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Energy limit of Runaway electron and possible IR measurement for confined runaways in HT-7

HT-7 上红外测量芯部逃逸的调研. Energy limit of Runaway electron and possible IR measurement for confined runaways in HT-7. Z.Y.Chen, B.N.Wan, S.Y.Lin, W.Kong, Y.H.Ding, H.Lin and HT-7 Team czy1003@ipp.ac.cn. Motivation:

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Presentation Transcript

  1. HT-7上红外测量芯部逃逸的调研 Energy limit of Runaway electron and possible IR measurement for confined runaways in HT-7 Z.Y.Chen, B.N.Wan, S.Y.Lin, W.Kong, Y.H.Ding, H.Lin and HT-7 Team czy1003@ipp.ac.cn

  2. Motivation: • 逃逸电子能量很高，可达数十个MeV，高通量的逃逸电子会严重破坏装置第一壁材料。研究逃逸电子的产生，约束以及损失行为，探索有效的抑制逃逸电子的手段，是下一代装置稳定运行的基础之一。 • 研究光中子产额的基础之一：对不同的材料，（gamma，n）光中子反应对gamma有能量阈值要求。 • 芯部磁涨落的试探粒子：高能逃逸电子受本底等离子体的碰撞，静电涨落的输运可以忽略，其输运主要由磁涨落决定。磁涨落通常只有10-4，很难直接测量。通过芯部逃逸电子输运行为可以得到等离子体芯部的磁涨落水平，为反常输运提供一定的研究基础。

  3. What can we do in HT-7 ? • 逃逸电子动力学（准稳态，LHW驱动的快电子的影响），data base for ITER • 探索抑制逃逸的手段（弹丸，喷气，LHW,外部磁扰动） • ITPA，破裂迁移（data base for ITER） • 测量芯部磁涨落水平，与磁涨落相关的输运 • 逃逸电子对第一壁材料的腐蚀

  4. What is Runaway? 逃逸电子: 一部分速度大的热电子或者是快电子受到的碰撞阻力小于电场力时，就会不断的被加速到很高的能量，最后和本底等离子体解耦，不受本底等离子体的碰撞等的影响，它自身处于一个稳定的约束，约束时间通常是本底等离子体电子的几十倍。 The critical kinetic energy of fast electron to be runaways is =2.21*(2+Zeff)*ne/E (keV) For typical OH shot in HT-7: Ne=1.0, Zeff=3, Vloop=1.2V, Ip=120kA Wcrit=70keV

  5. 逃逸电子的能量平衡(Energy limit)： • 电场加速 • 同步辐射减速 • 和磁场纹波之间的共振 • 逃逸电子自身的轨道漂移 • 一些不稳定性

  6. 电场加速 Pgain=Ee*c • 忽略辐射损失以及其它过程，我们可以简单的得到逃逸电子的最大能量： • 同步辐射减速 Pitch angle: 根据电场加速和辐射阻尼之间的能量平衡：Pgain=Pe For R=1.22m, Vl=1.5V, B=2T， theta=0.1, Wmax=39MeV

  7. pitch angle 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Vl=1.0, Bt=2T 59.6 44.7 33.8 26.7 21.6 Vl=1.2, Bt=2T 62.4 47.1 36.2 28.7 23.5 Vl=1.5, Bt=2T 65.9 50.5 39.3 31.5 25.9 Vl=2.0, Bt=2T 70.9 55.3 43.8 35.4 29.3 Vl=2.0, Bt=1.7T 70.9 57.4 46.9 38.9 32.8 Wmax(MeV) with different pitch angle, Vl and Bt Wmax(MeV) 对环电压和纵场不敏感，对pitch角比较敏感。

  8. 和磁场纹波之间的共振 由于有限的纵磁线圈（N），纵场有一个波纹度，逃逸电子经过这个波纹场会受到调制，频率为 n是谐波阶数 如果电子的回旋运动和n次谐波共振，电子会被散射，增大pitch角，这个机制没有直接的能量损失，但是大的pitch角会增加辐射损失，从而影响能量极限，它取决于n和波纹大小。 共振作用随谐波次数的增加而减弱。估计HT-7上n＝1，2的作用可能会存在，从而可以限制一些逃逸电子的能量：15MeV或者30MeV。 由于HT-7采用软磁材料减小了波纹度，是否有强的共振作用有待下轮实验证实。

  9. 逃逸电子自身的轨道漂移影响 逃逸电子要约束在等离子体中，轨道漂移要小于等离子体小半径，这就对逃逸电子的能量有限制 取纵场为2Tesla，边界安全因子qa为4，小半径a＝0.27m：得到逃逸电子可以约束在HT-7中的最大能量40.5MeV

  10. 一些不稳定性 Maxwellian分布的高能成分的自由能可以通过共振和等离子体振荡。当达到阈值能量，就会发生不稳定性。这些不稳定性会影响逃逸电子的能量极限以及约束时间。 能量范围：0.1～1MeV 更高能量范围也存在 >20MeV n=0: Cerenkov resonance df(v)/dv>0: energy exchange between the electrons and the wave. df(v)/dv>0: the wave damped. n<0: anomalous Doppler resonance. （FPAS，Parail-Pogutse instability) n<0: normal Doppler resonance. 由于垂直速度小，这个发生的可能性极小。

  11. 综合前面各个因素，HT-7上逃逸电子的极限能量 (Energy limit)： • 电场加速 （1.7VS） Wmax＝66MeV • 同步辐射减速 Wmax＝39MeV • 和磁场纹波之间的共振 Wmax＝ 30MeV(n＝1), 15MeV(n＝2) • 逃逸电子的轨道漂移 Wmax＝40MeV • 一些不稳定性 Wmax＝？MeV 最低极限能量由和磁场纹波之间的共振作用确定 HT-7上逃逸电子能量大约为 30MeV or 15MeV

  12. 光中子（gamma,n）反应分析 元素： Fe Ni Cr C 阈值（MeV）：20.9 20.0 12 10 对于第一壁：不锈钢，石墨，在逃逸放电时都可以产生光中子 这与中子探测器在逃逸时测量到的高通量光中子一致。

  13. 逃逸电子的诊断手段： • 伽马射线诊断：逃逸电子跑出等离子体轰击真空室内壁和限制器，发生厚靶轫致辐射，能量范围在伽马射线。通过测量伽马射线能谱可以得到辐射强度以及逃逸电子的最大能量，和动量信息。 • 红外探测器：逃逸电子在芯部等离子体中稳定的约束的时候发射同步辐射，辐射方向在逃逸电子运动前方的一个小角内，波长在几个微米范围。通过测量红外辐射，我们可以得到芯部等离子体中逃逸电子的动力学，输运等信息，而且其具有高空间分辨率的优点。

  14. 逃逸电子的同步辐射 For 30MeV runways 相对论电子同步辐射的立体角为前向一个小角度内

  15. 估算HT-7上逃逸放电的同步辐射功率 假定放电参数： Ip＝100kA，Ne0＝0.6*1019m-3 真空容积：1.75m3 总的电子数目： 1.05*1019m-3 逃逸电流 Ir＝1kA 逃逸数目为：Nr＝5.1*1013 RA相对数目：5*10-4％，百万分之五 一个RA的同步辐射功率： 5*10-17W（7～13 微米） 总辐射功率为2.5*10-3W 切向光路可以探测到1％～2.5*10-5W 一个电子的同步辐射功率谱 逃逸电流 Ir＝1A 可以探测到～2.5*10-8W 同步辐射的水平比黑体辐射，等离子体自身的辐射高两个量级。

  16. 逃逸的产生机制 • 产生机制有两个：初级产生机制，和次级产生机制。 • 初级产生是典型的Dreicer产生过程，它就是电场力大于碰撞阻力力而产生逃逸。由于放电初期等离子体温度低，密度也低，而环电压较高，所以这个过程在放电初期很容易发生。 • 次级产生过程也叫雪崩过程，它是已经存在的逃逸电子和本底电子发生近距离的库仑碰撞，使其获得高于逃逸阈值的能量，而成为逃逸电子，发生碰撞的逃逸电子损失部分能量后仍然是逃逸电子，这样就可以像雪崩一样的产生更多的逃逸。主要在电流平顶段占主导。 (high E// or Te). 雪崩逃逸不依赖等离子体的密度.

  17. 逃逸的初级产生 K(1)=0.32, K(2)=0.43

  18. 逃逸的次级产生 t0是雪崩时间常数 包括初级，次级过程，和考虑逃逸的损失和约束时间： 是逃逸电子约束时间 teff是有效时间常数，较小的值表示雪崩强，如果它小于零，逃逸电子数目将减少。 根据温度，密度分布，计算得逃逸电子的分布主要在中心，宽度大约10cm。主要是因为中心温度高，电子热速度大，所以容易逃逸。

  19. 逃逸的次级产生

  20. IR camera in TEXTOR-94

  21. Results from TEXTOR-94

  22. IR camera in AUG

  23. HT－7上新建的逃逸电子诊断 NaI探测器(40*40),测量范围：0.3～10MeV • 正向 2道 • 反向 1道 正向一道CdTe探测器(65mm3) 0.3～1.2MeV PSI组新发展的IR camera，切向测量，适合芯部逃逸电子测量

  24. LHW驱动的快电子成为逃逸种子 50ms后逃逸线性增加,约250ms后到达饱和

  25. LHW抑制逃逸 近几年，几个装置（FTU，TEXT-94）采用NBI，ICRH，ECCD尝试了抑制逃逸，取得了较好的结果，低杂波抑制逃逸还没有尝试。我们首次采用低杂波抑制逃逸，取得了理想的结果。

  26. 不同LHW功率下的逃逸行为 Ip=100kA, ne=1.0*1019m-3,

  27. IR camera results in runaway discharges主要讨论IR信号的来源：同步辐射？热辐射？反射？分析两个位置：窗口和壁

  28. 逃逸的同步辐射？反射？（水冷）

  29. Long pulse

  30. 稳定放电时，测量到的壁的温度为70度，窗口温度为40度，比较正常，应该可以排除反射。稳定放电时，测量到的壁的温度为70度，窗口温度为40度，比较正常，应该可以排除反射。

  31. 壁的温度略微上升，放电结束（16s）后温度衰减很慢壁的温度略微上升，放电结束（16s）后温度衰减很慢

  32. IR信号和逃逸信号的一致性（＃78622） 初始时候强度高，放电末期强度低，因为后来加低杂波，环电压低，逃逸弱些

  33. LHW关断，逃逸增强，IR信号和逃逸信号的一致性LHW关断，逃逸增强，IR信号和逃逸信号的一致性 IR intensity

  34. 黑色的是窗口上的分析点，红色的是壁上的

  35. 未修正的IR profile_H

  36. Conclusions： • HT-7上逃逸电子的能量约30MeV，发射红外波长（5～15微米）的同步辐射。 • 光中子产额：第一壁材料都有可能 • 通过测量同步辐射研究芯部逃逸电子在HT-7上是可能的。

  37. 585调研 • Aim：逃逸电子研究的调研，确定HT-7上红外测量的可能性。快电子诊断以及快电子动力学工作的交流。 • Presentation：HT-7上低杂波电流驱动效率和快电子动力学（sawtooth and m＝1mode） • 相关方向的调研结果 • 建议

  38. HL-2A控制室

  39. SWIP Experimental Results on HL-1M • LHCD: (by Prof. Yong Liu) • Current drive efficiency • Improved confinement (energy & particle) (by Dr. Z.Y.Cui) • Current profile control (by Dr.Q.W.Yang) • MHD control (by Dr. Yi Yiu) • Ion heating mechanism (by Prof. X.T.Ding) • Effect of LHCD on edge plasma turbulence (by Dr. Y. Huang) • ELM investigation (by Prof.Yong Liu) • Plasma rotation during LHCD (by Prof. W.Y.Hong) • Distribution of the energetic electrons during LHCD • (by Prof. X.T.Ding)

  40. SWIP Main Topics of HL-2A experiments • Confinement & transport • Confinement improvement with formation of internal transport barriers in reversed shear configuration. • H-mode (inc. ELMy H-mode) investigation with powerful NBI heating • MHD instability • The instabilities driven by the energetic particles formed by auxiliary heating • Neo-classical tearing mode stabilization by ECRH • Heating & Fueling • Profile control with auxiliary heating & current drive • The core plasma turbulence investigation in high plasma density during deep fueling • Gas clusters injection as a method of fuelling • Divertor & edge plasma • Divertor/Edge Plasma Closed divertor and modeling • Biased- divertor • MBI-trigged detached plasma • Wall conditioning(Si, B, Li & combination) • PSI and PFM development

  41. NaI探测系统 • 直径为75mm的NaI探测系统，强度测量，0.2～2MeV的硬X射线。没有能谱分析。方向主要是垂直测量限制器。 • 有一套高纯锗探测系统，2万欧元。测量0.2～2MeV的硬X射线。

  42. HL-1M上HgI2探测阵列 • 水平空间7道，用于快电子监测（10～150keV）。

  43. 585逃逸电子实验研究 • HL-2A破裂放电期间逃逸电子产生过程的实验观测，杨青巍 • HL-1M装置逃逸电子的定标律，郑永真 • 补充加料过程中逃逸电子的雪崩现象，杨进蔚 • 低杂波电流驱动中的雪崩逃逸增强及鱼骨不稳定性，杨进蔚

  44. Similar results on burst of FEB

  45. #72602 Ip=160kA, Vl=0.38V, ne=1.5*1019m-3 PLH=400kW (400~1350ms), PIBW=114kW (280~760ms) LHW only IBW+LHW

  46. 585同行建议： 逃逸电子研究方面： 采用大体积探测器（NaI）测量高能硬X射线。 两个所联合申请一个逃逸电子动力学实验研究的自然基金。 快电子诊断： 开展一些联合实验，比如我们的CdTe探测阵列测量HL-2A上的快电子。 实验结果共享（新的实验结果，解释不清的实验结果）

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