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Oliver Lischtschenko

• The WEGA stellarator is used to confine low temperature, overdense (densities exceeding the cut-off density of the heating wave) plasmas by magnetic fields in the range of B=50-500 mT. Microwave heating systems are used to ignite gas discharges using hydrogen, helium, neon or argon as working gases. The produced plasmas have been analyzed using Langmuir and emissive probes, a single-channel interferometer and ultra-high resolution Doppler spectroscopy. For a typical argon discharge in the low field operation, B=56 mT, the maximum electron density is n_e~10^18m^{-3} with temperatures in the range of T=4-12 eV. The plasma parameters are determined by using Langmuir probes and are cross-checked with interferometry. It is demonstrated within this work that the joint use of emissive probes and ultra-high resolution Doppler spectroscopy allows a precise measurement of the radial electric field. Here the floating potential measurements using emissive probes have been compared to measurements of the poloidal rotation of the plasma which is also linked to the radial electric field. In order to alter the plasma parameters a biasing probe setup has been used during this work. The focus of this work is on demonstrating the ability to modify the existing radial electric field in a plasma by using the biasing probe. This technique is in principle not new, as it has been around for decades. Looking at details, it turns out that describing low field operation WEGA argon plasmas in connection with biasing is not covered by the present set of theoretical approaches and experimental cognition. This work will commence with a basic approach and first establishes the diagnostic tools in a well-known discharge. Then the perturbation caused by the biasing probe is assessed. Following the characterization of the unperturbed plasmas, plasma states altered by the operation of the energized biasing probe will be characterized. It is demonstrated that modifying the existing radial electric field can be achieved and reliably diagnosed using spectroscopy and probe measurements. In order to verify the different approaches for determining the radial electric field the diagnostics are cross-checked against another whenever possible. During biasing the plasma two different stable plasma states have been found. Stable here refers to the state existing much longer than the confinement time for WEGA. The presence of a calorimetric limiter placed in the scrape-off layer has an impact on the type of the plasma state. The two observed plasma states differ in plasma parameter profiles, such as density, temperature, electric field and confined energy. The results are compared to two simple models. One model relies on the relevant atomic processes and a second one is based on neoclassical theory. Both models can be used to derive the particle and power flux from the plasma. The losses predicted by the atomic models can be tested using bolometry. It can be shown that both models agree well in the description of the particle balance of the electrons for large regions of the plasma. By comparing the models the neoclassical heat flux turns out to be small compared to the energy fluxes caused by atomic processes. For the reference discharge taking the energy flux due to the atomic processes and balancing it by the input microwave power is satisfying the energy balance, without the need for transport. For the biased discharges it turns out that neoclassical transport can be neglected as well, but the additional biasing power has to be taken into account. A simple model for the biasing power is motivated and tested. An agreement in the energy balance can be reached in this way as far as the models are applicable. The models also allow drawing conclusions on the amount of absorbed microwave power.
• Der, am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald beheimatete, Stellarator WEGA dient dem Einschluss von überdichten (Plasmadichte oberhalb der Cut- Off- Dichte der Heizfrequenz) Niedertemperaturplasmen durch Magnetfelder im Bereich von B=50-500 mT. Zur Erzeugung des Plasmas werden verschiedene Mikrowellengeneratoren verwendet. Als Arbeitsgase können Wasserstoff, Helium, Neon oder Argon fungieren. Die erzeugten Plasmen werden mittels Langmuirsonden, emissiven Sonden, Interferometrie und hochauflösender Dopplerspektroskopie vermessen. Typische zentrale Elektronendichten für Argonentladugen im Niedrigfeldfall liegen bei n_{e}~10^18 m^{-3}, wobei Elektronentemperaturen im Bereich von T_e=4-12 eV erreicht werden. Die Plasmaparameter werden aus Langmuirsondenmessungen extrahiert und mit interferometrischen Messungen abgeglichen. Der Einsatz von emissiven Sonden und hochauflösender Dopplerspektroskopie erlaubt eine präzise Vermessung des radialen elektrischen Feldverlaufs im Plasma. Das radiale elektrische Feld wird aus dem Floatingpotential der emissiven Sonde bzw. aus dem poloidalen Rotationsprofil gewonnen. Zur Modifikation des radialen elektrischen Feldes stand im Rahmen der Arbeit eine Polarisationssonde zur Verfügung, welche zunächst optimiert wurde. Die Modifikation des radialen elektrischen Feldes stellt das Kernthema der Arbeit da. Der Einsatz von Polarisationssonden zur Beeinflußung des radialen elektrischen Feldes ist im Grunde nicht neu. Es ist jedoch festzustellen, dass der Einsatz unter WEGA Bedingungen nicht im Rahmen der etablierten Theorie und der experimentellen Erkenntisse abgedeckt ist. Diese Arbeit wird daher grundlegender aufgebaut. Zunächst werden die verwendeten Diagnostiken an Hand der wohlstudierten Referenzentladung etabliert. Nach der Vermessung des Einflusses der Präsenz der Polarisationssonde wird die Fähigkeit des Aufbaus zur Modifikation des radialen elektrischen Feldes gezeigt. Das radiale elektrische Feld wird, unabhängig voneinander, aus Messungen mit der emissiven Sonde und der Spektroskopie ermittelt, und beide Techniken werden, wo immer möglich, miteinander verglichen. Im Rahmen der Polarisationssondenexperimente an WEGA wurde im vorgespannten Zustand der Übergang zwischen zwei verschiedenen stabilen Plasmazuständen gefunden. Stabil meint hier, die Lebensdauer der Zustände übersteigt die Einschlusszeit deutlich. Es kristallisierte sich heraus, dass die Präsenz des kalorimetrischen Limiters in der Randschicht maßgeblich zur Art des Zustandes beiträgt. Die Zustände unterscheiden sich in den beobachteten Plasmaparametern, wie Dichte, Temperatur, elektrischem Feld und eingeschlossener Energie. Die erhaltenen Ergebnisse werden mit zwei unterschiedlichen Modellen überprüft. Das erste Modell basiert auf der Kenntnis der relevanten atomaren Prozesse, das Zweite auf einer geschlossenen Ableitung aus der neoklassischen Theorie. Beide Modelle erlauben Vorhersagen zum Teilchen- und Energiefluss und können mittels Bolometrie verifiziert werden. Beide Modelle decken sich für große Bereiche des Plasmas in Bezug auf den Teilchenfluss. Im Falle der Referenzentladung kann gezeigt werden, dass sich der Energiefluss auf Grund der atomaren Prozesse mit der eingespeisten Mikrowellenleistung bilanziert. Der Beitrag des neoklassischen Transportes zum Energiefluss ist hierbei vernachlässigbar. Im Falle der vorgespannten Polarisationssonde kann gezeigt werden, der Teilchenfluss sich nach wie vor mit dem atomaren Modell deckt. Der Beitrag zum Energietransport ist auch im Falle von Polarisationsexperimenten vernachlässigbar. Um die Energiebilanz zu erfüllen, muss der Einfluss der Sonde allerdings betrachtet werden. Ein einfaches Modell hierzu wird im Rahmen der Arbeit motiviert und vorgestellt. Eine ausreichende Übereinstimmung in den Energieflüssen kann damit im Falle der vorgespannten Polarisationssonde erreicht werden. Die Modellierung der Polaristionssonde und der Verluste aus atomaren Prozessen kann dann genutzt werden, um Rückschlüsse auf die absorbierte Mikrowellenheizleistung zu ziehen.