Experimental investigation of the plasma wall transition [Elektronische Ressource] / von Tilmann Alexander Lunt

Tilmann Alexander Lunt

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• Publié le: 01 janvier 2008
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• Langue: English
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Extrait

Experimental Investigation of the Plasma-Wall
Transition
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Tilmann Alexander Lunt
geboren am 27.09.1976 in Hamburg
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Christian Limberg
Gutachter:
1. Prof. Dr. Gerd Fußmann
2. Prof. Dr. Uwe Schumacher
3. Dr. habil. Hans-Stephan Bosch
eingereicht am: 14.2.2008
Tag der mündlichen Prüfung: 17.7.2008Abstract
In the present work the streaming behavior of a magnetized argon plasma
impinging on a neutralizing surface was investigated. For that purpose the
ion velocity distribution was measured non-invasively as a function of the
distance to the surface by means of Laser Induced Fluorescence. The spatial
resolution was typically Δz = 0.5 mm.
Two situations are investigated, (a): when practically the whole plasma
streams onto a large target (? = 100 mm), and (b): when the size of the
target (? = 15 mm) is significantly smaller than the diameter of the plasma
column. Inbothcasesthestreamingvelocityu wasatleastashighastheioni
acoustic sound speed, as already predicted by Bohm in 1949. Under fusion
relevant conditions this is the first direct observation of the Bohm criterion.
Approaching the target surface the Mach number M = u/c increases froms
values of around 0.5 to 1 on typical scales of λ = 30 mm and λ = 5 mm,a b
respectively. In order to explain these very short scale lengths the mea-
sured data were compared with a collisional-diffusive model in the case of
(a) and with Hutchinson’s model[27] in the case of (b). A good agreement
was achieved in (a) by assuming a very low neutral gas temperature of about
400K. In (b) the model fits the data excellently when the transport coeffi-
2cient is chosen as high as D = 20 m /s. Such a high transport cannot be
caused solely by diffusion. Partly it is explained by finite gyro-radii effects,
but presumably time dependent phenomena, like drift waves, play an impor-
tant role.
In addition the dependence on the angle between surface normal and B-field
was investigated. The supersonic fluxes found in the immediate vicinity of
the surface are described fairly well by the model developed by Chodura[10].
By contrast the size of the region, where Mach numbers greater one appear
is significantly smaller than predicted.
Keywords:
plasma wall interaction, Bohm criterion, laser induced fluorescence, ion
sensitive probesZusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde das Strömungsverhalten eines magneti-
sierten Argonplasmas beim Auftreffen auf eine neutralisierende Oberfläche
untersucht. Mit Hilfe der Laserinduzierten Fluoreszenz wurde dazu nicht-
invasiv die Geschwindigkeitsverteilung der Ionen mit einer Ortsauflösung von
standardmäßig Δz = 0.5 mm als Funktion des Abstandes zur Oberfläche ge-
messen.
Zwei Situationen wurden untersucht (a): praktisch das ganze Plasma strömt
auf ein großes Target (? = 100 mm) und (b) die Größe des Targets ist we-
sentlich kleiner (? = 15 mm) als der Durchmesser der Plasmasäule. Unmit-
telbar vor der Oberfläche war in beiden Fällen die Strömungsgeschwindigkeit
u mindestens so groß wie die Ionenschallgeschwindigkeit c , genau wie voni s
Bohm bereits 1949 vorhergesagt[3]. Unter fusionsrelevanten Bedingungen ist
dies die erste direkte Beobachtung des Bohmkriteriums.
Bei Annäherung an die Oberfläche steigt die MachzahlM =u/c von 0.5 aufs
1auftypischenSkalenlängenλ = 30 mmbzw.λ = 5 mman.Umdiesekur-a b
zen Längen erklären zu können wurden die Messdaten in (a) mit einem Stoß-
Diffusionsmodell und im Falle von (b) mit dem Modell von Hutchinson[27]
verglichen. Eine gute Übereinstimmung in (a) wurde erzielt, wenn eine sehr
niedrige Neutralgastemperatur von etwa 400 K angenommen wird. Die Mess-
daten in (b) werden sehr gut durch das Modell wiedergegeben, wenn ein
2TransportkoeffizientvonD = 20 m /sangenommenwird.Einderartighoher
Transport kann unmöglich allein durch Diffusion verursacht werden. Teilwei-
se kann dieser Transport anhand der endlichen Gyroradien erklärt werden,
vermutlich aber spielen auch zeitabhängige Phänomene, wie z.B. Driftwellen
eine wichtige Rolle.
Weiterhin wurde die Abhängigkeit von dem Winkel zwischen Flächennorma-
len und B-Feld untersucht. Die unmittelbar vor der Oberfläche auftreten-
den Überschallströmungen werden verhältnismäßig gut von dem Modell von
Chodura[10] beschrieben. Im Gegensatz dazu ist die Größe der Zone in der
Machzahlen größer eins auftreten deutlich kleiner, als vom Modell vorherge-
sagt.
Schlagwörter:
Plasma-Wand-Wechselwirkung, Bohm Kriterium, Laserinduzierte
Fluoreszenz, Ionensensitive SondenContents
1 Introduction 1
2 The Experiment 6
2.1 The PSI-2 facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Laser induced fluorescence diagnostics . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Lock-in-technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Monitoring laser power and wavelength . . . . . . . . . 21
2.2.5 Corrections of vignetting effects . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 The current-force probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
+3 Passive and active spectroscopy on the Ar ion 33
3.1 Collisional radiative model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Passive spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Temporal evolution of the population densities . . . . . . . . . 41
3.4 Laser Induced Fluorescence / Saturation broadening . . . . . . 42
3.5 Zeeman effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 Stark broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 The plasma-wall transition: measurements and modeling 49
4.1 Derivation of the basic equations . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 The presheath of a large target . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.2 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.3 Numerical modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.4 Neutral gas temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3 The presheath of a small target . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.1 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.2 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
iv4.3.3 Fields in front of the target . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.4 Particle trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.5 Macroscopic considerations . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.6 Mach probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Electrostatic sheath region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1 Biasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Oblique incidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.1 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.2 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6 Non-Maxwellian velocity distributions . . . . . . . . . . . . . . 94
4.7 Particle and momentum fluxes –
Measurement of the ion temperature . . . . . . . . . . . . . . 98
4.7.1 Expected forces to the probe heads . . . . . . . . . . . 98
4.7.2 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.3 Ion temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.7.4 Forces between the two heads . . . . . . . . . . . . . . 103
5 Summary 106
5.1 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Bibliography 109
A Tables 117
B Checklist for LIF measurements 123
vviChapter 1
Introduction
While significant developments in technology have taken place over the last
years, the most commonly used technique to supply energy has remained
the same since the very beginning of humanity: the burning of organic fuels.
However, over the last decades great efforts have been made to investigate
nuclear fusion, which could one day provide a source of clean, safe and prac-
tically inexhaustible energy. To date, the most successful attempt to realize
fusion is the Tokamak experiment developed in the former USSR in 1968.
The idea is to confine a deuterium-tritium plasma in a magnetic field at such
high temperatures that the thermal energies are sufficient to overcome the
Coulomb repulsion of the nuclei and to enable their fusion. Every single
fusion reaction releases an energy of 17.6 MeV, i.e. about six orders of mag-
nitude more than a typical chemical reaction.
Initial assessments concerning the realizability of this technique were far too
optimistic, and fusion was not reached within five or ten years as expected.
Today in 2008, it is still an ongoing field of