Přímé měření potenciálu plazmatu na zařízení typu tokamak

Mgr. Jiří Adámek, Ph.D.

Doctoral thesis

Direct measurements of the plasma potential on tokamak devices

Abstract:

Tato disertační práce byla zpracována v Ústavu fyziky plazmatu, na experimentálním zařízení tokamak CASTOR. V průběhu práce s elektrickými sondami a jednoduchou Langmuirovou teorií se podařilo pomocí nového typu sondy ball-pen prozkoumat závislost plovoucího potenciálu na poměru velikostí iontového a elektronového nasyceného proudu. Systematická měření a detailní analýza dat nakonec vedla k objevení jednoduchého způsobu jak přímo měřit potenciál plazmatu pomocí této nové sondy. Pro praktické měření je výhodné, že se potenciál ball-pen sondy nemění s polohou kolektoru a to pro případ, kdy je plně odstíněný. Ikdyž dodnes nejsou zcela odpovězeny některé otázky týkající se chování ball-pen sondy, nabízí se možnost jak bez použití napájecího zdroje přímo měřit potenciál plazmatu. Navíc se podařilo ukázat, že potenciál emisní sondy (při dostatečně velkém žhavícím proudu) je asi o (0.68+/-0.2)Te menší než u sondy typu ball-pen, což je v dobré shodě s teorií prostorového náboje, který vzniká v okolí jejího emitujícího povrchu. Znalost potenciálu plazmatu nám dává možnost určit elektrické pole nezávisle na hodnotách elektronové teploty, což je důležité v experimentech, kde se projevují její fluktuace nebo výrazný gradient. Kombinací s měřením plovoucího potenciálu pomocí Langmuirovy sondy získáme informaci o elektronové teplotě a to způsobem, u kterého již není nutné používat náročné a poměrně citlivé zpracování volt-ampérových charakteristik z rozmítané sondy. Navíc odpadá závislost na přítomnosti malého množství supratermálních elektronů a také získáme větší časové rozlišení při zachování vysokého prostorového rozlišení, které je dáno jednoduchou konstrukcí ball-pen a Langmuirovy sondy. Během měření z Katsumata-type sondou se ukázalo, že konstrukce a rozměry sondy mohou být vhodně modifikovány pro použití na větších fúzních zařízeních (ASDEX-U, RFX a Tore-Supra). Výsledky byly publikovány v sedmi článcích v recenzovaných časopisech a sedmi příspěvcích na mezinárodních konferencích. Kromě toho se autor podílel na třinácti publikacích v recenzovaných časopisech z oblasti turbulence plazmatu na tokamaku CASTOR, které s tématem disertační práce úzce souvisí.

Abstract:

The doctoral thesis has been drawn up in the Institute of Plasma Physics using the experimental device tokamak CASTOR. The novel probe so-called ball-pen was designed in order to measure the dependence of the floating potential on the ratio of the electron and ion saturation currents. This technique is based on the simple Langmuir probe theory and many results of the experiments with the electric probes. The systematic measurements and detailed analysis of the data finally led to the new approach of the direct measurements of the plasma potential using the ball- pen probe. The probe potential does not change the value with respect to the fully shadowed collector, which is the advantage for the routine measurements. Although the behavior of the probe is not yet fully understood, it represents the way how to measure directly without any power supplies the plasma potential. Moreover, it has been shown that the potential of the sufficiently heated emissive probe is of about (0.68+/- 0.2)Te less than measured by the ball-pen probe. This results is in a good agreement with theory of the space charge effect, which appears around the emitting filament. The knowledge of the plasma potential give us the information of the electric field independently on the values of the electron temperature. This is crucial in the case when the fluctuations of the electron temperature or its gradient can not be neglected. The electron temperature can be estimated by using additional measurements of the floating potential of the Langmuir probe, which is much more simple than to use the fitting procedure of the current-voltage characteristics of the swept Langmuir probe. Moreover, the mentioned technique is not sensitive on small amount of the suprathermal electrons and it leads to the higher time resolution. The simple construction of the ball-pen and the Langmuir probe provides high space resolution. The design and the dimension of the ball-pen probe can be modified in order to use it for the larger fusion devices (ASDEX-U, RFX and Tore-Supra), which has been discovered during the measurements with the Kastumata-type probe. The results were published in seven papers of refereed journals and seven papers on internationals conferences. Moreover the author has contributed to thirteen papers of refereed journals concerning with the plasma turbulence on CASTOR tokamak. These publications are strongly related to the doctoral thesis.

Keywords

tokamak, okrajové plazma, potenciál plazmatu, Langmuirova sonda tokamak, edge plasma, plasma potential, Langmuir probe

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 2. 2007

Thesis defence

• Date of defence: 6. 2. 2007
• Supervisor: RNDr. Jan Stöckel, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics