O Tudisco Misura di temperatura elettronica Electron Cyclotron

O. Tudisco Misura di temperatura elettronica Electron Cyclotron Emission (ECE) ü ü emissione di radiazione elettromagnetica da parte di elettroni che si muovono intorno alle linee di campo magnetico tale emissione, ad esempio alla seconda armonica modo straordinario (X), raggiunge il livello di corpo nero, ed è quindi proporzionale della temperatura elettronica del plasma Thomson Scattering (TS) ü ü ü scattering di radiazione elettromagnetica da elettroni un fascio laser viene focalizzato nel plasma, la luce diffusa viene raccolta da un'ottica ed inviata a 19 policromatori, ognuno corrispondente ad una posizione spaziale nel plasma dall’allargamento Doppler si misura la temperatura elettronica 1 14/5/2007

Intensità dell’ECE Equ. del trasporto dell’energia I(s) Io I(s)+d. I s α(s), j(s) s=so s=0 s - cammino ottico α(s) - coefficiente d’assorbimento j(s) - coefficiente di emissione I(s) - intensità luminosa(W/m 2 Hz str) del fascio di luce al punto s Io All’equilibrio termico Per τo>>1 τo<<1 e I=IBB Io =0 I=IBB τo dove: - intensità luminosa entrante 2 21/5/2007

Emissione nei tokamak Emissione perp a BT q=3 ω/ωce 0 Nei tokamak il campo magnetico varia come 1/R. Per ogni R, il plasma emette ad una frequenza diversa. q=2 Δω ωR(X) q=1 ωpe(O) -1 α Δr evitare sovrapposizione di armoniche (a/Ro<<1) ωUH(X) r/a 1 Relazione tra Δω e Δr: 3

Calcolo di τ per FTU α(r) è molto stretto si approssima con un rettangolo. Per N[1020 m-3], Bo[T], R[m], T[ke. V] T=1 ke. V, N=1 x 1020 m-3 B=6 T Ro=1 m τ 1(o)=3 τ 2(x)=6 τ 3(x)=0. 06 4

ECE Quando la misura di temperatura e’ in condizioni ottimali? 20 -3 u spessore ottico alto: per la seconda armonica ne [10 m ]×T[ke. V] > 0. 2. Se questa condizione non è soddisfatta e il plasma è termico si sottostima la temperatura. u assenza di “harmonic overlap”: R > 0. 8 m, altrimenti la terza armonica si sovrappone alla seconda. Quando la misura di temperatura non e’ affidabile? u in presenza di code energetiche (LH / runaway) l’emissione diventa fortemente sovratermica nelle regioni spettrali di basso spessore ottico. La misura continua a dare buone indicazioni qualitative (e. g. : raggio d’inversione dente di sega (sawteeth)) nelle regioni spesse, ma emissione di corpo nero e localizzazione non sono più garantite. u in presenza di ECRH con grande potenza per particella la funzione di distribuzione può essere distorta a basse energie. In questo caso la temperatura perde di senso e occorre una teoria cinetica per interpretare le misure di ECE. 5 14/5/2007

Michelson e Policromatore Michelson Policromatore sistema a scansione sistema a 12 frequenze fisse Δt = 5 ms Banda: 100 -900 GHz Δt ≥ 10 μs Banda ~ 100 GHz Δf ~ 9 GHz (ΔR ~ ± 1. 5 cm) Δz ~ ± 3 cm Δf ~ 9 -15 GHz (ΔR ~ ± 1. 5 -2. 5 cm) Δz ~ ± 3 cm • vista perpendicolare • frequenze sintonizzabili col campo magnetico: • variazione grande: cambio reticolo (2 reticoli) • variazione fine: variazione angolo incidenza 6 14/5/2007

Michelson FTU Schema di Martin-Puplett: modifica dello schema di Michelson (specchio mobile) per usare dei polarizzatori al posto dei beam splitter (nel FIR difficile avere dei buoni beam splitter) • specchio elicoidale in rotazione simula uno specchio piano in avanzamento lineare • frequenza ruota: 3000 rpm • tempo scan: 5 ms elicoidal surface rotation axis optical axis = 20 mm 7 14/5/2007

Michelson: Interferogrammi e spettri II IV 8 14/5/2007

Michelson: Profili inizio ECRH zona di deposizione ECRH 14/5/2007 9

Michelson: Spettro termico e profilo Te n=2 %E. ECMSVF(t, dt) %E. ECMTVR(t, dt) Spettro Profilo Te n=3 n=1 taglio per overlap con terza armonica 10 14/5/2007

Michelson: distorsione spettro dovuta ad elettroni sovratermici #18199 (alta densità) fase ohmica (t=0. 98 s) fase LH (1. 30 s) %E. ECMSVF(t, dt) #10064 (bassa densità) fase ohmica (t=0. 25 s) fase LH (0. 75 s) %E. ECMSVF(t, dt) n=2 n=3 n=1 n=2 n=3 11 14/5/2007

Spettrometro Policromatore Diffrazione di un’onda piana da un reticolo piano θo Specchio θi -1 n =0 -2 1 d reticolo d sinθi - d sinθo = n λ reticolo rivelatori fenditura 12 14/5/2007

Policromatore FTU input waveguide L = Lens LPF = Low Pass Flter G = Diffration Grating M 1 = Parabolic Mirror M 2 = Output Mirror Specchio ingresso ouput waveguides 13 14/5/2007

Policromatore: segnale durante ECRH 14 14/5/2007

Policromatore: iniezione pellet 15 14/5/2007

Policromatore: instabilità dente di sega 16 14/5/2007

Policromatore: instabilità dente di sega %E. ECPOLY(3) • policromatore ch 3 misura in questo caso a 0. 98 m #29469 • esempio di scarica con dente di sega (dds)“pronto” ZZZZED. IPL 17 14/5/2007

Policromatore: instabilità MHD #15488 • 15488: modo tearing m=2 nasce a 95 ms e si blocca a 145 ms; disruzione a 165 ms %E. ECPFAST(10) #15500 • 15500: il modo provoca un collasso interno ma poi si estingue senza bloccarsi • scariche con profili Te bucati %E. ECPFAST(10) 18 14/5/2007

Controllo Stato ECE comando tsccheck § da unix lancia programma fortran (installazione su richiesta) § fornisce una visione globale dei canali TS (quelli saturati) 19 14/5/2007

Policromatore: uso del caposequenza ü controllo presenza dente di sega • • se la scarica innesca il dente di sega i profili di Te sono piccati, la scarica e’ “sana” in assenza di dente di sega, altre instabilita’ MHD sono presenti, i profili di Te sono bucati, e si ha pericolo di disruzione ü come verificare la presenza del dente di sega: ü selezionare un canale vicino al centro (in genere %E. ECPOLY(6) va bene per 6 T) ü guardare l’evoluzione temporale, in genere appare entro i primi 300 ms ü attenzione: • • se il segnale e’ saturato va richiesto il cambiamento del guadagno a volte il policromatore non e’ aggiustato adeguatamente per il campo magnetico di una data scarica e quindi il canale prescelto sta osservando una zona di plasma diversa da quella normalmente a lui competente si e’ stati sfortunati e si e’ proprio scelto il canale corrispondente al raggio di inversione sembra che non vi sia dente di sega, ma in realtà c’e’; basta scegliere il canale giusto, quindi: • guardare sempre piu’ canali • verificare la loro posizione nel plasma 14/5/2007 20

Canali Michelson Canali %E. ECMxxx t=tempo Δt=intervallo di integrazione R=raggio maggiore %E. ECMTMAX %E. ECMTVR(t, Δt) %E. ECMTBAR(1) %E. ECMTVRM(t, Δt) Te [ke. V] massima vs tempo Te(R) [ke. V] a t fissato posizione asse magnetico Te(R-Ro) a t fissato (per confronto con TS) %E. ECMTVT(R, Δt) %E. ECMINTF(t) %E. ECMSVT(t) Te(t) a raggio R fissato interferogramma al tempo t Te(frequenza) a t fissato Te(t) a frequenza fissata %E. ECMDENS Andamento qualitativo della densità 21 14/5/2007

Canali Policromatore Canali %E. ECPxxxx %E. ECPOLY(ch) %E: ECPFAST(ch) ch=1, …, 12 (canali policromatore) t=tempo Δt=intervallo di integrazione tcal=tempo calibrazione Te[ke. V] a vari raggi: canali lenti: 1 k. Hz Te[ke. V] a vari raggi: canali veloci: max 20 k. Hz (disponibili solo in una finestra temporale da scegliere prima dello sparo) Nota: i dati sopra non appaiono immediatamente calibrati (non sono calibrati on-line) %E. ECPRADIE(ch) %E. ECPSTVRE(t, Δt, tcal) %E. ECPFTVRE(t, Δt, tcal) %E. ECPSTVF(t, Δt, tcal) %E. ECPFTVF(t, Δt, tcal) 14/5/2007 raggio di un canale vs t profilo Te lento a t fissato profilo Te veloce a t fissato spettro lento a t fissato spettro veloce a t fissato 22

Nuova acquisizione Canali non elaborati E-C-PC. CHnn/M : segnali lenti (%E. ECPOLY(nn)) E-C-PC. CHnn/1 : segnali veloci (%E. ECPFAST(nn)) E-C-PC. CHnn : nuova acquisizione (tutta la scarica sino a 200 k. Hz) I canale elaborati della nuova acquisizione non sono ancora pronti. Le informazioni sui raggi e ampiezza vanno ricavati da %E. ECPOLY(nn). 23 14/5/2007

Thomson Scattering u intensità della luce diffusa è molto piccola dove: u Pi= potenza incidente Ps= potenza diffusa re 2 = 7. 95× 10 -30 m 2 nel nostro caso considerando un tempo di integrazione di 100 ns: Pi = 1. 5 J / 100 ns = 15 MW ne= 1× 1020 m-3 L = 0. 02 m dΩ= 1× 10 -2 sr Ps = 2. 5 μW Ps/Pi=1. 6× 10 -13 (potenza di picco ≤ 300 MW) 24 14/5/2007

Spettro della luce diffusa u u u due laser al neodimio (Nd: YAG, 1. 5 J, 30 Hz ciascuno, λi=1. 064 µm) 19 policromatori con 4 canali ciascuno una misura di temperatura ogni 17 ms risoluzione spaziale= 2 cm (policromatori tra 8 e -22 cm), 3 cm (-20 e -26 cm) e 4 cm (-26 e -30 cm) la riga del laser viene allargata per effetto doppler: Δλ ≈ Te 1/2 spostamento verso il blu per effetti relativistici 25 14/5/2007

TS su FTU linea verticale a 0. 965 m 4 rivelatori (APD) filtri interferenziali policromatori laser 1 laser 2 14/5/2007 ottica di ingresso policromatore 26

Configurazione filtri 0. 1 m 650 nm 0 m 650 nm -0. 1 m 650 nm -0. 2 m 910 nm -0. 3 m 27 14/5/2007 650 nm 910 nm

Canali Thomson Scattering Canali temperatura %E. TSCTVT(z) %E. TSCTVZ(t) %E. TSCT 3 D t=tempo z=coordinata verticale Te [ke. V] vs t @ z Te [ke. V] vs z @ t (profili radiali di Te ) Te [ke. V] vs z, t Canali errore su Te %E. TSCDTVT(z) %E. TSCDTVZ(t) %E. TSCDT 3 D ΔTe vs t @ z ΔTe vs z @ t ΔTe vs z, t Nota: per i canali 3 D se il dato manca, viene fornito un valore pari a zero 28 14/5/2007

Fit dei profili t=tempo z=coordinata verticale Canali elaborati $TSCT 3 D Te[ke. V] vs z, t Nota: Procedura attualmente usata per la generazione di questo canale: tfitui (lanciata da matlab da Edmondo Giovannozzi solamente) 29 14/5/2007

Controllo Stato TS comando tsccheck § da unix lancia programma fortran (installazione su richiesta) § fornisce una visione globale dei canali TS (quelli saturati) 30 14/5/2007

Quando va usato il TS TS va sempre usato in tutti quei casi in cui l’ECE non fornisce la temperatura elettronica corretta (e. g. : durante riscaldamento LH o in presenza di runaway electrons) #20229 %E. TSCTVT(0) %E. ECPOLY(6) esempio confronto canale centrale policromatore e TS centrale %E. LHPOWER 31 14/5/2007

Confronto Te TSC-ECE temperature centrali (statistica su database FTU) profili (scarica FTU presa a caso) policromatore 12 TS TECE/TTS #29469 %E. TSCTVZ(0. 6) %E. ECMTVRM(0. 6) shot 14/5/2007 32

Riferimenti • Corso Rd. O 2002 FTU, http: //efrw 01. frascati. enea. it/FTUdoc/Corso-RDORDS-2002/index. html E. Giovannozzi, presentazione TS P. Buratti, presentazione ECE • O. Tudisco, presentazione su ECE, http: //efrw 01. frascati. enea. it/~tudisco/ • J. Wesson, Tokamaks • I. H. Hutchinson, Principles of Plasma Diagnostics 33 14/5/2007