Diagnostik Mikrowellenlabor

Profil-Diagnostik

Die Arbeitsgruppe entwickelt und betreibt Diagnostiken mit denen die Optimierung des Plasmaeinschlusses in Wendelstein 7-X überprüft werden kann. Es sind dies vor allem Diagnostiken die radiale Profile wichtiger Plasmaeigenschaften messen, d.h. ihren Verlauf vom Zentrum bis zum Rand des Plasmas.


Es handelt sich insbesondere um die Profile von Dichte und Temperatur der Elektronen im Plasma, der Temperatur der Wasserstoffionen, der Verteilung von Verunreinigungen und des sich einstellenden radialen elektrischen Feldes, d.h. der elektrischen Aufladung des Plasmas.

In den ersten Experimentphasen (OP1) wurden dazu folgende Diagnostiken entwickelt und betrieben:

  • die Laser-Interferometrie zur kontinuierlichen Messung der mittleren Elektronendichte – auch um diese regeln zu können
  • die Thomson-Streuung, mit der aus dem Licht, das entlang eines gepulsten Laserstrahls an den Plasma-Elektronen gestreut wird, die lokale Elektronendichte und -temperatur bestimmt werden
  • die Elektronen-Zyklotron-Emissions-Diagnostik (ECE), die aus der Intensität der Mikrowellen, die von den um die Magnetfeldlinien gyrierenden Elektronen emittiert werden, die Strahlungstemperatur der Elektronen bestimmt
  • In abbildenden Röntgenspektrometern wird die Emission der von Verunreinigungen des Plasmas emittierten Röntgenstrahlung und ihre Verteilung im Plasma genutzt, um Aussagen über die Dichte der Verunreinigungen und die Temperatur der sie umgebenden Wasserstoff-Ionen und der sie anregenden Elektronen zu gewinnen.
  • Bei der Ladungsaustausch-Spektroskopie (CXRS) beobachtet man die entlang des Strahls der Neutralteilchen-Heizung durch die Wechselwirkung seiner hochenergetischen Wasserstoffatome mit dem Plasma entstehende sichtbare Strahlung. Daraus lassen sich entlang des Strahls u.a. die lokale Ionen-Temperatur sowie das lokale elektrische Feld bestimmen.
  • geeichte Neutronenzähler protokollieren gemäß den Anfordrungen des Strahlenschutzes die entstehenden Fusionsneutronen. Signifikante Zählraten werden erst beim späteren Betrieb mit schwerem Wasserstoff (Deuterium) erwartet; beim aktuellen Wasserstoffbetrieb beobachtet man nur eine Nullline. 

Für die 2021 beginnende Experimentphase (OP2) müssen alle dem Plasma zugewandten Komponenten vollständig gekühlt sein. Darüber hinaus sind weitere Diagnostiken in Vorbereitung:

Die Form des Dichteprofils soll dann kontinuierlich mit der Viel-Kanal-Interferometrie verfolgt werden. Ziel einer Zusammenarbeit mit US-amerikanischen Partnern ist es diese Profilform durch geeignete Teilchen-Nachfüllung systematisch zu beeinflussen. Zudem wird der Randbereich des Dichte-Profils mit den Radar-Methoden der Mikrowellen-Reflektometrie vermessen.

Detektoren für schnelle Teilchen: Um schon jetzt den durch die Optimierung erwarteten guten Einschluss energiereicher Helium-Kerne in einem HELIAS Reaktor zu untersuchen, werden in Wendelstein 7-X die energiereichen Wasserstoff-Ionen genutzt, die durch Neutralteilchen-Heizung und ICRH erzeugten werden. Dafür werden Detektoren getestet, die ihre Verteilung und Energie beim Auftrefen auf Wandkomponenten bestimmen. 

Mittelfristig wird ein Diagnostik-Injektor für neutrale Wasserstoff-Atome vorbereitet, der im Gegensatz zu den gepulsten Heizstrahlen eine permanente und genauere Messung der Ladungsaustausch-Spektroskopie erlaubt. Zusätzlich sind Neutralteilchen-Analysatoren vorgesehen, um die Energieverteilung der durch den Injektor aus dem Plasma geschleuderten Wasserstoff-Atome zu messen.

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