Dokument: Spectral measurements of runaway electrons in the TEXTOR tokamak

Titel:	Spectral measurements of runaway electrons in the TEXTOR tokamak
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=12468
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20090825-094300-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr Kudyakov, Timur [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,48 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.08.2009 / geändert 19.08.2009
Beitragende:	Prof. Dr. Willi, Oswald [Gutachter] Prof. Dr. Samm, Ulrich [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Während der Plasmadisruption innerhalb eines Tokamaks werden hochenergetische Elektronen im Bereich von mehreren MeV, sog. ”Runaways”, emittiert. Für den Betrieb des zukünftigen Tokamaks ITER spielen Runaway- Elektronen eine entscheidende Rolle, da sie die Betriebsdauer wesentlich reduzieren können. In dieser Arbeit wurden die zu Grunde liegenden physikalischen Effekte der Entstehung und dem Transport der Runaway-Elektronen am Tokamak TEXTOR des Forschungszentrums Jülich untersucht und eine Abschätzung der Folgen auf den Betrieb von ITER gemacht. Eine hierfür speziell entwickelte Sonde erlaubt, die vom Plasma emittierte Anzahl an Runaway-Elektronen, ihre Energieverteilung und die hervorgerufene Energiedeposition im Material zu messen. Ihre Funktionsweise basiert auf dem Einsatz von YSO Kristallen, welche durch die Elektronen im sichtbaren Spektralbereich szintillierenden. Das Licht wird mit Hilfe von Lichtwellenleitern auf Photovervielfacher geleitet und zeitaufgelöst registriert. Eine Energieauflösung wird dadurch erreicht, dass einzelne Kristalle in Schichten aus Edelstahl unterschiedlicher Dicke eingebettet sind. Mit Hilfe von neun Kristallen konnte ein Energieintervall zwischen 4 MeV und 30 MeV aufgelöst werden. Die Sonde wurde am Elektronen- Linearbeschleuniger ELBE am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf absolut kalibriert; die Ergebnisse stimmen gut mit numerischen Monte-Carlo Simulationen mit dem Code Geant4 überein. Im TEXTOR-Experiment wurde der Transport der Runaway-Elektronen in Anwesenheit externer oder intrinsischer Magnetfelder studiert. Es wurde gefunden, dass der Anstieg der Runaway-Verluste bei abnehmendem Magnetfeld mit einer Erhöhung der magnetischen Fluktuationen verbunden ist. Diese Messung ist neuartig und konnte bisher nicht mit anderen Meßmethoden gefunden werden. Beim Anlegen eines externen magnetischen Störfeldes durch den Dynamischen Ergodische Divertor (DED) an TEXTOR wurde auch hier die unterschiedliche Abhängigkeit des Transportes als Funktion der Runaway - Energie gefunden. Auch hier ist der Transport der niederenergetischen Runaways höher als derjenige der hochenergetischen. Der verstärkte Verlust der niederenergetischen Elektronen macht sich bei den hochenergetischen mit einer zeitlichen Verzögerung bemerkbar. Es wurden erstmals Messungen mit der Sonde bei Disruptionen durchgeführt, um den Runaway-Fluss, die Energieverteilung der Runaways als Funktion der Zeit und die Wärmelast zu bestimmen. Die Sonde zeigte einen zeitlich strukturierten Runaway-Verlust. Zuerst - im sog. thermal quench - gehen Runaways verloren, die in der Startphase der Entladung entstanden sind. Danach - in der sog. current quench Phase - beobachtet man Runaway-Elektronen, die in der Phase beschleunigt werden, in denen die magnetische Energie des Tokamaks dissipiert wird. Die gewonnenen Daten erlauben eine Abschätzung der thermischen Effekte im Rahmen des ITER-Konzepts. The generation of multi-MeV runaway electrons is a well known effect related to the plasma disruptions in tokamaks. The runaway electrons can substantially reduce the lifetime of the future tokamak ITER. In this thesis physical properties of runaway electrons and their possible negative effects on ITER have been studied in the TEXTOR tokamak. A new diagnostic, a scanning probe, has been developed to provide direct measurements of the absolute number of runaway electrons coming from the plasma, its energy distribution and the related energy load in the material during low density (runaway) discharges and during disruptions. The basic elements of the probe are YSO crystals which transform the energy of runaway electrons into visible light which is guided via optical fibres to photomultipliers. In order to obtain the energy distribution of runaways, the crystals are covered with layers of stainless steel (or tungsten in two earlier test versions) of different thicknesses. The final probe design has 9 crystals and can temporally and spectrally resolve electrons with energies between 4 MeV and 30 MeV. The probe is tested and absolutely calibrated at the linear electron accelerator ELBE in Rossendorf. The measurements are in good agreement with Monte Carlo simulations using the Geant4 code. The runaway transport in the presence of the internal and externally applied magnetic perturbations has been studied. The diffusion coefficient and the value of the magnetic fluctuation for runaways were derived as a function of Bt. It was found that an increase of runaway losses from the plasma with the decreasing toroidal magnetic field is accompanied with a growth of the magnetic fluctuation in the plasma. The magnetic shielding picture could be confirmed which predicts that the runaway loss occurs predominantly for low energy runaways (few MeV) and considerably less for the high energy ones. In the case of the externally applied magnetic perturbations by means of the dynamic ergodic divertor (DED) runaway electrons with different energies demonstrate a different sensitivity to the DED. Again, highly relativistic electrons are less sensitive to the stochastic magnetic field than the low energy ones. Measurements of runaway electrons during the plasma disruptions have been carried out by the new probe. The probe has shown two distinct losses of runaways during the thermal quench (runaways were produced at the start up of the discharge) and during the current quench (runaways were produced due to the dissipation of the magnetic field). Important parameters, such as the runaway flux, the energy distribution, the temporal evolution and the thermal load in materials have been studied. The obtained results allow to estimate the thermal load due to runaway electrons in the ITER tokamak.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	25.08.2009
Dateien geändert am:	19.08.2009
Promotionsantrag am:	08.06.0009
Datum der Promotion:	22.07.0009