsströmungen am toroidal eingeschlossenen Plasma im Stellarator TJ-K zu untersuchen. Die Messung der Ionengeschwindigkeit erlaubte es, die Hintergrundströmung der Ionen zu untersuchen, die für das Plasmagleichgewicht eine zentrale Rolle spielen. Die poloidalen Strömung senkrecht zum Magnetfeld wird durch die diamagnetische und die ExB-Drift getragen. Dies ermöglicht die Induktion einer poloidalen Rotation durch Vorspannen (Biasing) einer Flussfläche. Die induzierte poloidale Rotation beträgt ca. 2000 m/s, was im Vergleich zu selbsterzeugten Rotation, die zwischen -500 und 500 m/s liegt, eine deutliche Erhöhung ist. Die toroidalen Ionengeschwindigkeiten zeigen ein Verhalten, das durch die Pfirsch-Schlüter-Strömung erklärt werden kann, die ebenfalls ein Teil der Gleichgewichtsströmung ist. Die Pfirsch-Schlüter-Strömung wurde in dieser Arbeit erstmals direkt nachgewiesen. Als Maß für die Qualität des Plasmaeinschlusses dienen in der Regel die Einschlusszeiten für Temperatur und Dichte. Die Einschlusszeiten der Elektronen- und Ionendichte müssen, wegen der Ambipolarität, gleich sein, im Gegensatz zu den Einschlusszeiten der Temperatur, welche sich für Ionen und Elektronen unterscheiden. An TJ-K wurde, mit Hilfe der phasenaufgelösten LIF-Messung, die Entwicklung der Ionendichte und -temperatur in modulierten Entladungen untersucht. Es stellte sich dabei heraus, dass die Abfallszeit für die Ionendichte deutlich kürzer, als die der Ionentemperatur ist. Präzise Messungen der Ionentemperatur erlaubten erstmals die Untersuchung des absoluten Betrags von turbulenten Heizprozessen, die in Fusionsplasmen ansonsten von der dominanten Heizung durch Elektronen-Ionen-Stöße überdeckt sind. Die radialen Ionentemperaturprofile weisen einen geringen Gradienten auf und erreichen im Plasmazentrum Werte von 1 eV bei Niederfeldentladungen und 2 eV bei Hochfeldentladungen. Unter Berücksichtigung der allgemein üblichen Energiegewinn- und -verlustterme, tritt ein Defizit an Heizleistung auf. Die Druck- und Ortsabhängigkeit des Defizits deuten auf die turbulenten Fluktuationen als möglichen zusätzlichen Heizmechanismus hin. Eine quantitative Analyse der turbulenten Heizung wurde mit Hilfe eines Drift-Alfvén-Turbulenzmodells durchgeführt. Die Übereinstimmung der theorethischen Abschätzung mit dem experimentell gewonnenen Energiedefizit ist bemerkenswert und untermauert somit die Vermutung der anormalen turbulenten Ionenheizung.
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Untersuchung turbulenter Strukturen am Rand magnetisierter Plasmen
(2012) Nold, Bernhard; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
Steigende Energiekosten und der fortschreitende Klimawandel werden bestehende Konflikte verschärfen und neue hervorrufen. Energiesparen und die Erschließung neuer Technologien können den Ursachen dieser Konflikte entgegen wirken. Neben den erneuerbaren Energiequellen kann auch die Kernfusion helfen diesen Herausforderungen zu begegnen. Um zukünftige Fusionskraftwerke kleiner und leistungsfähiger bauen zu können muss der magnetische Einschluss verbessert und die Belastung der Reaktorwände reduziert werden. Dazu ist ein besseres Verständnis turbulenter Transportprozesse in magnetisierten Plasmen nötig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Eigenschaften und die Dynamik turbulenter Dichtestrukturen ("Blobs"), sowie deren Wechselwirkung mit Scherströmungen untersucht. Es wurden Langmuir-Sondenmessungen am Tokamak ASDEX Upgrade und im Stellarator TJ-K durchgeführt und mit GEMR-Simulationen der Plasmaturbulenz verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass Blobs in ASDEX Upgrade an der letzten geschlossenen Flussfläche entstehen. Sie propagieren senkrecht zum Magnetfeld in radialer und poloidaler Richtung. Die poloidale ExB-Drift hängt vom radialen Verlauf des Plasmapotentials ab. Dieses wird wiederum durch die Elektronentemperatur vor der elektrisch leitenden Wand bestimmt. In der komplexen Abschälschicht (SOL) eines Divertortokamaks kann dies aufgrund inhomogener Verbindungslängen zur Wand eine Scherströmung hervorrufen, wie die experimentellen Ergebnisse zeigen. Blobs können eine solche Scherströmung kaum unverändert durchqueren. Die Untersuchung zeigt, wie Blobs durch eine Scherströmung hindurch Teilchen und Energie austauschen können, ohne dabei ihre Form und Geschwindigkeit wesentlich zu verändern. Die Dynamik der Strukturen ist jedoch unterschiedlich zwischen den beiden Seiten der Scherströmung. Auf der dem Plasmazentrum zugewandten Seite dominiert die parallele Driftwellendynamik, d.h. Dichte und Potential der Blobs sind etwa in Phase. Außerhalb der Scherströmung wird die Dynamik aufgrund der kürzeren Verbindungslängen vom Austauschmechanismus dominiert. Die damit verbundene Ladungstrennung führt zu einer deutlichen Phasenverschiebung zwischen der positiven Dichtestörung und einem positiven Monopol im Potential. Entgegen der Erwartung zeigt sich im Potential keine dipolartige Struktur. Floatingpotentialmessungen deuten zwar auf kohärente Maxima und Minima hin, letztere konnten hier jedoch auf den Einfluss kohärenter Elektronentemperaturfluktuationen zurückgeführt werden.