Dokument: Charge exchange recombination in X-ray spectra of He-like argon measured at the tokamak TEXTOR

Titel:	Charge exchange recombination in X-ray spectra of He-like argon measured at the tokamak TEXTOR
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34393
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150601-103927-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schlummer, Tobias [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 19,74 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.05.2015 / geändert 19.05.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Reiter, Detlev [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Der Ladungsaustausch zwischen Ionen und atomarem Wasserstoff ist ein wichtiger Reaktionskanal in magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen. Einerseits erhöht der Ladungsaustausch die Strahlungsverluste und führt daher zur Abkühlung der Plasmarandschicht. Andererseits verschiebt er als zusätzlicher Rekombinationskanal das Ionisationsgleichgewicht im Plasma hin zu niedrigeren Ionisierungsstufen. Zudem ist das rekombinierende Ion in der Regel in einem hoch angeregten Zustand, der durch spontane Photoemission in den Grundzustand zerfällt. Über die Änderungen des Ionisierungsgleichgewichtes und der Besetzungsdichten der angeregten Ionenzustände beeinflusst der Ladungsaustausch die in einem Fusionsplasma gemessenen Spektren. Zentrales Ziel dieser Arbeit ist die röntgenspektroskopische Untersuchung von Ladungsaustauscheffekten am Tokamak TEXTOR. Unlängst wurde ein für den Stellarator W7-X entwickeltes, bildgebendes Röntgenspektrometer an TEXTOR installiert. Das Spektrometer ist für die Messung des Kα-Spektrums von He-ähnlichem Argon (1s2l − 1s2, ca. 4 Å) optimiert. Die Kα-Spektroskopie an He-ähnlichen Plasmaverunreinigungen ist als Diagnostik für Elektronen- und Ionentemperaturmessungen etabliert. Dennoch sind die beobachteten Intensitätsverhältnisse der Kα-Linien und der zugehörigen Satelliten bisher nicht vollständig verstanden. Diese zeigen deutliche, zum Plasmarand hin zunehmende Abweichungen von den Vorhersagen des Koronamodels. Als wahrscheinlichste Gründe wurden in der Vergangenheit Verunreinigungstransport und Ladungsaustausch mit dem Neutralteilchenhintergrund diskutiert. Eine exakte Beschreibung der Spektren ist jedoch trotz detaillierter Analysen bisher nicht gelungen. Zur Beschreibung der an TEXTOR gemessenen Spektren wird die radiale Argonionenverteilung mit einem eindimensionalen Transport-Code berechnet. Das Modell berücksichtigt Ladungsaustauschrekombination und radialen Teilchentransport auf Basis gegebener Profile der Neutralteilchendichte n0(r) und des Diffusionskoeffizienten D(r). Aus den erhaltenen Argonionenprofilen werden dann mit Hilfe der entsprechenden Emissionskoeffizienten die theoretischen Spektren produziert. In einer iterativen Prozedur wird dabei unter Anpassung von n0(r) und D(r) Konsistenz zwischen den experimentellen und den theoretischen Spektren erzielt. Die radial aufgelösten Kα-Spektren erlauben eine klare Trennung von Ladungsaustausch- und Transporteffekten, so dass die Eindeutigkeit der Lösungen sichergestellt ist. In den meisten Fällen lassen sich die Linienverhältnisse entlang des gesamten radialen Sichtfeldes mit hoher Genauigkeit modellieren, wobei die abgeleiteten n0(r) und D(r) gut mit Ergebnissen früherer Experimente bzw. Simulationen übereinstimmen. Die vorgelegte Analyse klärt die seit langem offene Frage nach den Mechanismen hinter den experimentell beobachteten Kα-Linienverhältnissen. Zudem erweitert sie die diagnostischen Möglichkeiten der bildgebenden Kα-Spektroskopie, sodass nun neben der Elektronen- und Ionentemperatur gleichzeitig radiale Profile der Neutralteilchendichte und des Transportkoeffizienten bestimmt werden können. Zusätzlich werden die aus den Kα-Spektren gewonnenen radialen Profile der Elektronen- und Ionetemperatur diskutiert und mit Ergebnissen anderer Diagnostiken verglichen. Der Ladungsaustausch ist nicht nur in Bezug auf den thermischen Neutralteilchenhintergrund relevant. Er spielt zudem eine Schlüsselrolle in der aktiven Ladungsaustauschspektroskopie (CXRS). Neben der Messung von Ionentemperaturen ist eine Hauptanwendung der CXRS die Bestimmung absoluter Dichten von Verunreinigungen im Plasma. Für Dichtemessungen mittels CXRS sind die partiellen Wirkungsquerschnitte für den Ladungsaustausch von großer Bedeutung. Diese wurden jedoch bisher nicht experimentell überprüft. Dies gilt insbesondere für den Ladungsaustausch auf hoch ionisierte Verunreinigungsionen bei hohen Kollisionsenergien. Gleichzeitig zeigen die verfügbaren theoretischen Datensätze erhebliche Diskrepanzen. In dieser Arbeit werden die einzigartigen diagnostischen Möglichkeiten an TEXTOR genutzt, um die Rydberg-Serie von He-ähnlichem Argon (1snp − 1s2, ca. 3 Å) unter direktem Einfluss eines Neutralteilchenheizstrahls (50 keV ) zu messen. Die durch die Strahlteilchen verursachten charakteristischen Linienerhöhungen stimmen gut mit den Vorhersagen einer der theoretischen Datensätze überein. Sowohl die Abhängigkeit von der Hauptquantenzahl n als auch die absoluten Werte können bestätigt werden. Die Experimente liefern die erste experimentelle Verifizierung der Querschnitte für Ladungsaustausch bei CXRS-relevanten Energien. Charge exchange recombination between ions and atomic hydrogen is an important atomic process in magnetically confined fusion plasmas. Besides radiative cooling of the plasma edge, charge exchange causes modifications of the ionization balance and the population densities of excited ion states. The central goal of this work is to investigate the influence of charge exchange on X-ray spectra measured at the tokamak TEXTOR. A new 2D X-ray spectrometer developed for future use at the stellarator W7-X was recently installed at TEXTOR. The spectrometer is optimized for measuring the Kα-spectrum of He-like argon (1s2l − 1s2) at wavelengths close to 4 Å. Kα-spectroscopy on He-like impurity ions is an established diagnostic for electron and ion temperature measurements in fusion plasmas. Still, up to now the observed intensity ratios of the Kα-lines and their associated satellites are not fully understood. They show significant deviations from the predictions made by basic corona models. In the past charge exchange with the neutral particle background and radial impurity transport have been discussed as likely explanations. Yet a detailed description of the experimental spectra still has not been achieved. To reconstruct the 2D Kα-spectra measured at TEXTOR the radial argon ion distribution is modeled using an impurity transport code. The model accounts for charge exchange and transport on basis of given radial profiles of the neutral particle density n0(r) and the diffusion coefficient D(r). The theoretical spectrum is then constructed based on the processes relevant for line emission. Within an iterative procedure n0(r) and D(r) are varied until consistency between the theoretical and the experimental spectra is achieved. It is shown that the 2D Kα-spectra allow a clear distinction of charge exchange and transport effects, ensuring unique solutions for n0(r) and D(r). In most cases the spectra can be reconstructed with high accuracy along the entire radial field of view. The deduced D(r) and n0(r) are in good agreement with earlier experimental and modeling results. The presented analysis not only resolves the long-standing issues concerning the intensity ratios in the Kα-spectra of He-like ions. It also introduces imaging Kα-spectroscopy as suitable diagnostic for the neutral particle density and the impurity transport behavior in fusion plasmas. Additionally, the radial profiles of the electron and the ion temperature obtained from the Kα-spectra are presented and compared to results from other diagnostics. Charge exchange is not only relevant in regard to the thermal background neutrals. It also plays a key role in charge exchange recombination spectroscopy (CXRS). For impurity density measurements based on CXRS the accuracy of the charge exchange cross sections are of crucial importance. However, so far no experimental verification of the fine-structure resolved cross sections for charge exchange on highly ionized impurity ions has been performed, whereat the available theoretical data sets show significant deviations. In this work the unique diagnostic opportunities at TEXTOR are used to measure the Rydberg series of He-like argon (1snp − 1s2, ca. 3 Å) under direct influence of a neutral particle heating beam (50 keV). The characteristic line enhancement caused by the beam particles is consistent with one set of the theoretical charge exchange cross sections. Both, the absolute values as well as the dependence on the principle and the orbital quantum numbers can be confirmed. The results represent the first experimental verification of the fine-structure resolved cross sections for charge exchange at CXRS relevant collision energies and give confidence in the quality of the theoretical data.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	01.06.2015
Dateien geändert am:	01.06.2015
Promotionsantrag am:	13.02.2014
Datum der Promotion:	16.06.2014