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Langmuir Probes in the Wendelstein 7-X Test Divertor Unit

  • This thesis describes how the data of the Langmuir probes in the Wendelstein 7-X (W7X) Test Divertor Unit (TDU) were evaluated, checked for consistency with other diagnostics and used to analyse plasma detachment. Langmuir probes are an electronic diagnostic, and were among the first to be used in plasma physics to determine particle fluxes, potentials, temperatures and densities. W7X is a large, advanced stellarator, magnetic confinement fusion experiment, operated at the Max-Planck-Institut for Plasma Physics(IPP) in Greifswald, Germany. Its TDU is an uncooled graphite component, shaped and positioned to intercept the convective heat load of the plasma. Detachment describes a desirable operation state of strongly reduced loads on this component. The evaluation of Langmuir probe data relies heavily on models of the sheath, formed at the interface between plasma and a solid surface, to infer plasma parameters from the directly measured quantities. Multiple such models are analysed, generalised, and adapted to our use case. A detailed comparison is made to determine the most suitable model, as this choice strongly affects the predicted parameters. Special attention is paid to uncertainties on the parameters, which are determined using a Bayesian framework. From the inferred parameters, heat and particle fluxes are calculated. These are also indirectly measured by two other, camera-based diagnostic systems. Observations are compared to test the validity of assumptions and calculations in the evaluation of all three diagnostics by checking their results for consistency. The first comparison, with the infrared emission camera system, shows good agreement with theoretical predictions and reported measurements of the sheath transmission factor, for which we derive and measure a value in W7X. Parameter dependencies in the quality of this agreement hint at remaining issues. The second comparison, with the Hydrogen alpha photon flux camera system, shows significant discrepancy with expectations. These are argued to originate from systematic differences in the measurement locations, which are quantified and related to the magnetic topology. Langmuir probe observations of individual discharges are analysed to discuss conditions under which detachment occurs, transition into that state and fluctuations observed prior to and during it. A spatial parametrisation of the data is developed and used to facilitate this. These observations contribute to the larger aim of understanding particle balance control and fusion plasma edge processes.
  • Diese Dissertation beschreibt, wie die Daten der Langmuirsonden im Test-Divertor (TDU) von Wendelstein 7-X (W7-X) analysiert wurden, ihre Konsistenz mit den Messungen anderer Diagnostiken überprüft und sie genutzt wurden, um Plasma Detachment zu untersuchen. Langmuirsonden sind eine elektronische Diagnostik die unter den ersten war, die in der Plasmaphysik genutzt wurden, um Teilchenströme, Potentiale, Temperaturen und Dichten zu bestimmen. W7-X ist ein großes Experiment zum magnetischen Einschluss von Fusionsplasmen des “Advanced Stellarator” Typs, das am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald betrieben wird. Der TDU ist eine ungekühlte Graphit-Komponente, so geformt und positioniert, dass sie die konvektive Wärmelast des Plasmas abfängt. Detachment beschreibt einen erstrebenswerten Betriebszustand, in dem die Last auf dieser Komponente stark reduziert ist. Die Auswertung der Langmuirsonden stützt sich auf Modelle der Plasmarandschicht, die am Übergang zwischen Plasma und fester Oberflächen entsteht, um Plasmaparameter aus den direkt gemessenen Größen zu inferieren. Mehrerer solcher Modelle werden analysiert, generalisiert und an unseren Anwendungsfall angepasst. Ein detaillierter Vergleich wird durchgeführt, um das am besten geeignete Modell zu bestimmen, da diese Wahl die vorhergesagten Parameter stark beeinflusst. Besonderes Augenmerk wird auf Unsicherheiten bei den Parametern gelegt, die mit einem Bayes’schen Ansatz bestimmt werden. Aus den abgeleiteten Parametern werden Wärme- und Teilchenflüsse berechnet. Diese werden indirekt auch von zwei weiteren, kamerabasierten Diagnostiken gemessen. Beobachtungen werden verglichen, um die Gültigkeit von Annahmen und Berechnungen bei der Bewertung aller drei Diagnosen zu überprüfen, indem deren Ergebnisse auf ihre Konsistenz überprüft werden. Der erste Vergleich mit dem Infrarot-Emissionskamerasystem zeigt eine gute Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen und anderen Messungen des sogenannten “Sheath Transmission” Faktors, für den wir einen Wert in W7-X herleiten und messen. Parameterabhängigkeiten in der Qualität dieser Übereinstimmung weisen auf verbleibende Verbesserungspotentiale hin. Der zweite Vergleich mit dem Wasserstoff-Alpha-Photonenfluss-Kamerasystem zeigt deutliche Abweichungen von den Erwartungen. Es wird argumentiert, dass diese auf systematische Unterschiede zwischen den Messorten zurückzuführen sind, die quantifiziert und auf die magnetische Topologie bezogen werden. Langmuirsonden-Beobachtungen einzelner Entladungen werden analysiert, um die Bedingungen, unter denen Detachment auftritt, den Übergang in diesen Zustand und die vor und während dieses Übergangs beobachteten Fluktuationen zu diskutieren. Dazu wird eine räumliche Parametrisierung der Daten entwickelt und verwendet. Diese Beobachtungen tragen zu dem übergeordneten Ziel bei, die Teilchenbilanzsteuerung und Fusionsplasma-Randschichtprozesse zu verstehen.

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Metadaten
Author:MSc. Lukas RudischhauserORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-57371
Title Additional (German):Langmuir Sonden im Test-Divertor von Wendelstein 7-X
Referee:Prof. Dr. Thomas Sunn Pedersen, Prof. Dr. Holger Kersten
Advisor:Prof. Dr. Thomas Sunn Pedersen, Dr. Michael Endler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/11/23
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/10/15
Release Date:2021/11/23
Tag:Detachment; Heat flux; Least-squares method; Particle flux; S/XB coefficient; Sheath transmission coefficient; Strikeline; Wendelstein 7-X
GND Keyword:Fusionsreaktor, Stellarator, Plasmasonde, Plasmadiagnostik, Plasmaphysik, Divertor, Bayes-Verfahren, Modell
Page Number:223
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik