Lower Hybrid Current Drive Sono onde che cedono

Lower Hybrid Current Drive Sono onde che cedono momento agli elettroni che viaggiano in direzione parallela al campo magnetico, generando un termine di corrente non induttiva “stazionario” S. Ceccuzzi from C. Gormezano: Course on Heating and deep Fuelling 24/1/2002 G. Granucci: corso Rd. O 2007

Frequenze tipiche delle onde di LH: ωci<< ωce => 1 -10 GHz Si usano le onde lente (ERF // BT) con ω0 > ωLH. Sono onde elettrostatiche in un plasma magnetizzato le quali scambiano energia principalmente via Landau damping, cioè quando la velocità di fase dell’onda è prossima a quelle degli elettroni: Te in ke. V Landau damping • se v < ω/k l’onda cede momento all’elettrone • se v > ω/k l’onda frena l’elettrone Gli elettroni del bulk riempiono progressivamente la coda fino a velocità date dall’n// = c/v// minimo lanciato dall’onda

Onde nei plasmi Il modello di plasma freddo fornisce una buona approssimazione per lo studio della propagazione delle onde, purché non ci si trovi vicino a una risonanza: tensore dielettrico (notazione di Stix): vacuum Launcher relazione di dispersione: Evanescent zone onde di plasma freddo magnetizzato: Plasma wave Resonance zone plasma

Propagazione e Accessibilità • Cutoff: l’onda propaga dal bordo verso l’interno e deve superare una prima condizione di cutoff per ωo = ωpe, onde con ωo < ωpe sono evanescenti. Su FTU Occorre quindi avere plasmi abbastanza densi di fronte all’antenna • Accessibilità: andando verso il centro l’onda incontra la condizione di accessibilità, che lascia penetrare solo le onde con n// > n//acc dipende da n//, ne, BT Sulla superficie di accessibilità l’onda lenta si converte in onda veloce e viene riflessa indietro fino al bordo del plasma ove subisce una nuova riflessione che la rimanda verso il centro

Coupling to the plasma q q Nel vuoto le onde con n// > 1 sono evanescenti; in un array di guide, tutta la potenza lanciata in queste onde sarebbe riflessa. Il coupling è buono (= bassa potenza riflessa) quando la densità al bordo è circa 3 volte quella di cutoff: nco ≅ 0. 012 f 2 [m-3] 20% Reflection 5% n// piccoli |1 n// grandi |3 |6 Grill edge density 1018 m-3 Il coefficiente di riflessione ha un minimo assoluto in funzione della densità di fronte al grill. La densità ottimale si può ottenere agendo sulla posizione dell’antenna o sul gas puff.

Calcolo di accessibilità su FTU Per essere accessibili in zone centrali ad alta densità occorre avere alto n//

Il calcolo della deposizione di potenza L’assorbimento al singolo passaggio è generalmente molto basso, l’onda quindi rimbalza verso il bordo e torna al centro molte volte prima di essere assorbita. Se la Te è alta (10 ke. V) si può considerare un assorbimento completo al primo passaggio Ad ogni riflessione n// cambia, l’onda quindi perde di direttività, mentre lo spettro si deforma, generando n// lenti (grandi) a scapito di n// veloci (piccoli) From Barbato et al. For #20026, high ne

Determinazione sperimentale del profilo di deposizione Dalla FEB il profilo di emissione dei raggi-X e legato agli elettroni veloci generati da LHCD #19990 ne~ 0. 85 1020 m-3 #20026 ne~ 1. 2 1020 m-3 Codice alla Brambilla, in accordo con FEB Su FTU si usa anche FRTC

Plasma current is driven by a tail of fast electrons q q Very effective if “resonant” electrons have enough energy: very low collision losses Very low n// indicate resonance with very energetic electrons: limit is the speed of light In practice, n// value is dictated by Ø considerations on n//acc Ø LH propagation The tail is assumed to go from v// ~ 3 vth to c/n//min Current carrying electrons

Il “grill” è la struttura che produce l’n// lanciato q Un array di guide d’onda “tronche” produce uno spettro lanciato con un picco Δϕ = sfasamento tra due guide adiacenti a = distanza tra i centri di guide adiacenti k 0 = 2π/λ = numero d’onda nel vuoto

Il “grill” è la struttura che produce l’n// lanciato q Un array di guide d’onda “tronche” produce uno spettro lanciato con un picco Δϕ = sfasamento tra due guide adiacenti a = dimensione trasversale della guida k 0 = 2π/λ = numero d’onda nel vuoto q Fino all’ 80 % nel lobo principale, il resto è perso (produce solo heating) q Si possono produrre spettri simmetrici (Δϕ = 180°) per il riscaldamento (assorbito nelle due direzioni opposte)

Come si produce uno spettro in n// Lo sfasamento è ottenuto con 12 sfasatori che agiscono su ogni colonna del grill (4 guide) controllati in remoto. Il dato viene archiviato ed è consultabile da shox digitando: %PARA Le antenne a grill sono molto versatili e direttive, ma soffrono di riflessione e disadattamento rispetto al plasma. Il grill di FTU permette un largo range di n// lanciabili: 1. 2 - 3. 8 Grill

Come si produce uno spettro in n// Lo sfasamento è ottenuto con 12 sfasatori che agiscono su ogni colonna del grill (4 guide) controllati in remoto. Il dato viene archiviato ed è consultabile da shox digitando: %PARA Le antenne a grill sono molto versatili e direttive, ma soffrono di riflessione e disadattamento rispetto al plasma. Il grill di FTU permette un largo range di n// lanciabili: 1. 2 - 3. 8 • Altri lanciatori usano la multigiunzione, dove sfasatori fissi e divisori di potenza migliorano l’accoppiamento ma limitano gli n// lanciabili. • Alcune multi-giunzioni hanno guide passive di lunghezza fissa: migliora il coupling vicino al cutoff, ma peggiora la direttività Grill PAM

n// spectrum ΔϕWG = 0 p = 90° (current drive mode) Spettro per il CD standard di FTU direttività zoom H-field overlay

n// spectrum ΔϕWG = 00 pp = 180° (heating mode) Gli elettroni prendono momento // nelle 2 direzioni Il risultato netto sulla corrente è nullo: si ha solo riscaldamento H-field overlay

Efficienza di current drive in FTU La capacita di generare corrente e caratterizzata dall’efficienza di CD In FTU cresce con la media volumetrica della Te n// veloci hanno efficienza di CD più alta

Modulo del sistema LH di FTU AC 20 k. V DC ≤ 100 k. V HVPS 8 GHz ≤ 1 MW ≤ 1 s waveform ≤ 100 k. V Modulator Gyrotron Transmission line Grill Monitoring control and protection systems Sistemi di protezione: q crowbar: “blocca” il funzionamento dell’HVPS (apertura interruttore di modulo); q q blocco impulso video (BIV): “blocca” il funzionamento del modulatore; blocco oscillazioni (BO): “blocca” l’oscillazione del girotrone (riduzione Vgun).

LHCD FTU Gyrotron q q q q q Cavity Oscillation Mode TE 511 Nominal Output Frequency 8 GHz Frequency Stability +/- 1 MHz Output Power (TE 01) 1. 1 MW Peak Power @ VSWR = 4 : 1700 k. W Frequency Pulling @ VSWR = 4: 1 +/- 2 MHz Beam Voltage (typ) 84 k. V Beam Current (typ) 27 A Efficiency <= 46 % Gun-anode Voltage (typ) 51 k. V

Schematic of Transmission Line Output mode TE 51 (96% => TE 01) Transporting mode (≈ 30 m) TE 01 (98%) Splitter Converter 1 C 18 => 12 WR 137 Overall Efficiency ≈ 80%

La struttura di lancio di FTU ECR zona a pressione atmosferica Ø Posizione antenna mobile (shot by shot) Ø Finestra vicino al plasma Ø

Lower Hybrid system in FTU 1 Grill per Gyrotron - 3 grills per Port 48 (28 x 3. 6 mm 2) waveguides per grill Operational power density ≥ 10 k. W/cm 2 Al 2 O 3 windows 20 cm away from plasma

Il punto critico del sistema: la finestra da vuoto L’onda LH non propaga nel vuoto, il condizionamento d’antenna va fatto sul plasma. Le guide vengono riscaldate per effetto ohmico dalle correnti del modo in propagazione, degassano e questo provoca archi in guida. Il processo è lungo e va fatto a potenza crescente. Nel restart occorre dedicare tempo macchina al condizionamento LH. Due finestre LH dopo una campagna sperimentale. Lato plasma

Antenna port 2 dopo una campagna a lanciatore un po’ “troppo” inserito

LH 02 pulse type %e. lh 02 ref_P %e. lh 02 dir_P Corrente di gun Tensione di gun I gyrotron LH sono triodi: 2 tensioni di alimentazione + 2 campi magnetici (principale e di gun) + corrente di fascio -> il punto di lavoro (frequenza/potenza) è determinato da una combinazione di questi. E’ di difficile ripetizione/gestione. Tensione di katodo Corrente di katodo La tensione di gun controlla la conduzione e Inizio oscillazione l’oscillazione Nei segnali RF di LH esiste un certo cross-talk, tipicamente tra tubi della stessa antenna

Il ruolo di LHCD in FTU q q q Preliminarmente era proposto anche per il riscaldamento ionico attraverso le collisioni con gli elettroni veloci. Riscaldamento elettronico Current drive ad alta densità. off-axis CD per studi di ITB e/o di controllo del profilo di q Studi di ramp-up assistito (difficile a causa della bassa densità) Studi di coupling in feedback con il controllo della posizione

LHCD Ion Heating at high density q First clear evidence of ion heating from LHCD through collisions with electrons Pulse 20229 Ip=0. 7 MA Pohm= 0. 65 MW Ptot= 2. 25 MW PLHCD neutrons density Te Neutron yield increases by a factor in excess of 5 Going to higher density/higher current will allow effective electron-ion collisional transfer to be studied

Full Lower Hybrid Current Drive at High Density Pulse 19990 q PLHCD= 1. 8 MW, Ip=0. 5 MA, ne up to 8. 5 x 1019 m-3 Te up to 7 ke. V q Zero loop voltage q Reasonably steady q Sawteeth are stabilised PLHCD density Loop voltage Ø Up to 2. 1 MW launched at B=7. 2 T, Ip=0. 5 MA Te (Thomson) Ø Close Fast ECE Ø But to max LHCD power disruptions due to metallic impurities caused by interaction with MHD rings

Sparo 19990, le “operazioni” cercano una soluzione Feedback Verticale Trasformatore %e. elong %e. lhpower %e. mcpfe

LHCD e conseguenze sul plasma Esempio di trasformatore non ottimizzato %e. lhpower La disruzione è provocata dall’ingresso di impurezze metalliche (Fe) dovute all’interazione grill-plasma e/o anelli MHD-plasma %e. mcpfe

Ottimizzazione del trasformatore per full-cd zzzzed. ipl 0_shot. ztm=i %e. vloop %e. lhpower Densità corda centrale Non ci sono più gli anelli MHD LH power è accompagnata dall’aumento di densità

Cose importanti da sapere q q q Durante LHCD gli elettroni sovratermici accecano l’ECE. Per conoscere la temperatura si usa il TSC L’accoppiamento è legato alla densità di bordo, che è influenzata da quella centrale. Per campi magnetici alti l’accessibilità è migliore e quindi si ha più alta efficienza L’attività MHD nasce frequentemente a causa della modifica dei profili di corrente LHCD produce aumento di densità LHCD può produrre impurezze, in particolare quando l’antenna è posizionata vicino a LCMS