Study on Electron Cyclotron Heating (ECH) Pre-ionization in Versatile Experiment Spherical Torus (VEST)

Abstract

전이온화는 효과적인 플라즈마 시동을 위해 요구되는 루프 전압과 자속 소비량을 줄이기 위해 미리 플라즈마를 형성하는 과정을 뜻한다. ECH는 대부분의 토카막 장치에서 전이온화 방법으로 많이 쓰이고 있다. 그러나 낮은 자기장에서 높은 밀도로 운전되는 구형 토러스에서는 컷 오프 밀도가 낮기 때문에 대안으로써 EBW를 이용하는 연구가 진행 중이다. 전자 밀도 및 온도의 분포가 전이온화에 미치는 영향에 대한 연구는 기존에 많이 이루어지지 않았다. 본 논문에서는 전자 밀도 및 온도 분포를 측정하여 VEST에서의 ECH를 이용한 전이온화에 대한 연구가 수행되었다. X-wave의 터널효과와 모드변환을 분석하기 위해서 두 가지 비균일 저온 플라즈마 모델이 소개되었다. 특히 Budden 모델을 적용하여 실험결과를 해석했다. VEST의 ECH 시스템은 선행 연구 결과의 결과를 기반으로 하여 낮은 자기장 쪽에서부터 X-mode로 입사되도록 설계되었다. 2.45GHz, 최대파워 6kW 입사가 가능한 마그네트론이 설치 되었다. 시간에 따라 빠르게 변하는 플라즈마를 진단하기 위해 트리플 프로브가 제작되었다. 트리플 프로브의 설계 요건들은 선행 연구로부터 예측된 VEST 전이온화 플라즈마의 밀도와 온도에 적합하도록 결정되었다. 트리플 프로브 측정결과의 타당성 검토를 위해서 간섭계와 비교되었다. 루프 전압이 공급되지 않는 토로이달 자기장내에서 만들어진 ECH 플라즈마의 전자 밀도와 온도의 반경분포는 트리플 프로브를 통해 측정되었다. ECH 파워, 토로이달 코일의 전류, 파동의 편광을 변화시키면서 이러한 운전조건들이 전이온화에 미치는 영향 및 최적의 전이온화 조건이 조사되었다. 입사하는 ECH 파워가 증가하였을 때, ECR과 UHR 사이의 거리가 멀어지면서 두 밀도 피크가 측정되었고, 바깥쪽 벽 근처에서 높은 기울기의 밀도 분포가 측정되었다. TF 세기가 감소하면, 전자 밀도의 분포가 공명영역의 위치와 함께 챔버 안쪽으로 이동하게 되고, 최대 밀도 값이 약 30% 정도로 감소하게 된다. 그러나 TF 세기가 더 낮아져 플라즈마가 안쪽 벽 근처에서 형성되는 경우 높은 TF 세기의 경우 만들어지는 플라즈마와 비슷한 밀도가 측정되었다. 제2조파(second harmonic)에 의한 가열효과는 미리 가열된 플라즈마가 존재하고 충분한 ECH 파워가 입사되었을 때만 관측되었다. O-모드 입사 실험 결과는 X-모드 입사 실험 결과와 매우 유사하지만 전자 밀도가 약간 작게 측정되었다. 파워미터로 측정된 반사파 실험 자료를 통해 입사된 O-mode의 경우 챔버안에서 상당 비율이 X-mode로 모드변환 된다는 것을 알 수 있다. VEST에서 X-모드의 터널효과와 모드변환 현상이 Budden 분석에 의해서 잘 기술되었다. 플라즈마 방전 중에 실험 자료로부터 계산된 반사율 계수와 파워미터로 측정된 반사파가 잘 일치하는 경향을 보인다. VEST 전이온화 플라즈마에서 모드 변환율은 약 20%까지 계산되었다. VEST 전이온화에 번스타인파가 이용 될 수 있음을 확인하였다. 번스타인 파를 전이온화에 활용하기 위해서 밀도 변화율, 자기장의 세기, 챔버 벽이 터널효과와 모드변환에 미치는 효과가 논의 되었다. VEST 전이온화 실험에서, 전자 밀도 분포의 최대값이 안쪽벽이나 바깥쪽 가까이에 형성될 때 높은 모드 변환율과 함계 높은 밀도의 플라즈마가 형성되었다. 하지만 높은 TF 세기로 운전하면서 중심부 플라즈마가 높은 것이 플라즈마 시동에 유리하다. 효과적인 전이온화를 위해서 두가지 방법이 제시될 수 있다. 첫번째는 플라즈마 시동 중에 자기장 구조를 활용하여 챔버 가운데 영역에서 모드 변환율을 증가 시키는 방법이다. 플라즈마 시동 중에 자기장 구조에 의해 갇힌 고밀도의 플라즈마는 중심부에 급격한 밀도 변화와 L-cutoff을 만들면서 모드 변환율을 증가시킬 수 있다. 두번째는 ECH로 미리 가열되어 있는 플라즈마에 더 높은 주파수의 마이크로파를 추가 입사해 제2조파 가열을 활용하는 방법이다. 비록 제2조파 가열은 주공명가열에 비해 효율이 낮지만 모드변환없이도 컷오프 영역을 지나지 않고 공명영역에 도달가능한 장점이 있다. 제2조파 가열이 높은 토로이달 자기장 운전에서 중심부 가열을 위해 이용될 수 있다. 최적의 전이온화 조건을 찾기 위해서 ECH 전이온화의 특성들이 전자 밀도 및 온도의 분포와 함께 조사되었다. 또한 실험 결과와 분석을 바탕으로 효과적인 전이온화 방법들이 제시되었다. 본 연구는 VEST에서의 플라즈마 시동 및 전자 번스타인파 연구에 공헌 할 수 있을 것으로 기대된다.

Pre-ionization means the plasma production before ohmic discharge in tokamak to reduce the required loop voltage and to save the magnetic flux consumption for reliable start-up. ECH has been routinely used for pre-ionization in most tokamak devices, but in ST devices which have characteristics of high beta operation and low cutoff density, alternative method using the Electron Bernstein Wave (EBW) has been studied. In previous works, the effect of the profile of electron density and temperature on ECH pre-ionization has rarely researched. In this thesis, characteristics of ECH pre-ionization in VEST device are investigated by measurement of the radial profile of electron density and temperature. To analyze the tunneling and mode conversion of X-wave, two inhomogeneous cold plasma models are introduced. Especially, Budden analysis is applied in this study to interpret the experimental results of LFS X-mode injection. ECH launching system of VEST has been designed to use low field side injection configuration based on the preliminary experimental result in linear device. Magnetron which can generate the frequency of 2.45GHz and maximum power of 6kW is installed. The triple probe is fabricated to diagnose the time varying plasma during discharges. Design requirements for the triple probe are determined by the electron density and temperature of target plasma estimated from the result of preliminary experiment. To confirm the validity of the triple probe data, the electron density is compared with interferometer. The radial profile of electron density and temperature are measured using the triple probe for the ECH plasma in pre-ionization phase when only the toroidal magnetic field is applied and no loop voltage are provided. The ECH power, TF current and wave polarization are varied to examine the effect of each operating parameter on pre-ionization and to find the optimal pre-ionization condition. As the injected ECH power increases, it is observed that distance between the ECR and UHR is increased and high electron density is measured in front of the outer wall. As the TF strength decrease, the radial profile of electron density moves inboard side along the resonance layer and maximum electron density is decreased by about 30%. However, when the plasma is produced near the inner wall with the lowest TF strength, high electron density comparable to that of the highest TF strength is measured. The second harmonic heating by FLR effect is observed but only when the pre-heated plasma exists and sufficient ECH power is transferred to the plasma. It is observed that the heating efficiency of the second harmonic heating is lower than that of the fundamental cyclotron heating. The result of O-mode injection is similar to that of X-mode injection, but the electron density is a little lower. The reflected microwave measured by rf power meter shows that the polarization of O-wave is converted into X-mode in the chamber. Tunneling and mode conversion phenomena of X-wave in VEST are well described by Budden analysis. The reflection coefficients calculated from the experimental data show a good agreement with measured reflected microwave power during discharge. The mode conversion coefficient is calculated to be about 20% in VEST pre-ionization plasma. The LFS X-wave injection with direct X-B mode conversion can be possible as an effective method for pre-ionization in VEST. The effect of density scale length, magnetic field and chamber wall on tunneling and mode conversion is discussed to utilize the EBW for pre-ionization. In VEST pre-ionization experiment, high density plasma is produced with the aid of high X-B mode conversion efficiency when the peak of density profile is near the inner wall or outer wall. However, high density plasma produced near the center region without loss of the TF strength is favorable to start-up. For effective pre-ionization, two schemes can be suggested. First, the magnetic field structure during start-up can be utilized to increase the mode conversion efficiency in center region. During the start-up, high density plasma, which is confined in the magnetic field structure, can make the steep density gradient and L-cutoff layer located in center region increasing the mode conversion efficiency. Secondly, assistance of the second harmonic heating in the pre-heated plasma by adding another frequency source can be utilized. Although the heating efficiency of second harmonic heating is lower than fundamental heating in pre-ionization phase, the second harmonic EC wave doesnt encounter cutoff layer before reaching the 2nd harmonic ECR without mode conversion. If the pre-heated plasma exists and sufficient ECH power is injected, the second harmonic heating can be used for central heating with high magnetic field operation. The characteristic of ECH pre-ionization is investigated with the profile of electron density and temperature to find the effective pre-ionization condition. Also, the effective pre-ionization schemes are suggested based on the experimental results and analysis. This research is expected to contribute to the start-up and EBW study in VEST.