Neutral beam emission spectroscopy and simulation for fusion plasma diagnostics

Abstract

Das primäre Ziel dieser Dissertation war es zur Entwicklung neuartiger Natrium- und Heliumdiagnostiken beizutragen. Folgende Arbeiten wurden dazu durchgeführt.<br />Ein Datensatz von Wirkungsquerschnitten wurde erstellt, der für die Simulation der Wechselwirkung zwischen Natriumatomen und Plasmateilchen benötigt wird. Für die Simulationsprogramme werden Protonen- und Elektronen-Stoßdaten über Anregungs- sowie Elektronenverlustprozesse (Ionisation und Ladungsaustausch) benötigt. Zu diesem Zweck wurden theoretische und experimentelle Daten aus der Literatur gesammelt, überprüft, mit einer Ausgleichskurve versehen, und als solche in einen Datensatz gegeben. Die dabei entstandene Datensammlung wurde mittlerweile von "Atomic and Nuclear Data Tables" zur Publikation angenommen.<br />Als nächstes musste eine geeignete Software für die Auswertung und Simulation der Daten der Natriumstrahldiagnostik entwickelt oder modifiziert werden. Eines der Programmpakete simuliert für eine gegebene Elektronendichte des Plasmas Natrium-Emissionsprofile entlang des injizierten Natriumstrahls. Ein entsprechendes Programmpaket wurde auch für die Heliumstrahldiagnostik entwickelt ("Vorwärtsrechnung"). Weiters wurden entsprechende Module für die "Rückwärtsrechnung" programmiert, die eine rekursive Auswertung von Elektronendichteprofilen entlang des injizierten Natriumstrahls aus gemessenen Natrium-Emissionsprofile erlauben.<br />Experimentelle Daten zur Natrium- und Heliumstrahldiagnostik wurden an ASDEX Upgrade (AUG) gesammelt. Zwischen April und Juni 2006, und März und Juni 2007 fanden Experimenten an AUG statt, bei denen ein spezieller Natriumionenemitter im Lithiumstrahlinjektor bei AUG eingesetzt wurde.<br />Überdies wurden zu Diagnostikzwecken Deuterium Heizstrahlen mit Helium "gedoped", um so schnelle Heliumstöße in das Fusionsplasma einzufügen.<br />Die Emission von Doppler-verschobenen NaI- und HeI-Linien während mehrerer Pulse wurden mittels verschiedener Spektrometern gemessen. Die dabei aufgezeichneten Daten der Natriumstrahl-Versuchsexperimente wurden mit Hilfe der oben erwähnten Programmpakete ausgewertet: Dazu wurden entweder die gemessenen Natrium- Emissionsprofile mit "Vorwärtsrechnungen" verglichen, deren Grundlage die Elektronendichteprofile anderer Diagnostiken waren, oder rekursive Berechnungen ("Rückwärtsrechnungen") der Elektronendichteprofile aus den Natrium-Emissionsprofilen durchgeführt. Die natriumbezogenen Resultate, die im Rahmen dieser Arbeit erzielt wurden, sind sehr vielversprechend und zeigen, dass die Natriumstrahldiagnostik für die Auswertung von Elektronendichteprofilen und als Alternative zur vorhandenen Lithiumstrahldiagnostik geeignet ist. Sie bietet im Vergleich mit der Lithiumstrahldiagnostik eine ganze Reihe von Vorteile (u.a. höhere Signalintensitäten, stabilerer Betrieb bei niedrigerer Emittertemperaturen, etc.) ohne entsprechende Nachteile aufzuweisen (so ist etwa die Eindringtiefe des Natriumstrahls gegenüber dem Lithiumstrahl praktisch nicht reduziert). Auch eine Bestimmung von Verunreinigungsionendichten und -temperaturen bei AUG mittels Ladungsaustauschdiagnostik erscheint durch die höhere Internsität des Natriumstrahls nun durchführbar.<br />Wegen technischer Probleme ausserhalb unseres Einflusses, war es trotz Aufenthalte nicht möglich Heliumstrahlexperimente bei JET und AUG in 2005 und 2006 durchzuführen Erst 2007 konnten einige experimentelle Daten bei AUG gewonnen und mit Computersimulationen verglichen wurden. Die Ergebnisse bestätigen frühere Analysen, die zur Schlussfolgerung gekommen sind, dass die Heliumdiagnostik geeignet ist zur Messung der Elektronendichte, aber dass es bis jetzt noch nicht möglich war, das volle Potential dieser Methode zur gleichzeitigen Messung der Elektronentemperatur des Fusionsplasmas auszuschöpfen.<br />

The primary objective of this dissertation was to contribute to the development of novel sodium (Na) and helium (He) beam diagnostic systems. In particular, the following tasks have been performed. A data-set of cross sections which are required for the simulation of the interaction of sodium beams with plasma was collected and stored. In this regard, data on proton and electron impact excitation as well as electron loss (ionisation and charge exchange) are needed for the simulation programs. For this purpose, theoretical and experimental data have been collected, reviewed, fitted and inserted as such into a data-set. This data collection has meanwhile been accepted for publication in "Atomic and Nuclear Data Tables".<br />Software has been developed or modified for the evaluation of the sodium and helium beam diagnostic data: One of the program packages simulates the NaI emission profiles along the injected sodium beam for given plasma electron densities ("forward simulation"), an analogous program package calculates the same for helium beam simulations. Corresponding "backward simulation" programs were written for the recursive evaluation of plasma electron density profiles along the injected sodium beams from measured NaI emission profiles. Experimental data for sodium and helium beam diagnostics were collected at ASDEX Upgrade (AUG): From April to June 2006 and from March to June 2007. Experiments were performed using a dedicated sodium beam emitter in the conventional lithium beam injector at AUG. Furthermore, the doping of deuterium heating beams with helium was achieved in order to insert helium for diagnostic purposes into the fusion plasma for short blips. Emission from Doppler shifted NaI and HeI lines was recorded during several pulses by various spectrometers.<br />The data from the sodium beam test experiments were evaluated. Using the program packages that were mentioned above, the measured NaI emission profiles were evaluated. This was done by either comparing the measured NaI emission profiles to "forward calculations" using electron density profiles derived from other diagnostics or by recursively calculating the electron density profiles from the NaI emission.<br />The sodium related results obtained are very promising and demonstrate that sodium beam diagnostics can be used for the evaluation of electron density profiles and as an alternative to the present lithium beam diagnostics. As compared to lithium beam diagnostics it offers some distinct advantages (higher signal intensities, stable operation at lower emitter temperatures etc.) without any corresponding disadvantages (hardly any reduced penetration depth of the sodium beam). As a next step, charge exchange diagnostics of impurity ion density and temperatures could become feasible at AUG using the more intense and dedicated sodium beam.<br />Due to technical problems beyond our control, it wasn't possible to perform helium beam experiments at JET and AUG (despite several visits) in 2005 and 2006, but 2007 did finally bring about some fresh experimental data from AUG which have been compiled and compared with computational simulations as well as older data.<br />The results confirm previous analyses which conclude that fast helium beam diagnostics is adequate for the measurement of the electron density profiles but also that it has so far not yet been possible to develop its full potential for the simultaneous measurement of the electron temperature of the fusion plasma.