TrainingCourses/FTTF/2016-2017/MichFarn/index_MF

#Michal Farník projekt PRPL: #Interferometrie na tokamaku GOLEM

##Prezentace a reporty

Úvodní prezentace

Report v poločase

Report v poločase ver2.0

Závěrečná prezentace

##Záměr ###Motivace Seznámit se s vlnovou diagnostikou na tokamaku GOLEM. Vlnová diagnostika se vyznačuje vysokým časovým rozlišením. O těchto diagnostikách se často mluví v souvislosti s plánovanými velkými fúzními zařízeními tokamakového typu.

Interferometrie, druh vlnové diagnostiky, se používá k určení elektronové hustoty v tokamaku. Jedná se o rutinní diagnostiku na mnoha zařízeních. Úspěšně se používá i na tokamaku GOLEM.

###Cíle - Seznámit se s interferometrem na tokamaku GOLEM - Opravit analogický výpočet posunu fáze - Ověřit výsledky tohoto měření hustoty - Dokumentovat interferometrii na GolemWiki

##Teorie Z teorie šíření vln plazmatem pro řádnou vlnu (O - ordinary) plyne

\[N_{O} = \sqrt{1 - \left( \dfrac{\omega_{p}}{\omega}\right)}\approx 1- \frac{e^{2}n_{e}}{2\epsilon_{0}m_{e}\omega}, \qquad \omega_{p} = \sqrt{\frac{e^{2}n_{e}}{\epsilon_{0}m_{e}}}. \]

Hlavní závislost \(N_{O}\sim n_{e}\) (při splnění \(\omega \gg \omega_{p}\)). [1]

Předpoklady pro měření:

  • Rovnoměrné rozdělení hustoty

  • Znalost délky dráhy vlny \(L\) plazmatem

  • Vlnová délka vlny ve vakuu: \(\lambda_{1}=\dfrac{c}{f}\)

  • Vlnová délka vlny v plazmatu: \(\lambda_{2}=\dfrac{c}{N_{O}f}\)

  • Pokud při vstupu obou vln je fáze nulová na výstupu \(\varphi_{1,2}=2\pi\dfrac{L}{\lambda_{1,2}}\)

Výpočet hutoty probíhá následovně:

\[ \Delta\varphi=\dfrac{\omega L}{c}(N_{O}-1)=-\dfrac{Ln_{e}e_{2}}{2c\epsilon_{0}m_{e}\omega} \ \Rightarrow \ \mathbf{n_{L}}=\dfrac{\mathbf{1}}{\mathbf{L}}\mathbf{\int_{0}^{L}n(l)dl}=-\dfrac{2c\epsilon_{0}m_{e}\omega\Delta\varphi}{Le^{2}}\]

Interferometr - zařízení pro detekci fázového posunu referenční vlny a vlny procházející plazmatem

Whartonův interferometr (GOLEM)

pic/intGolem.png

Obr. 1: Schéma Whartonova interferometru nainstalovaného na tokamaku GOLEM

Přehledně o fungování interferometru na stránce GolemWiki

Logbook highlight a průběh projektu

Odkaz na podrobný logbook.

1.12.2016

  • Kontrolní výstřel No: 22763
  • Signál indikuje problémy v průběhu shotu.
  • Byla odmontována černá krabička s generátorem pily (GEN), selektivním zesilovačem (AMPL) a výpočtem fáze. Byla nahrazena záložními GEN a AMPL z tokamaku CASTOR.
  • Zjištěny problémy v nulovacím obvodu. V table tom zapojení nulovací obvod neustanoví signál na nulu ani po dlouhé době.

12.12.2016

  • Pokus o proměření součástek nulovacího obvodu multimetrem. Zaměřeno hlavně na kondenzátory.
  • Zjištěny špatné hodnoty kondenzátoru, který je součástí dolní propusti nulovacího obvodu. Jsou zapříčiněny komplikovaným zapojením, multimetr měří nepřesně.
  • Další postup je konečné potvrzení nebo vyvrácení závady v nulovacím obvodu. V následující session bude provedeno stejné proměření nulovacího obvodu jako 1.12. Krabička v tomto případě bude namontovaná na tokamak, kde by se mohla znovu objevit nahodilost posunu signálu a nulovací obvod by mohl fungovat. Není jistota zda interferometr při sestavování na stole fungoval.
  • Digitální algoritmus záložní sestavy nadmíru selhává a analogový výpočet je na chyby v signálu ještě méně imunní.

6.3.2017

  • Neúspěšný pokus o provizorní ladění záložní soustavy

9.4.2017

  • Provedena aktualizace stránky o interferometrii na tokamaku GOLEM na GW

13.4.2017

  • Připojena zpět černá krabička (generátor pily (GEN), selektivním zesilovač (AMPL) + analogový výpočet fáze). Cela soustava byla zkalibrována,
  • Během 4 měsíců, kdy byla zapojena rezervní sestava, byla prokázána funkčnost rezervní aparatury. Lze ji použít pro druhou linku inteferometru.
  • Znovu ověřena funkčnost nulovacího obvodu. Nyní však při zapojení s tokamakem. Tokamak do nulovacího obvodu vrátil nahodilost systému, která v table top zapojení chyběla. Nulovací obvod po několika měřeních relaxuje v časovém intervalu 5-30 s. Nejslibnější důvod vadného fungování analogického výpočtu fáze je tímto vyvrácen .
  • Pravděpodobný důvod nefunkčnosti bylo špatné nastavení při přepojování aparatury. Návod zde.
  • Opět odzkoušen analogický výpočet posunu fáze na shotech No. 23674, 23675 ( Tektronix HRX channel).
  • Při zapojení do interferometrického channelu při shotech No. 23676,23677 slibný výsledek analogického výpočtu.
  • Shoty No. 23678,23679 a další (do 23694 poskytují srovnání digitálního a analogového výpočtu.
  • Hlavní úkol uvedení analogového výpočtu do provozu byl splněn.
  • Program na výpočet kalibrace zde.
pic/Calib_show.png

Obr. 2: Příklad kalibrace kalibrace shotu No.23679 ve tvaru \(D[\mathrm{m}^{-3}] = 5,32\cdot 10^{18}(A[\mathrm{V}] + 0,031)\)

Výsledek kalibrace

M. Farník r. 2017: \(D[\mathrm{m}^{-3}] = 5,13\cdot 10^{18}(A[\mathrm{V}] + 0,035)\)
L. Matěna r. 2015: \(D[\mathrm{m}^{-3}] = 5,15\cdot 10^{18}(A[\mathrm{V}]) \qquad \qquad\)

Výborná shoda s předchozím měřením.

9.5.2017

  • Upuštění od technického směřování projektu.
  • Návrh na probádání Greenwaldovy hustoty = pokus o její dosažení.

Greenwaldova hustota je operační limit hustoty v přístrojích s magnetickým udržením (v tokamacích) její hodnota je závislá na poloměru plazmového válce \(a\) [m] a proudu plazmatu \(I_{p}\) [MA] a má tvar

\[n_{G}=\dfrac{I_{p}}{\pi a^{2}}\ [10^{20}\ m^{-3}]. \]

25.5.2017

  • První zkušební session
  • Nalezen výboj z DP Lukáše Matěny, který dosáhl Greenwaldovy hustoty. Shot No. 19930
  • Shoty 24041 - 24047 : pokusy o zopakování 19930. Shot od shotu “lepší” parametry výboje. Zvyšující se proud plazmatem = zvyšující se Greenwaldova hustota, zvýšení hustoty není tolik výrazné.
  • Pokus o proudový scan 24048 - 24051. Při snížení Ucd značný pokles hustoty.
  • Pokus o hustotní scan \(p_{ch}\) = 12 - 24 mPa 24052 - 24061. Neúspěch, stejná hodnota hustoty.

Výsledky

code,md

pic/pchScan.png pic/allshotsne.png pic/UcdScan.png

pic/GW.png

  • Není viditelná závislost hustoty na tlaku plynu \(p_{ch}\)
  • Měření naznačuje spíše závislost hustoty na \(U_{cd}\)

16.11.2017

  • Přehodnocení směru projektu ke zkoumání hustoty
  • Výzkum závislosti hodnoty hustoty na dalších parametrech výboje na tokamaku GOLEM
  • Pokus o návrh “guideline” o vlivu nastavených pamaterů na hustotě pro případné hustotní scany, odkaz dalším generacím.
  • Vypracování příslušného data-miningu.
  • Možnost prozkoumat vliv beakdownu plazmatu na hustotu.

#Závislost hustoty na ostatních parametrech plazmatu na tokamaku GOLEM

##Záměr ###Motivace Při pokusu o hustotní scan byla zjištěna zvláštní věc. Hustota není ovlivněna inicializačním tlakem plynu \(p_{ch}\). Není tak znám žádný efektivní nástroj na to, jak změnit hodnotu hustotu ve výboji. Jelikož je toto neprobádaná věc, je potřeba vytvořit guideline pro budoucí výzkumníky, aby mohli s hustotou efektivně pracovat.

###Cíle

  • Výzkum závislosti hodnoty hustoty na dalších parametrech výboje na tokamaku GOLEM
  • Pokus o návrh “guideline” o vlivu nastavených pamaterů na hustotě pro případné hustotní scany, odkaz dalším generacím.
  • Vypracování příslušného data-miningu.
  • Možnost prozkoumat vliv beakdownu plazmatu na hustotu.

##Rešerše z tokamaku COMPASS

datamining/ReqGP_COMPASS.jpg datamining/ne_COMPASS.jpg

Obr. 7: Vliv GasPuff waveformy na výslednou hustotu před začátkem flattop fáze výboje v čase 990 ms
  • Viditelný rozdíl průběhu hustoty při různě nastavených waveformách. V dalším průběhu shotu se uplatňuje feedback. Je vidět, že pouze počáteční puff nestačí pro zajištění hustoty po celou dobu výboje. Pro aplikaci výsledků na tokamak GOLEM musíme však vzít v potaz řádově kratší dobu výboje.

Logbook highlight a průběh projektu

Datamining

code,md code,md shot list

Datamining závislosti střední hustoty na význačných parametrech výboje. Uvažujeme pouze dlouhé výboje s plazmatem, kde funguje interferometr správně.

datamining/Dens_mean.png

Obr. 8: Graf středních hustot výbojů v období “po díře”
datamining/Dens_mean_pch.png pic/Dens_mean_Tch.png
Obr. 9: Graf závislosti střední hustoty na tlaku pracovního plynu \(p_{ch}\) a teplotě komory \(T_{ch}\)
datamining/Dens_mean_Ucd.png datamining/Dens_mean_Ub.png
Obr. 10: Graf závislosti střední hustoty na napětí \(U_{cd}\) vlevo a na napětí \(U_{b}\) vpravo.
datamining/hist.png
Obr. 11: Histogram střední hustoty.

18.1.2018

Data z dataminingu jsou neprůkazné, vliv jiných parametrů, kondice komory, scénáře výboje. Je potřeba všechny závislosti precizně proměřit. Nejdříve scan tlaku pracovního plynu.

  • Provedena session.
  • Scan \(p_{ch}\) 25867 - 25899 před vypečením.
  • Scan \(p_{ch}\) 25915 - 25945 po vypečení.

Výsledky

code,md

pic/Dens_mean_s1.png

Obr. 12: Graf hustot před a po vypečení v závislosti na tlaku pracovního plynu \(p_{ch}\).
  • Téměř stejné hustoty jak v rámci scanu, tak v porovnání před vypečením komory a po ní.
  • Závěr: Hodnota tlaku pracovního plynu \(p_{ch}\) neovlivňuje průměrnou hustotu výboje v tokamaku GOLEM

5.3.2018

Dále jsme měřili scan přes napětí \(U_{cd}\)

  • Provedena session.
  • Scan \(U_{cd}\) 26571 - 26592 po vypečení.

Výsledky

code,md

pic/Dens_mean_s2_Ucd.png

Obr. 13: Graf závislosti hustoty na napětí \(U_{cd}\).
pic/Dens_mean_s2_Tch.png

Obr. 14: Graf závislosti hustoty na teplotě komory \(T_{ch}\).
  • Hustota je přímo závislá na napětí \(U_{cd}\). Je viditelný pokles hustot při poklesu teploty komory \(T_{ch}\).
  • Závěr: Hodnota napětí \(U_{cd}\) ovlivňuje průměrnou hustotu výboje v tokamaku GOLEM. Daná závislost je nejspíš ovlivněná kondicí komory.

6.3.2018

Následně proběhl scan teploty komory.

  • Provedena session.
  • Scan teploty \(T_{ch}\) 26610 - 26626 po vypečení.

Výsledky

code,md

pic/Dens_mean_s3_Tch.png.png

Obr. 15: Graf závislosti hustoty na teplotě komory \(T_{ch}\).
  • Hustota se zdá být přímo závislá na napětí \(T_{ch}\). Je otázkou nakolik je toto účinek čištění v komory v důsledku mnoha po sobě jdoucích výstřelů.
  • Závěr: Hodnota napětí \(T_{ch}\) nejspíš ovlivňuje průměrnou hustotu výboje v tokamaku GOLEM. Potvrzení této teze bude možné po další session.

13.3.2018

Naposled byl zkoumán vliv kondice komory.

  • Provedena session.
  • Střílení do konstantních parametrů 26676 - 26704 6 hodin po vypečení.

Výsledky

code,md

pic/Dens_mean_s4.png.png

Obr. 16: Graf závislosti počtu výstřelu v sesion$.
  • Hustota se zdá být nepřímo závislá na počtu výstřelů v session.

#Závěry * Střední hustota v tokamaku GOLEM dosahuje hodnot \(1-4.5\cdot 10^{18}\) m\(^{-3}\)

  • Hustota nezávisí na tlaku pracovního plynu \(p_{ch}\). Pro potřebu výbojů s vyšší hustotou se přesto doporučuje nastavit \(p_{ch} = 30-40\) mPa. Pro potřebu výbojů s nižší hustotou se přesto doporučuje nastavit \(p_{ch} = 10-20\) mPa. V některých případech toto nastavení může zapříčinit rozdíl \(0.4\cdot10^{18}\) m\(^{-3}\), není známo nakolik je to stochastický jev viz Obr. 12.

  • Hustota silně závisí na nastaveném napětí \(U_{cd}\) a tedy na proudu plazmatu \(I_{p}\). Pro potřeby výbojů s vysokou hustotou se doporučuje nastavit nejvyšší hodnota \(U_{cd}>450\) V a naopak pro potřeby výbojů s nízkou hustotou \(U_{cd}<350\) V. Rozdíl v téchto režimech může dosahovat až \(2\cdot10^{18}\) m\(^{-3}\) viz Obr. 13. Pro dosažení vyššího proudu v plazmatu může pomoci také zvýšení napětí \(U_{b}\), toto však nebylo proměřováno.

  • Desorpce stěn postupným střílením má vliv na hodnotu hustoty v tokamaku. Rozdíl mězi prvními výstřely v session a dvacátým výstřelem v session může být až \(1\cdot10^{18}\) m\(^{-3}\) po tomto počtu výstřelů se hustota s velkou pravděpodobností ustálí viz Obr. 16.

  • Vliv na hustotu má s velkou pravděpodobností teplota komory \(T_{ch}\). Na Obr. 15. vidíme, že s klesající teplotou klesá střední hustota výboje. Tento vliv se skládá s předchozím vlivem desorpce komory. Ve srovnání s Obr. 16. kde všechny výstřely probíhali při teplotě 27 °C však můžeme s jistotou říci, že se zvyšující se teplotou komory se zvyšuje hustota výboje. Rozdíl mezi teplotami 27 °C a 50°C může činit až \(2\cdot10^{18}\) m\(^{-3}\).

Všechny výše zmíněné vlivy se ne nutně sčítají!!!

#Guideline

Výboj s vysokou střední hustotou \(>3.5\cdot10^{18}\) m\(^{-3}\) : \(p_{ch} = 30-40\) mPa, \(U_{cd}>450\) V, \(T_{ch}=50\) °C, počátek session

Výboj s nízkou střední hustotou \(<1.5\cdot10^{18}\) m\(^{-3}\) : \(p_{ch} = 10-20\) mPa, \(U_{cd}<350\) V, \(T_{ch}=27\) °C, pozdější fáze session

Pro potřeby scanu hustoty : Opakování výboje při chladnutí komory po vypékání, výhoda stálosti ostatních parametrů výboje. Možný, ale méně přívětivý s ohledem na změnu ostatních parametrů výboje, je také scan přes proud plazmatem tzn. změna parametru \(U_{cd}\)

Pro potřeby konstantní hustoty : Nutnost cca 10 referenčních výstřelů před začátkem měření. Pokud možno, neměnit teplotu komory \(T_{ch}\) a napětí \(U_{cd}\) a \(U_{b}\).

#Kam dál: Nápady pro další generace

  • Vliv dalších parametrů na hustotu výboje - Možné využít cross-korelační funkce, a možnost zjistit i záludnější závislosti hustoty na mnoha parametrech současně. Vylepšení provedeného guideline.

  • Vliv beakdownu na kvalitu a parametry plazmatu, včetně hustoty - Zkoumání vlivu průrazu plazmatu, a vývoje v počátečních fázích výboje. Hodnocení vlivu vůči délce plazmatu, hustoty, proudu plazmatem.

  • GasPuff do tokamaku GOLEM v reálném čase výboje - Návrh a uskutečnění vstřikování plynu do komory tokamaku během výboje. Vytvoření různých “waveforem”, tedy scénářů vstřikování plynu během výboje, a ovlivnění parametrů plazmatu. Možnost zpětnovazebního systému (velmi obtížné).

  • Zavedení druhé interferometrické linky - Návrh a realizace druhé linky interferometru mimo magnetickou osu komory. Možnost zjišťovat profil hustoty.

Reference