Fast chopping of a lithium beam for plasma edge diagnostic at ASDEX Upgrade

Abstract

Fusionsreaktoren könnten für zukünftige Generationen als relativ saubere und sichere Energiequelle eine wichtige Rolle spielen. Um die Entwicklung auf diesem Forschungsgebiet voran zu treiben, wurden weltweit einige Experimentiereinrichtungen aufgebaut. Eine dieser Einrichtungen ist der ASDEX Upgrade in Garching bei München. ASDEX Upgrade realisiert den Einschluss des Plasmas mit einem Magnetfeld und folgt dem Tokamak Prinzip.<br />Eine Möglichkeit, die Elektronendichte im ASDEX Upgrade zu messen, ist die Lithiumstrahl-Stoßanregungsspektroskopie. Zur korrekten Untergrundbestimmung muss der Strahl mithilfe von Ablenkplatten periodisch moduliert werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein neues System zur Strahlmodulation entwickelt und aufgebaut. Es wurden zwei Methoden zur Modulation entwickelt. Die erste Methode wurde über Ablenkplatten realisiert. Bei der zweiten Methode wurde die Spannung der Extraktorelektrode moduliert. Zunächst wurden beide Systeme im Labor getestet. Die Experimente zeigten, dass eine Modulation der Ablenkplatten im Kilohertzbereich möglich ist. Die Modulation mithilfe des Extraktorfeldes hingegen erlaubt es, den Lithiumverbrauch zu reduzieren. Außerdem erhoffte man sich eine Erhöhung der Intensität.<br />Diese trat nicht ein, jedoch konnte eine verbesserte Stabilität des Strahls in Bezug auf die Position beobachtet werden.<br />Nach einer sorgfältigen Vorbereitung wurde der Aufbau in die ASDEX Upgrade Halle transferiert. Die Ergebnisse aus dem Labor konnten dort während ASDEX Upgrade Experimenten bestätigt werden. Positiv vermerkt wurde die verlängerte Lebensdauer des Emitters, sowie eine Reduktion der Zahl der Überschläge, die jedoch schwer zu quantifizieren ist. Die Schaltung für die Extraktorelektrode überraschte mit ihrer Robustheit gegenüber Überschlägen.<br />Durch die erhöhte Modulationsfrequenz und der damit verbundenen verbesserten Untergrundbestimmung wurde eine geringere ausgewertete Elektronendichte im Außenbereich während ELMs (edge localized modes) als im langsam modulierten Fall beobachtet.<br />

For future generations fusion-plasma technology can play an important role as a relatively clean and safe energy source. To push the development of this complicated research field further several fusion experiment facilities are installed worldwide. Such an experiment is the tokamak ASDEX Upgrade in Garching near Munich. ASDEX Upgrade belongs to the magnetically confined fusion experiments.<br />The lithium beam diagnostic at ASDEX Upgrade routinely delivers electron density edge profiles by lithium beam impact excitation spectroscopy (Li-IXS). An accurate background subtraction requires a periodically chopped lithium beam. To accomplish this work a new improved chopping system was developed and installed.<br />The new chopping system involves a voltage modulation for the extractor electrode and one for the deflection plates. Both modulation methods were implemented and successfully tested in the laboratory. The deflection chopping experiments demonstrated that beam chopping in the kHz range is possible. The modulation of the extractor electrode reduced the unused portion of lithium ions. Although the expected intensity increase could not be observed, an improved stability of the beam with respect to its position was found.<br />After a careful preparation, the system was transferred to the ASDEX Upgrade hall. The new chopping system could verify the mentioned advantages during the ASDEX Upgrade experiments. Furthermore the data suggested an extended emitter life time and less sparks, but these conclusions were hard to quantify. The extractor chopping also surprised with its insensitivity to sparks.<br />The significantly higher modulation frequency of the deflection chopping revealed a slightly lower observed electron density in the outer region during edge localized modes (ELMs) due to the improved background subtraction. A better accuracy could also be achieved during other fast transient phenomena.