Interpretation of synergistic effects between electron beam and microwave startup of a torsatron plasma

Abstract

Der Columbia (non-)Neutral Torus (CNT) ist einfacher Stellarator mit einem geringen aspect ratio, welcher momentan an der Columbia University betrieben wird. Das einzigartige Design besteht aus lediglich 4 Spulen: 2 ineinander verriegelte Spulen im Zentrum und zwei Vertikalfeldspulen. Ursprünglich zur Analyse nicht neutraler Elektronenplasmen konzipiert, ist das Ziel nun die Analyse neutraler Plasmen. Dies wurde durch Erhöhung des Druckes in der Vakuumkammer erreicht.Zur Plasmaerzeugung und -heizung wurde anfangs ein Draht erhitzt und durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Draht und der Vakuumkammer Elektronen extrahiert. Die Elektronen bewegen sich auf Spiralbahnen um die magnetischen Feldlinien mit der charakteristischen Zyklotronfrequenz. Wird elektromagnetische Strahlung derselben Frequenz eingestrahlt, kann diese durch Elektron-Zyklotron-Resonanz (EZR) absorbiert werden und die Elektronen damit heizen. Hierfür wurde in weiterer Folge eine Mikrowellen-Quelle installiert um das Plasma zu heizen.Jeder dieser beiden Methoden alleine kann ein Plasma erzeugen. Werden jedoch beide simultan verwendet, waren die gemessenen Plasmadichten höher als die Summe der Dichten welche durch den Einsatz einer einzelnen Methode erreicht wurden (um einen Faktor 2). Das weist auf einen synergistischen Effekt zwischen den beiden hin.Mögliche Kandidaten zur Erklärung dieser Synergie wurden präsentiert und in dieser Arbeit untersucht. Ein erster Kandidat beinhaltet, dass das von den Mikrowellen erzeugte elektrische Feld den Emissionsstrom vom Filament erhöhen könne. Dieser Effekt wurde mithilfe von Scha tzungen berechnet.Der zweite Kandidat welcher in dieser Studie behandelt wurde befasst sich mit der Effizienz der Mikrowellen-Absorption. Die vom Filament emittierten Elektronen haben eine durchschnittliche Energie von ungefähr 100 eV. Im Vergleich dazu haben die Hintergrund- Elektronen, welche mithilfe der Mikrowellenheizung ein Plasma erzeugen können, eine Durchschnitts-Energie von 5 eV. Die Effizienz der Mikrowellenabsorption steigt mit dem Larmor-Radius rL, welcher sich mit der Energie vergro ßert. Die thermisch emittierten Elektronen können demnach die Energie der Mikrowellen besser absorbieren und damit mehr Teilchen ionisieren, was letztlich zu höheren Dichten führt.Dieser Mechanismus wurde untersucht indem einzelne Elektronen im Magnetfeld des CNT verfolgt wurden. Die Elektronen stoßen dabei mit anderen Teilchen: entweder elastisch mit anderen geladenen Teilchen, durch Ionisations-Stöße oder Rekombinations-Stöße. Zusätzlich vera ndert das elektrische Feld der Mikrowellen die Energie des Teilchens. Ein Monte-Carlo Code wurde entwickelt um die Teilchen zu untersuchen. Durch Analyse vieler einzelner Elektronen kann die durchschnittliche Anzahl an Ionisations-Stößen pro Zeiteinheit bestimmt werden und mit Dichteverlust-Mechanismen verglichen werden. Das gibt Aufschluss über die erreichbaren Dichten.Selbst unter sehr konservativen Annahmen haben die Mikrowellen keinen bedeutenden Einfluss auf den Emissionsstrom des Filaments. Die Berechnung von Teilchenbahnen in CNT wurde durchgeführt und resultierende Poincar e-Plots wurden qualitativ mit früheren Modellen und Simulationen verglichen. Der Energieverlust der Teilchen als Folge von Stößen wurden mit analytischen Modellen verifiziert. Parameter, welche zur Berechnung des elektrischen Feldes der Mikrowellen benötigt werden, wurden variiert und deren Einfluss auf die Energie-Absorption der Teilchen untersucht.

The Columbia (non-)Neutral Torus (CNT) is a simple, low aspect ratio stellarator currently operated by Columbia university. It is unique in its design, consisting out of only four circular coils: Two interlocked coils in the center and two vertical field coils. Initially built to study non-neutral electron plasmas, it has since been re-purposed to study neutral plasmas by increasing the background pressure in its vacuum chamber.For plasma start-up and heating, initially a filament was heated and then a bias voltage between the filament and the vacuum vessel walls was applied to extract electrons from the filament. Electrons spiral around the magnetic field lines with a frequency known as their gyrofrequency. If electromagnetic radiation at this exact same frequency are injected into a plasma, the particles can absorb the microwaves energy using an effect known as electron resonant cyclotron heating (ECRH). To use this effect, a microwave source to heat the plasma was installed.Either of these methods alone can start up a plasma. However, if both are used simultane- ously, the measured plasma densities were higher than the sum of the densities obtained by either method alone (by a factor of around 2), implying some synergistic effect between the two.Candidate mechanisms to explain the observed synergy were proposed and are studied in this thesis. One major candidate was that the electric field created by the microwaves might enhance the field emission from the heated filament, increasing the emission current. To examine this candidate, the emission current from the filament was calculated based on estimates.The second major candidate mechanism to be studied in this thesis revolves around the efficiency of microwave absorption. The average energy of electrons emitted from the filament is around 100 eV. On the other hand, the background electrons starting up the plasma in the presence of microwaves have average energies of around 5 eV. The efficiency of microwaves absorption increases with the Larmor-radius rL; which increase with energy. The electrons emitted from the filament can thus absorb the microwave energy more efficiently, enabling them to ionize more particles and create higher densities.This proposed mechanism was studied by tracing single electrons in CNTs magnetic field. These electrons are subject to collision, including elastic collisions between charged particles, ionizing collisions and recombinations. Additionally, the electric field of induced microwaves will alter the particles energy. A Monte-Carlo code was developed to study the particles. Comparing the results of many individual electrons, the average number of ionization events per unit time can be determined and be compared to loss mechanisms; such as recombination or particle escape. This will give insight on the obtainable densities.It was found that even under optimistic assumptions the microwaves have no significant impact on the filament emission currents. Particle tracing in CNT was performed and resulting Poincar e-plots qualitatively compared to previous models. The energy loss due to collisions was verified. Parameters used to compute the microwave electric field were varied and their effect onto the particles energy absorption studied.