Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma
Frequency spectrum (radial profile) of X-mode second harmonic electron cyclotron emission was observed for
 optically thin plasma produced by Alfvén resonance heating in Uragan-3M torsatron. Radial electron temperature
 profile within frequency range 31.5–37.5GHz is covered a signifi...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2011
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/91074 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma / R.O. Pavlichenko, A.E. Kulaga, N.V. Zamanov, O.S. Pavlichenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 1. — С. 191-193. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860135866564870144 |
|---|---|
| author | Pavlichenko, R.O. Kulaga, A.E. Zamanov, N.V. Pavlichenko, O.S. |
| author_facet | Pavlichenko, R.O. Kulaga, A.E. Zamanov, N.V. Pavlichenko, O.S. |
| citation_txt | Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma / R.O. Pavlichenko, A.E. Kulaga, N.V. Zamanov, O.S. Pavlichenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 1. — С. 191-193. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Frequency spectrum (radial profile) of X-mode second harmonic electron cyclotron emission was observed for
optically thin plasma produced by Alfvén resonance heating in Uragan-3M torsatron. Radial electron temperature
profile within frequency range 31.5–37.5GHz is covered a significant portion of the plasma column radius. Temperature
profile derived from “radiation temperature” profile. This procedure neglects multiple reflections of ECE radiation from
the torsatron inner structure (mainly from helical coils). We relate the mismatch effect of the ECE radiation data by the
strong modification of emission level by plasma opacity (small plasma optical depth) and by the scrambling effect. This
effect results from both O-X mode conversion. Electron temperature is calculated from radiation temperature using
tokamak approximation for the optical thickness. The difference in ECE and other data is explained using some
modification of electron density profile.
Радіаційний профіль електронно-циклотронного випромінювання другої гармоніки з незвичайною поляризацією для оптично тонкої плазми був отриманий під час експериментів зі створення та нагріву плазми
на торсатроні УРАГАН-3М в області частот, близьких до альфвенівського резонансу. Відповідний радіальний профіль електронної температури в частотному діапазоні 31.5…37.5 ГГц покриває значну частину плазмового шнура. Різниця між радіаційною і справжньої температури обумовлена малими значеннями плазмової оптичної товщини через невеликі значення густини плазми. Відмінність в отри них даних ЕЦР-випромінювання можна віднести за рахунок зміни рівня прозорості плазми(малі величини оптичної товщини) і за рахунок ефекту переміщення поляризації випромінювання. Температура електронів обчислюється із температури випромінювання, використовуючи наближення токамака для оптичної товщини. Різниця отриманої температури за даними ЕЦР в порівнянні з іншими діагностиками може бути пояснена як наслідок деякої локальної модифікації електронного профілю густини.
Радиальный профиль электронно-циклотронного излучения второй гармоники с необыкновенной поляризацией для оптически тонкой плазмы был получен во время экспериментов по созданию и нагреву плазмы на торсатроне УРАГАН-3М в области частот, близких к альфвеновскому резонансу. Соответствующий радиальный профиль электронной температуры в частотном диапазоне 31.5...37.5 ГГц покрывает значительную часть плазменного шнура. Различие между радиационной и истинной температурами обусловлено малыми значениями плазменной оптической толщины из-за небольших значений плотности плазмы. Различия в полученных данных ЭЦР-излучения можно отнести за счет изменения уровня прозрачности плазмы (малые величины оптической толщины) и за счет эффекта перемещения поляризации излучения. Температура электронов вычисляется из температуры излучения, используя приближение токамака для оптической толщины. Разница полученной температуры по данным ЭЦР по сравнению с другими диагностиками может быть объяснена как следствие некоторой локальной модификации электронного профиля плотности.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:47:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2011. 1. 191
Series: Plasma Physics (17), p. 191-193.
PECULIARITIES OF THE RADIOMETRIC MEASUREMENTS
ON URAGAN-3M TORSATRON FOR RF HEATED PLASMA
R.O. Pavlichenko, A.E. Kulaga, N.V. Zamanov, O.S. Pavlichenko
Institute of Plasma Physics, NSC “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, Ukraine
E-mail: ssslavik@kipt.kharkov.ua
Frequency spectrum (radial profile) of X-mode second harmonic electron cyclotron emission was observed for
optically thin plasma produced by Alfvén resonance heating in Uragan-3M torsatron. Radial electron temperature
profile within frequency range 31.5–37.5GHz is covered a significant portion of the plasma column radius. Temperature
profile derived from “radiation temperature” profile. This procedure neglects multiple reflections of ECE radiation from
the torsatron inner structure (mainly from helical coils). We relate the mismatch effect of the ECE radiation data by the
strong modification of emission level by plasma opacity (small plasma optical depth) and by the scrambling effect. This
effect results from both O-X mode conversion. Electron temperature is calculated from radiation temperature using
tokamak approximation for the optical thickness. The difference in ECE and other data is explained using some
modification of electron density profile.
PACS: 52.55.Hc; 52.70.Gw
INTRODUCTION
Uragan-3M (U-3M) torsatron is a medium size device
with l = 3, m = 9, major radius R0 = 1m, average plasma
radius <apl> = 0.12 m and toroidal magnetic field Bt<1T.
Electron cyclotron emission (ECE) near the electron
gyrofrequency and its harmonics is routinely used for
electron temperature measurements in U-3M plasma
experiments. The advantage of this method is that in an
inhomogeneous magnetic field, the region of emission is
very close to the resonance points and a local value of the
temperature is obtained with good spatial resolution. A
single spatial channel conventional radiometer is used for
detection of the electron cyclotron emission from the
U-3M plasma. The U-3M plasma built-up followed by is
made by RF power (up to 150 kW) at 8.6, 8.9 MHz that
corresponds to ~ 0.8 ci at 0.7 T. The experiments are
carried out under (0.5...3)×1012 cm-3 of the mean plasma
density and 0.1...1 keV of the central electron
temperature.
ECE RADIOMETER SET-UP
AND EXPERIMENTAL RESULTS
ECE system utilized multi-frequency one channel
heterodyne radiometer. Based on U-3M plasma
parameters, second harmonic X-mode is chosen as
operation mode. Radiation from the plasma is collected
by a conical horn antenna (Fig. 1), with a nominal 20 dB
of gain at the axis and after a 10 meters oversized X- and
Ka-bands waveguide line it applies to a broadband
balanced receiver system. Antenna has a circle-to-
rectangular transition section which chooses the receiving
polarization of radiation. Radiometer is equipped with
1.5 eV signal calibration unit. Signal of which is routinely
compared with plasma one.
Usually for the thermonuclear plasmas the relevant
frequency and temperature range for ECE measurements
the classic approximation eBTk<<h ( h and Bk are
Planck and Boltzmann constant) is valid,
Fig. 1. Block diagram of U-3M ECE radiometer (top) and
antenna system (bottom)
so the Rayleigh-Jeans law can be used to calculate
radiative emission. In the well known [1] traditional form
(black body intensity of radiation) it is:
.22 e
B2
BB T
c
k=I (1)
If we consider the propagation of the radiation through
the plasma the detected (coming into antenna and
detection system) part will be governed by the:
( )BB eI=I −−1 , (2)
where, ( )ee n,Tf=dr= ∫ – plasma optical depth,
is the plasma absorption coefficient. In optically thick
plasmas, ( 43 −> ) the intensity of the ECE radiation
(so called radiation temperature radT ) is proportional to
mailto:ssslavik@kipt.kharkov.ua
192
the local electron temperature eT . Thus, information
regarding the local plasma electron temperature and its
fluctuations can be obtained by measuring the intensity of
optically thick ECE harmonics (direct measurement).
( )
rad
e e
T=T −−1
, (3)
following [2,3] for the case U-3M plasmas the optical
depth varied from 0.5 to 1.8, thus, this is a case of
optically thin plasma (“grey plasma”) and simple
correction for the real temperature must be done.
Numerically plasma optical depth (using tokamak
approximation) could be expressed as:
( ) 0
14 /103.7 BRRT>n< rade
−×≈ , (4)
here the plasma density is in cm-3, electron temperature is
in keV, tore major radius R is in cm, and the magnetic
field is in kG.
Fig. 2. Temporal evolution of the injected power of the
both RF antennae (top) and electron average density
radiative temperature (bottom)
Under similar plasma conditions Te radial profile could be
obtained if we combine data from several consecutive
plasma discharges only. During the chosen operational
regime ECE system receiving frequency was changed
from shot to shot from 30 to 37 GHz. One of typical shots
is shown at the Fig. 2. Then those time series of ECE
signals were converted into corresponding plasma
temperature [3]. 2-D contour plot of the temporal
evolution of the electron temperature profile is shown in
the Fig. 3. One can see that at the plasma center
(Rax=105.25 cm) region outward shift of the temperature
maximum. Additional 'local' temperature peak was found
around the magnetic islands chain (R=108.8 cm). For the
case of the “grey plasma” the values of the local plasma
temperature strongly depends on the knowledge of the
local plasma density. In the absence of direct
measurements of the plasma profile by the means of
Thomson scattering or multi-frequency interferometry
electron density profile was deducted from single chord
interferometry for the plasma core and edge probe
measurements.
Comparison of local plasma pressure (electron root)
with net plasma pressure obtained from the diamagnetic
measurements is presented in the Fig. 4.
Estimation of the plasma confinement time was done
for the moment of heating power switching off. One can
use approximate formula:
dW
dt
=
ne T e V
E
+W RF , (5)
in the absence of the heating term (PRF) energy
confinement time τE could be evaluated. Its value (at
exact time of switching off of the RF power (WRF=0) –
40.1 ms) has very good agreement with that which have
been derived from the data of diamagnetic diagnostic.
CONCLUSIONS
ECE heterodyne radiometer system was routinely used
for plasma temperature evaluation during plasma
experiments at U-3M torsatron.
Electron temperature is calculated from radiation
temperature using tokamak approximation for the optical
thickness. The difference in ECE and other data is
Fig. 3. 2-D Temporal evolution of the electron temperature
profile (colored levels of temperature are in the keV)
Fig. 4. Temporal evolution of the plasma pressure from
local ECE and net diamagnetic measurements (top) their
“zoomed” parts for the time of RF heating switch-off
(middle) and corresponding energy confinement times
193
explained using some modification of electron density
profile. For special plasma production conditions
(additional gas-puffing) an ECE “cut-off” phenomena
(rapid signal losses) due to the overdense plasma is
observed. That is why for low dense low temperature case
higher frequency range is needed for ECE measurements.
For this purpose new six channel ECE superheterodyne
radiometer system is under installation now. It optimized
for the 1T magnetic field operation and has a frequency
range 57…74GHz.
We relate the mismatch effect between real electron
temperature and those from ECE radiation data by the
strong modification of emission level caused by the
plasma opacity (small plasma optical depth) and by the
radiation scrambling effect.
ACKNOWLEDGEMENT
This work is supported in part by a STCU grant #4216.
REFERENCES
1. G. Bekefi. Radiation Processes in Plasma. New York:
“Wiley”, 1966.
2. M. Bornatici, R. Cano, O. De Barbieri, F. Engelmann //
Nucl. Fusion. 1983, v. 23, p. 1153.
3. D.K. Akulina //Proc. Course and Workshop
Diagnostics for Fusion Reactor Conditions/ EUR
8351-1 EN 1, Varenna, 1982, p. 167.
Article received 20.12.10
-3
. , . , . , .
-3 , .
31.5…37.5
.
.
(
) .
, .
.
-3
. , . , . , .
-3 , .
31.5…37.5
.
. -
( )
.
, .
.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-91074 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T17:47:15Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Pavlichenko, R.O. Kulaga, A.E. Zamanov, N.V. Pavlichenko, O.S. 2016-01-06T17:59:06Z 2016-01-06T17:59:06Z 2011 Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma / R.O. Pavlichenko, A.E. Kulaga, N.V. Zamanov, O.S. Pavlichenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 1. — С. 191-193. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.55.Hc; 52.70.Gw https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/91074 Frequency spectrum (radial profile) of X-mode second harmonic electron cyclotron emission was observed for
 optically thin plasma produced by Alfvén resonance heating in Uragan-3M torsatron. Radial electron temperature
 profile within frequency range 31.5–37.5GHz is covered a significant portion of the plasma column radius. Temperature
 profile derived from “radiation temperature” profile. This procedure neglects multiple reflections of ECE radiation from
 the torsatron inner structure (mainly from helical coils). We relate the mismatch effect of the ECE radiation data by the
 strong modification of emission level by plasma opacity (small plasma optical depth) and by the scrambling effect. This
 effect results from both O-X mode conversion. Electron temperature is calculated from radiation temperature using
 tokamak approximation for the optical thickness. The difference in ECE and other data is explained using some
 modification of electron density profile. Радіаційний профіль електронно-циклотронного випромінювання другої гармоніки з незвичайною поляризацією для оптично тонкої плазми був отриманий під час експериментів зі створення та нагріву плазми
 на торсатроні УРАГАН-3М в області частот, близьких до альфвенівського резонансу. Відповідний радіальний профіль електронної температури в частотному діапазоні 31.5…37.5 ГГц покриває значну частину плазмового шнура. Різниця між радіаційною і справжньої температури обумовлена малими значеннями плазмової оптичної товщини через невеликі значення густини плазми. Відмінність в отри них даних ЕЦР-випромінювання можна віднести за рахунок зміни рівня прозорості плазми(малі величини оптичної товщини) і за рахунок ефекту переміщення поляризації випромінювання. Температура електронів обчислюється із температури випромінювання, використовуючи наближення токамака для оптичної товщини. Різниця отриманої температури за даними ЕЦР в порівнянні з іншими діагностиками може бути пояснена як наслідок деякої локальної модифікації електронного профілю густини. Радиальный профиль электронно-циклотронного излучения второй гармоники с необыкновенной поляризацией для оптически тонкой плазмы был получен во время экспериментов по созданию и нагреву плазмы на торсатроне УРАГАН-3М в области частот, близких к альфвеновскому резонансу. Соответствующий радиальный профиль электронной температуры в частотном диапазоне 31.5...37.5 ГГц покрывает значительную часть плазменного шнура. Различие между радиационной и истинной температурами обусловлено малыми значениями плазменной оптической толщины из-за небольших значений плотности плазмы. Различия в полученных данных ЭЦР-излучения можно отнести за счет изменения уровня прозрачности плазмы (малые величины оптической толщины) и за счет эффекта перемещения поляризации излучения. Температура электронов вычисляется из температуры излучения, используя приближение токамака для оптической толщины. Разница полученной температуры по данным ЭЦР по сравнению с другими диагностиками может быть объяснена как следствие некоторой локальной модификации электронного профиля плотности. This work is supported in part by a STCU grant #4216. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Диагностика плазмы Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma Особливості радіометричних вимірювань на торсатроні Ураган-3М при ВЧ-нагріві плазми Особенности радиометрических измерений на торсатроне Ураган-3М при ВЧ-нагреве плазмы Article published earlier |
| spellingShingle | Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma Pavlichenko, R.O. Kulaga, A.E. Zamanov, N.V. Pavlichenko, O.S. Диагностика плазмы |
| title | Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma |
| title_alt | Особливості радіометричних вимірювань на торсатроні Ураган-3М при ВЧ-нагріві плазми Особенности радиометрических измерений на торсатроне Ураган-3М при ВЧ-нагреве плазмы |
| title_full | Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma |
| title_fullStr | Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma |
| title_full_unstemmed | Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma |
| title_short | Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma |
| title_sort | peculiarities of the radiometric measurements on uragan-3m torsatron for rf heated plasma |
| topic | Диагностика плазмы |
| topic_facet | Диагностика плазмы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/91074 |
| work_keys_str_mv | AT pavlichenkoro peculiaritiesoftheradiometricmeasurementsonuragan3mtorsatronforrfheatedplasma AT kulagaae peculiaritiesoftheradiometricmeasurementsonuragan3mtorsatronforrfheatedplasma AT zamanovnv peculiaritiesoftheradiometricmeasurementsonuragan3mtorsatronforrfheatedplasma AT pavlichenkoos peculiaritiesoftheradiometricmeasurementsonuragan3mtorsatronforrfheatedplasma AT pavlichenkoro osoblivostíradíometričnihvimírûvanʹnatorsatroníuragan3mprivčnagrívíplazmi AT kulagaae osoblivostíradíometričnihvimírûvanʹnatorsatroníuragan3mprivčnagrívíplazmi AT zamanovnv osoblivostíradíometričnihvimírûvanʹnatorsatroníuragan3mprivčnagrívíplazmi AT pavlichenkoos osoblivostíradíometričnihvimírûvanʹnatorsatroníuragan3mprivčnagrívíplazmi AT pavlichenkoro osobennostiradiometričeskihizmereniinatorsatroneuragan3mprivčnagreveplazmy AT kulagaae osobennostiradiometričeskihizmereniinatorsatroneuragan3mprivčnagreveplazmy AT zamanovnv osobennostiradiometričeskihizmereniinatorsatroneuragan3mprivčnagreveplazmy AT pavlichenkoos osobennostiradiometričeskihizmereniinatorsatroneuragan3mprivčnagreveplazmy |