Verbesserung der O2-Absorption mittels holografischer

Ähnlich der Ermittlung der Regelparameter der Echtzeitsteuerung aus Ka-pitel 7.2.3, wurden zum Nachweis der Wirkung der holografischen Spiegel

8.2. Experimente mit der O2-Mode-Heizung 117 poloidale Schwenks des Launcherspiegels durchgeführt. Die Spiegelbewegung wurde wie folgt programmiert (siehe auch Abbildung 8.9):

• 2,0–2,2 s: Strahl trifft die Hitzeschildkachel oberhalb des holografischen Spiegels (Spindelposition a= 33,3mm).

• 2,2–2,5 s: Strahl wird von der Hitzeschildkachel auf die Mitte des holo-grafischen Spiegels bewegt (a= 33,3 mm → 29,8 mm).

• 2,5–2,9 s: Strahl trifft mittig den holografischen Spiegel (a= 29,8mm).

• 2,9–3,2 s: Strahl wird von der Mitte des holografischen Spiegels auf die darüberliegende Hitzeschildkachel bewegt (a= 29,8 mm → 33,3 mm).

• 3,2–3,4 s: Strahl trifft Hitzeschildkachel oberhalb des holografischen Spiegels (a= 33,3 mm).

Das Gyrotron war im Zeitraum der Spiegelbewegung eingeschaltet. Bei der ersten Bewegung des Strahls wurden zusätzlich dazu noch weitere Gy-rotrons in der X2-Polarisation eingestrahlt, um höhere Temperaturen und dadurch eine bessere Absorption der O2-Mode (60 % anstatt 55 %) zu errei-chen. In Abbildung 8.9 ist die Vorgehensweise bildlich dargestellt. Die unteren Zeitspuren zeigen die Signale des oberen und rechten Thermoelements in Rot bzw. Grün (gemittelte Kurven in dunklen Farben), die Spiegelbewegung in Violett und die Einstrahlung des Gyrotron 5 in O2-Mode als graue Fläche.

Die Reaktionen der Thermoelemente erlauben die Verifizierung der Strahl-position anhand des unterschiedlichen Anstiegs der Oberflächentemperatur.

Das obere Thermoelement zeigt während des Verfahrens des Strahls einen steilen Temperaturgradienten, wohingegen das rechte nur eine geringe Re-aktion zeigt, da der Strahl dieses nicht direkt trifft. Daher kann von einem zentralen Treffen des Spiegels ausgegangen werden. Das monotone Steigen der Temperatur über den kompletten Zeitabschnitt ist der Plasmastrahlung zuzuschreiben.

Da die Leistung des Gyrotrons während des Spiegelschwenks bzw. wäh-rend der Phase auf und neben dem Spiegel moduliert war, lassen sich an den dabei entstehenden Wärmewellen in der Elektronentemperatur Aussa-gen über den Ort der Leistungsdeposition im Plasma treffen. Eine Modu-lationsfrequenz von 30 Hz stellte sich bei früheren Experimenten als eine gute Wahl heraus [77, 78, 79]. Wegen der benötigten hohen Zeitauflösung²⁴ musste auf eine Entladung mit hoher Dichte verzichtet werden, da sonst die ECE-Diagnostik im Cutoff gewesen wäre. Die Experimente wurden daher in

24ECE-Abtastrate≈30kHz,Thomson-Streuung≈60Hz.

118 Kapitel 8. Anwendungen der neuen Heizszenarien

Abbildung 8.9: Ablauf der Modulationsexperimente. Der Strahl wurde auf einer Hitzeschildkachel gestartet, anschließend in die Mitte des Spiegels und zurück auf die Hitzeschildkachel bewegt. Die Verweildauer auf der Hitzeschildkachel betrug jeweils 200 ms, auf dem Spiegel 400 ms, wobei in den ersten 200 ms weitere Gyrotrons zur Erhöhung der Elektronentemperatur hinzugeschaltet waren. Die Richtungen der Reflexion für den zweiten Plasmadurchgang sind als rote und blaue Pfeile dargestellt. Die Zeitspuren der Thermoelemente erlaubt eine Überprüfung der Strahlposition.

H-Moden mit einer Dichte von0,8·10²⁰ m⁻³ durchgeführt. Wie die roten und blauen Pfeile in Abbildung 8.9 zeigen, ist mit einem deutlich unterschiedli-chen zweiten Plasmadurchgang in den Situationen, in den der Strahl ober-halb bzw. auf dem Spiegel auftrifft, zu rechnen. Trifft der Strahl den Spiegel zentral, wird dieser zurück ins Plasmazentrum fokussiert, anderenfalls ergibt sich eine direkte Reflexion an einer Hitzeschildkachel und der Strahl wird nach unten in Richtung Divertor reflektiert, wobei die Absorption axial fern stattfindet.

Die zugehörigen Depositionsgebiete sind in Abbildung 8.10 als Flächen in Blau/Rot bzw. Rot eingezeichnet. Das Diagramm zeigt jeweils im oberen Bild den natürlichen Logarithmus der Fourier-Amplitude der Elektronen-temperatur bei einer Frequenz von 30 Hz in Abhängigkeit der toroidalen Flusskoordinate ρtor. In Blau ist der zweifache zentrale Plasmadurchgang und in Rot der einfache zentrale und dezentrale Plasmadurchgang des Strahls dargestellt. Entsprechend der Erwartung liegt die blaue Kurve im

Plasma-8.2. Experimente mit der O2-Mode-Heizung 119

Abbildung 8.10: Fourier-Amplitude und Kreuzphase des modulierten Elek-tronentemperatursignals bei der Modulationsfrequenz von 30 Hz in Abhängigkeit der toroidalen Flusskoordinateρtor. Die blaue Kurve zeigt den doppelten zentralen Plasmadurchgang mittels holografischem Spiegel, die rote Kurve die Reflexion an einer Hitzeschildkachel oberhalb des Spiegels an (siehe auch Abbildung 8.9). Die Flächen in den entsprechenden Farben kennzeichnen die mit TORBEAM berech-neten Depositionsorte der verschiedenen Strahlengänge. Jeweils für einen Schwenk mit unterschiedlicher Hintergrundelektronentemperatur.

zentrum (ρtor <0,2) oberhalb der roten. Daraus lässt sich eine höhere Leis-tungsdeposition im Plasmazentrum ableiten. Für die Phase mit zusätzlicher X2-Mode-Heizung (2,0–2,7 s) ist der Unterschied nicht so stark ausgeprägt wie in der Phase ohne zusätzliche Heizung (2,7–3,4 s). Dieser fällt im zweiten Spiegelschwenk jedoch unerwartet groß aus, was auf Störungen durch Säge-zahninstabilitäten im Plasmazentrum zurückzuführen ist. Jedoch weist die gesteigerte Modulationsamplitude im Plasmarand auf eine dort deponierte Leistung hin, wobei dieser Sachverhalt im zweiten Spiegelschwenk deutlicher zu erkennen ist. Besser lässt sich der Effekt des zweiten Plasmadurchgangs an der Kreuzphase zwischen der Temperatur und der Gyrotronmodulation in den unteren Bildern von Abbildung 8.10 ablesen. Wegen der doppelten zen-tralen Absorption ergibt sich dort eine Wärmewelle, die von innen nach außen läuft und somit ein globales Minimum in der Kreuzphase am Ort der Leis-tungsdeposition verursacht. Im Fall des einfachen zentralen und axial-fernen Plasmadurchgangs des Strahls ergeben sich, wie erwartet, zwei Minima, eines im Plasmazentrum und eines am Plasmarand. Diese zwei Minima werden von zwei Wärmewellen an den unterschiedlichen Depositionsorten erzeugt, diese wandern im vorliegenden Fall sowohl nach außen als auch nach innen und

120 Kapitel 8. Anwendungen der neuen Heizszenarien sorgen so für eine Abflachung der Kreuzphase über den kompletten Plas-maradius. Weiterhin ist die Tiefe der Kreuzphase des doppelten zentralen Durchgangs im Plasmazentrum ein eindeutiger Hinweis auf eine bessere zen-trale Deposition. Dieses Verhalten der Kreuzphase ist unabhängig von den Sägezahninstabilitäten und ist somit ein direkter Nachweis der verbesserten Heizmethode mittels der holografischen Spiegel. Einen Wert für die zusätz-liche Absorption im Plasmazentrum aus diesen Messungen zu erhalten, ist aufgrund der Beeinflussung durch die Sägezähne aber nicht möglich.