Neutral Na beam plasma edge diagnostic at ASDEX Upgrade

Abstract

In Tokamak und Stellarator Experimenten an magnetisch eingeschlossenen Kernfusionsplasmen ist das Verhalten der Plasmarandschicht sehr wichtig für die Eigenschaften des gesamten Plasmas und der Plasma-Wand-Wechselwirkung. Daher sind Diagnostiken, die Daten hoher Qualität über die Plasmarandschicht liefern, unverzichtbar für eine sinnvolle Analyse des Plasmas. Die notwendige hohe zeitliche und räumliche Auflösung kann nur von aktiven Diagnostiken erreicht werden, wie die Spektroskopie von neutralen Atomstrahlen.<br /> Die Lithiumstrahl Stoßanregungsspektroskopie (Li-IXS) liefert routinemäßig Elektrondichteprofile und die Lithiumstrahl Ladungsaustauschspektroskopie (Li-CXS) stellt für ausgewählte Entladungen Ionendichte- und -temperaturprofile zur Verfügung. Durch den Ersatz von Lithium durch Natrium erwartet man sich einige Vorteile für diese Diagnostik. Nach der Verfügbarkeit eines kompletten Datensatzes von Plasmateilchen-Natrium-Stößen [1] werden erste Experimente mit gemischten Li- / Na- Strahlen durchgeführt. So wird die Validität der zugrundeliegenden Datenbasis bewiesen, ohne die Li-IXS zu stören, und ein erster Einblick in die Eigenschaften des Natriumstrahls gegeben.<br />Optische Filter werden angeschafft und die Programmcodes der Diagnostik werden für Na Strahlen adaptiert. Der Einfluss der Elektronentemperatur und -dichte wird analysiert und für niedrig befunden, während dezidierte Na-IXS Experimente für die Dauer einiger Wochen durchgeführt werden.<br /> Die erworbenen Daten auf einem weiten Bereich der Plasmaentladungen an ASDEX Upgrade, welche Standard und Improved H-Moden genauso wie He und H Plasmen enthalten, ermöglichen eine detaillierte Analyse der Eigenschaften und Möglichkeiten der Na-IXS. In der Hauptanwendung, Elektronendichteauswertung am Plasmarand von Deuterium H-Mode Entladungen, wird die Lithiumstrahl-Performance vom Natriumstrahl beinahe erreicht, aber nicht übertroffen, vor allem wegen der geringfügig reduzierten Eindringtiefe des Strahls. Jedoch konnte der Natriumstrahl in anderen Bereichen, wie etwa Elektronendichtemessung der Randschicht von He Plasma, überraschenderweise die Fähigkeiten des Lithiumstrahls überbieten.

In Tokamak and Stellarator experiments on magnetic confined fusion the behavior of the plasma edge is very important for the characteristics of the whole plasma and for plasma wall interaction.<br />Therefore diagnostics on the plasma edge are indispensable, they have to offer data at a high quality level to enable reasonable analysis of the plasma. The necessary high temporal and spatial resolution can only be reached by active diagnostics, like spectroscopy using neutral atoms beams.<br /> The Li beam impact excitation spectroscopy (Li-IXS) delivers routinely electron density profiles and the Li beam charge exchange spectroscopy (Li-CXS) provides ion temperature and density profiles for selected discharges. Several advantages of replacing Li with Na are expected for these diagnostics. After a complete dataset of plasma particles - Na collisions is available [1], first experiments with combined Li/Na beams are carried out. So without disturbing the Li-IXS the validity of the underlying database is proven and a first view on the capabilities of the Na beam is given. Optical filters are purchased and the diagnostics program codes are adapted for Na beams. The influences of electron temperature and plasma impurity profiles are analyzed and considered to be low, while dedicated Na-IXS experiments are run for several weeks of operation.<br /> The acquired data on a wide range of plasma discharges at ASDEX Upgrade, including the Standard and Improved H-Mode as well as He and H plasmas, enable a detailed analysis of the Na-IXS capabilities. In the main application, electron density evaluation on the plasma edge of deuterium H-Mode discharges, the Li beam performance is nearly equaled, but not exceeded by the Na beam, mainly due to the slightly deteriorated beam penetration depth. However, in other fields, like He plasma edge electron density, the Na beam could surprisingly top the Li beam capabilities.<br />