Untersuchung der Ionendynamik in Laborplasmen : am Beispiel von Flips und TJ-K

Abstract

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.

In this work, a diagnostics based on the laser-induced fluorescence (LIF) was set up and used to measure the ion velocity distribution. A diode laser is used to excite singly ionized argon ions out of a metastable state. The fluorescence light that is emitted during a transition to a lower state, is a measure for the absorbed laser light and thus for the shape of the transition, which in turn contains information about the ion velocity. For a precise measurement, the wavelength of the exciting laser must be known very accurately. For this purpose a wavemeter in combination with an optical gas cell filled with iodine was used. Modulating the laser intensity, which is achieved by an acousto-optic modulator, allows to use the lock-in technique to detect the weak laser-induced fluorescence. Two slightly different measurement methods were used: a time-integrated measurement, which provides high spectral resolution, and phase-resolved measurements, which can resolve periodic phenomena in time.

The double plasma device Flips, and a smaller experiment (EHO) as a precursor, have been established in this work. In the double plasma device EHo the shape of the plasma sheath was measured. It was shown that the ions reach the Bohm speed, which is required for the formation of the sheath. An increase of the neutral gas pressure decreases the extent of the presheath, as the ionization rate increases. Using argon/oxygen-gas mixtures generated electronegative plasmas. An effect of negative ions on the formation of the sheath could be excluded in the plasmas used here.

In Flips ion-acoustic waves were generated by a sinusoidal voltage modulation of the grid, which separates the two plasmas in the double plasma device from each other. These waves were detected using Langmuir probes. The measured ion acoustic speeds were comparable to those which were calculated from the electron temperature. By the excitation of the grid with short high frequency pulses, whose frequency is slightly above the ion plasma frequency, solitons could be generated. With the help of the phase-resolved LIF measurement the distortion of the ion velocity distribution caused by the soliton was measured. The ions are compressed by the soliton adiabatically, so the density and temperature of the ion increases locally. At the same time, the ions were pushed in the direction of propagation of the soliton.

The LIF diagnostic has also been used to investigate the ion temperatures and equilibrium velocities in the toroidally confined plasma. Therefore the diagnostics was installed at the stellarator TJ-K. The measurement of the ion velocity was used to examine the background flow of ions, which are playing a central role for the plasma equilibrium. The poloidal flow perpendicular to the magnetic field is carried by the diamagnetic and the ExB-drift. This allows the induction of poloidal rotation by biasing of a flux surface. The induced poloidal rotation is approximately 2000 m/s, which is compared to self-generated rotation of -500 to 500 m/s, a significant increase. The toroidal ion velocities show a behaviour that can be explained by the Pfirsch-Schlüter flow, which is also a part of the equilibrium flow. In this work The Pfirsch-Schlüter flow was detected directly for the first time.

As a measure for the plasma confinement the confinement times for temperature and density are used. The confinement times of the electron- and ion density must be the same due to the ambipolarity, in contrast to the confinement times of the temperatures, which are different for ions and electrons. At TJ-K, the development of the ion density and temperature in modulated discharges was investigated, using the phase-resolved LIF measurement. It turns out that the decay time for the ion density is much shorter than the one for the ion temperature. Precise measurements of the ion temperature allowed, for the first time, the investigation of the absolute amount of turbulent heating processes, which were otherwise covered in fusion plasmas by the dominant heating by electron-ion collisions. The radial ion temperature profiles have a low gradient and reach at the plasma core values of 1 eV at low-field discharges and 2 eV at high-field discharges. Taking into account the generally used energy gain and loss terms, a deficit occurs in heating power. There must be acting an additional heating mechanism on the ions. The pressure and position dependence of the deficit points to the turbulent fluctuations as key player in the heating process. A quantitative analysis of the turbulent heating was carried out using a drift-Alfvén turbulence model. The consistency of the theoretical estimation with the experimentally derived energy deficit is remarkable, and therefore underpins the presumption of abnormal turbulent ion heating.