Calibration of Thomson scattering density measurements at ASDEX upgrade

Abstract

Eine der zentralen Aufgaben von aktuellen Fusionsforschungsreaktoren ist die ex- akte Messung von bestimmten Plasmaparametern. Ein wichtiger Parameter ist das Elektronendichteprofil. Zur Messung der Dichte in ASDEX Upgrade werden ver- schiedene Diagnostiken verwendet. Bei der Thomson-Streuungs-Diagnostik wird ein Laser zur Bestimmung von Elektronendichte und Temperatur verwendet, in- dem das vom Plasma gestreute Licht gemessen wird. Es wurde jedoch beobachtet, dass nach der anfänglichen Kalibrierung Messfehler aufgrund von Fehlern in der Ausrichtung der Diagnostik auftreten. Bisher wurden diese Fehler durch Kor- rekturfaktoren, welche per Hand für die einzelnen Messkanäle bestimmt werden, korrigiert.Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue und reproduzierbare Wege zur Bestim- mung der Korrekturfaktoren für die Elektronendichtemessungen mittels Thomson- Streuung implementiert und getestet. Die erste Methode verwendet ein Neuronales Netz um das spezifische Fehlermuster aufgrund von Ausrichtungsfehlern zu bestim- men. Nachdem das Fehlermuster bestimmt wurde, werden Korrekturfaktoren für jeden Messkanal bestimmt, welche diese Fehler ausgleichen. Als zweite Methode wurde eine traditionelle Methode entwickelt, welche Referenzentladungen verwen- det. Da beobachtet wurde, dass sich die Messfehler aufgrund von Ausrichtungs- fehlern der Diagnostik nicht schnell verändern, werden die Korrekturfaktoren an- hand von Standard H-Mode Entladungen bestimmt, indem eine glatte Funktion an die Daten gefittet wird. Die bestimmten Korrekturfaktoren werden für alle Entladungen bis zur nächsten Standard H-Mode Entladung verwendet.Um die verschiedenen Korrekturmethoden zu vergleichen wurden Dichteberech- nungen mittels integrierter Datenanalyse (IDA) verwendet. IDA verwendet eine Kombination aus verschiedenen Diagnostiken um das Dichteprofil des Plasmas zu bestimmen. Weiters werden die Residuen für die einzelnen Diagnostiken berech- net. Diese Residuen wurden verwendet, um die Übereinstimmung zwischen den Dichtemessungen mittels Thomson-Streuung und Interferometrie (DCN) zu quan- tifizieren. Es wurde beobachtet, dass die Übereinstimmung zwischen den ver- schiedenen Diagnostiken am besten ist, wenn die Korrekturfaktoren verwendet werden, welche mittels der Referenzentladungsmethode und einem symmetrischen Polynom zweiten Grades als Fit-Funktion bestimmt wurden. Das durchschnit- tliche Residuum wurde bei 27 zufällig ausgewählten Entladungen für die Thomson- Streuung um 30% und für die Interferometrie um 12% im Vergleich zu der aktuellenKorrekturmethode verringert. Die Neuronale Netzwerk Methode führt ebenfalls zu einer besseren Übereinstimmung gegenüber der aktuellen Methode, jedoch ist diese Verbesserung geringer als bei der Referenzentladungsmethode.

One key task of current day fusion research reactors is measuring plasma param- eters as accurately as possible. The electron density is one main parameter to be determined. At ASDEX Upgrade this density is measured by various different di- agnostics. The Thomson scattering diagnostic uses a high power laser to determine the electron density and temperature by measuring the scattered light from the plasma. It was observed that after the initial calibration errors due to misalign- ment emerge in the measurements. Until now these errors have been corrected by determining and applying correction factors to each measurement channel by hand.In this thesis two new and reproducible ways of determining correction factors for the Thomson scattering diagnostic have been implemented and tested. The first approach uses a neural network to determine the specific error pattern due to misalignment in the diagnostic for a measured electron density profile. Once the error pattern is found, the correction factors are calculated to correct for the errors due to the misalignment. As a second approach a traditional reference discharge method has been developed. Since it was found that the errors due to misalign- ment do not change quickly over time, the correction factors are determined during standard H-mode discharges by using a smooth fit function and are used for sub- sequent shots until the next standard H-mode.In order to compare the different calibration methods, density calculations using integrated data analysis (IDA) have been used. IDA uses a combination of differ- ent diagnostics to determine the density profile of the plasma. Furthermore the residua for the individual diagnostics are calculated. These residua have been used to quantify if the agreement between the Thomson scattering and the interferom- etry (DCN) density measurement is increased. It has been found that using the reference discharge approach and assuming a symmetrical polynomial of degree two as a fit function results in the best agreement between the different diagnos- tics. The average residuum for 27 randomly chosen discharges has been reduced by 30% for the Thomson scattering and by 12% for the DCN at the same time compared to the current correction method. The neural network approach also shows an increased agreement between the diagnostics however the improvement is smaller than with the reference discharge method.