Revision 82dd582045b2ec890b46e78d5419389be4916146 (click the page title to view the current version)
Changes from beginning to 82dd582045b2ec890b46e78d5419389be4916146
---
format:markdown
toc: yes
...
#**Michal Farník projekt PRPL:**
#**Interferometrie na tokamaku GOLEM**
##**Prezentace a reporty**
[Úvodní prezentace](/TrainingCourses/FTTF/2016-2017/MichFarn/prezentace_zameru.pdf)
[Report v poločase](/TrainingCourses/FTTF/2016-2017/MichFarn/prpl_mezi.pdf)
[Report v poločase ver2.0](/TrainingCourses/FTTF/2016-2017/MichFarn/prpl_mezi_ver2.pdf)
[Závěrečná prezentace](/TrainingCourses/FTTF/2016-2017/MichFarn/PRPLzaver.pptx)
##**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)
<center>
<a href="pic/intGolem.png">
<img alt="pic/intGolem.png" width="500" align="middle"
src="pic/intGolem.png">
</a><br><br>
</center>
<center>Obr. 1: Schéma Whartonova interferometru nainstalovaného na tokamaku GOLEM</center>
Přehledně o fungování interferometru na stránce <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/Diagnostics/Basic/ElectronDensity/index">GolemWiki</a>
## **Logbook highlight a průběh projektu**
Odkaz na podrobný [logbook](/wiki/TrainingCourses/FTTF/2016-2017/MichFarn/logbook).
**1.12.2016**
* Kontrolní výstřel No: [22763](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/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](http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/Diagnostics/Basic/ElectronDensity/index)
**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 <b> vyvrácen </b>.
* Pravděpodobný důvod nefunkčnosti bylo špatné nastavení při přepojování aparatury. Návod <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/Diagnostics/Basic/ElectronDensity/index">zde</a>.
* Opět odzkoušen analogický výpočet posunu fáze na shotech No. [23674](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/23674//), [23675](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/23675//) ( Tektronix HRX channel).
* Při zapojení do interferometrického channelu při shotech No. [23676](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/23676//),[23677](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/23677//) slibný výsledek analogického výpočtu.
* Shoty No. [23678](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/23678//),[23679](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/23679//) a další (do [23694](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/23694//) poskytují srovnání digitálního a analogového výpočtu.
* **Hlavní úkol uvedení analogového výpočtu do provozu byl splněn.**
* **Program na výpočet kalibrace <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2016-2017/MichFarn/codes/GOLEMdens.md">zde</a>.**
<center>
<a href="pic/Calib_show.png">
<img alt="pic/Calib_show.png" width="500" align="middle"
src="pic/Calib_show.png">
</a><br><br>
</center>
<center>Obr. 2: Příklad kalibrace kalibrace shotu No.[23679](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/23679//) ve tvaru $D[\mathrm{m}^{-3}] = 5,32\cdot 10^{18}(A[\mathrm{V}] + 0,031)$ </center>
**Výsledek kalibrace**
<center>M. Farník r. 2017: $D[\mathrm{m}^{-3}] = 5,13\cdot 10^{18}(A[\mathrm{V}] + 0,035)$ </center>
<center>L. Matěna r. 2015: $D[\mathrm{m}^{-3}] = 5,15\cdot 10^{18}(A[\mathrm{V}]) \qquad \qquad$ </center>
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](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/19330//)
* Shoty [24041](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/24041//) - [24047](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/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](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/24048//) - [24051](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/24051//). Při snížení Ucd značný pokles hustoty.
* Pokus o hustotní scan $p_{ch}$ = 12 - 24 mPa [24052](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/24052//) - [24061](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/24061//). Neúspěch, stejná hodnota hustoty.
**Výsledky**
[code](codes/GOLEMdensity.ipynb),[md](codes/GOLEMdensity.md)
<a href="pic/pchScan.png">
<img alt="pic/pchScan.png" width="400" align="middle"
src="pic/pchScan.png">
</a> <a href="pic/allshotsne.png">
<img alt="pic/allshotsne.png" width="400" align="middle"
src="pic/allshotsne.png">
</a> <a href="pic/UcdScan.png">
<img alt="pic/UcdScan.png" width="400" align="middle"
src="pic/UcdScan.png">
</a>
<center>
<a href="pic/GW.png">
<img alt="pic/GW.png" width="400" align="middle"
src="pic/GW.png">
</a><br><br>
</center>
* 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**
<a href="datamining/ReqGP_COMPASS.jpg">
<img alt="datamining/ReqGP_COMPASS.jpg" width="600" align="middle"
src="datamining/ReqGP_COMPASS.jpg">
</a> <a href="datamining/ne_COMPASS.jpg">
<img alt="datamining/ne_COMPASS.jpg" width="600" align="middle"
src="datamining/ne_COMPASS.jpg"></a>
<center>Obr. 7: Vliv GasPuff waveformy na výslednou hustotu před začátkem flattop fáze výboje v čase 990 ms </center>
* 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](codes/Datamining_get.ipynb),[md](codes/Datamining_get.md)
[code](codes/Datamining_plot.ipynb),[md](codes/Datamining_plot.md)
[shot list](codes/numshots_posl.txt)
Datamining závislosti střední hustoty na význačných parametrech výboje. Uvažujeme pouze dlouhé výboje s plazmatem, kde funguje interferometr správně.
<center>
<a href="datamining/Dens_mean.png">
<img alt="datamining/Dens_mean.png" height="225" align="middle"
src="datamining/Dens_mean.png">
</a><br><br>
Obr. 8: Graf středních hustot výbojů v období "po díře" </center>
<center>
<a href="datamining/Dens_mean_pch.png">
<img alt="datamining/Dens_mean_pch.png" height="225" align="middle"
src="datamining/Dens_mean_pch.png">
</a>
<a href="pic/Dens_mean_Tch.png">
<img alt="pic/Dens_mean_Tch.png" height="225" align="middle"
src="pic/Dens_mean_Tch.png">
</a>
</center>
<center>
Obr. 9: Graf závislosti střední hustoty na tlaku pracovního plynu $p_{ch}$ a teplotě komory $T_{ch}$ </center>
<center>
<a href="datamining/Dens_mean_Ucd.png">
<img alt="datamining/Dens_mean_Ucd.png" height="225" align="middle"
src="datamining/Dens_mean_Ucd.png">
</a>
<a href="datamining/Dens_mean_Ub.png">
<img alt="datamining/Dens_mean_Ub.png" height="225" align="middle"
src="datamining/Dens_mean_Ub.png">
</a>
</center>
<center>
Obr. 10: Graf závislosti střední hustoty na napětí $U_{cd}$ vlevo a na napětí $U_{b}$ vpravo. </center>
<center>
<a href="datamining/hist.png">
<img alt="datamining/hist.png" height="225" align="middle"
src="datamining/hist.png">
</a>
</center>
<center>
Obr. 11: Histogram střední hustoty. </center>
**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](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/25867//) - [25899](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/25899//) před vypečením.
* Scan $p_{ch}$ [25915](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/25915//) - [25945](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/25945//) po vypečení.
**Výsledky**
[code](codes/session_1.ipynb),[md](codes/session_1.md)
<center>
<a href="pic/Dens_mean_s1.png">
<img alt="pic/Dens_mean_s1.png" height="300" align="middle"
src="pic/Dens_mean_s1.png">
</a><br><br>
Obr. 12: Graf hustot před a po vypečení v závislosti na tlaku pracovního plynu $p_{ch}$. </center>
* 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](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/26571//) - [26592](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/26592//) po vypečení.
**Výsledky**
[code](codes/session_2.ipynb),[md](codes/session_2.md)
<center>
<a href="pic/Dens_mean_s2_Ucd.png">
<img alt="pic/Dens_mean_s2_Ucd.png" height="300" align="middle"
src="pic/Dens_mean_s2_Ucd.png">
</a><br><br>
Obr. 13: Graf závislosti hustoty na napětí $U_{cd}$. </center>
<center>
<a href="pic/Dens_mean_s2_Tch.png">
<img alt="pic/Dens_mean_s2_Tch.png" height="300" align="middle"
src="pic/Dens_mean_s2_Tch.png">
</a><br><br>
Obr. 14: Graf závislosti hustoty na teplotě komory $T_{ch}$. </center>
* 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](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/26610//) - [26626](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/26626//) po vypečení.
**Výsledky**
[code](codes/session_3.ipynb),[md](codes/session_3.md)
<center>
<a href="pic/Dens_mean_s3_Tch.png.png">
<img alt="pic/Dens_mean_s3_Tch.png.png" height="300" align="middle"
src="pic/Dens_mean_s3_Tch.png.png">
</a><br><br>
Obr. 15: Graf závislosti hustoty na teplotě komory $T_{ch}$. </center>
* 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](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/26676//) - [26704](http://golem.fjfi.cvut.cz/shots/26704//) 6 hodin po vypečení.
**Výsledky**
[code](codes/session_4.ipynb),[md](codes/session_4.md)
<center>
<a href="pic/Dens_mean_s4.png.png">
<img alt="pic/Dens_mean_s4.png.png" height="300" align="middle"
src="pic/Dens_mean_s4.png.png">
</a><br><br>
Obr. 16: Graf závislosti počtu výstřelu v sesion$. </center>
* 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
<ul>
[1] Matěna L, <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/Diagnostics/Basic/ElectronDensity/instructions/15MatenaLukas.pdf">Microwave interferometry on the GOLEM tokamak</a>, Diploma thesis, FNSPE CTU in Prague, 2015.
[2] Hutchinson I H, Principles of Plasma Diagnostics. Cambridge University Press, New York, 2002.
[3] Hájek M, <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/Diagnostics/Basic/ElectronDensity/instructions/Mikrovlny%20v%20akci.pdf">Mikrovlny v akci</a> (CZ)
</ul>
