[논문 리뷰] Analysis of fast ion induced instabilities in tokamak plasmas

László Horváth|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 16.

Seismic Waves and Analysis인용 수 1

한 줄 요약

이 학위논문은 비선형적 반경 방향 구조 진화를 연구한다. 이는 ASDEX Upgrade 토카막 플라즈마에서 오프-축 중성자 비임퓨르의 램프업 단계 동안 빠른 이온에 의해 구동되는 불안정성, 즉 베타 유도 알베르트 모드(BAEs)와 에너제틱 입자에 의해 구동되는 지오데식 음향 모드(EGAMs)의 진화를 다룬다. 부드러운 X선 카메라 데이터에 기반한 단기 푸리에 변환 기반의 진폭 복원 방법을 사용하여, 내림차순 주파수로 변화하는 BAEs는 측정 불확도 내에서 반경 방향 구조 변화가 최소한임을 발견하였고, 빠르게 오르막 주파수로 변화하는 EGAMs는 이론적으로 예측된 에너제틱 입자 공명 조건 변화와 일치하는 일관된 모드 구조 수축을 보였다.

ABSTRACT

In magnetic confinement fusion devices like tokamaks, it is crucial to confine the high energy fusion-born helium nuclei ($\alpha$-particles) to maintain the energy equilibrium of the plasma. However, energetic ions can excite various instabilities which can lead to their enhanced radial transport. Consequently, these instabilities may degrade the heating efficiency and they can also cause harmful power loads on the plasma-facing components of the device. Therefore, the understanding of these modes is a key issue regarding future burning plasma experiments. One of the main open questions concerning energetic particle (EP) driven instabilities is the non-linear evolution of the mode structure. In this thesis, I present my results on the investigation of $\beta$-induced Alfv\'{e}n eigenmodes (BAEs) and EP-driven geodesic acoustic modes (EGAMs) observed in the ramp-up phase of off-axis NBI heated plasmas in the ASDEX Upgrade tokamak. These modes were well visible on several line-of-sights (LOSs) of the soft X-ray cameras which made it possible to analyse the time evolution of their spatial structure. In order to investigate the radial structure, the mode amplitude has to be determined on different LOSs. I developed an advanced amplitude reconstruction method which can handle the rapidly changing mode frequency and the low signal-to-noise ratio. This method is based on short time Fourier transform which is widely applied in the thesis, because it is ideal to investigate the time evolution of transient wave-like phenomena. The radial structure analysis showed that in case of the observed downward chirping BAEs the changes in the radial eigenfunction were smaller than the uncertainty of the measurement, while in case of rapidly upward chirping EGAMs the analysis shows shrinkage of the mode structure. These experimental results are shown to be consistent with the corresponding theory.

연구 동기 및 목표

• 연소 플라즈마 조건에서 빠른 이온에 의해 구동되는 비선형 반경 방향 진화를 이해하기 위해.
• 주파수를 변화시키는 모드들, 예를 들어 BAEs와 EGAMs가 주파수를 변화시키는 동안 반경 방향 고유함수에 측정 가능한 변화가 있는지 여부라는 열린 질문을 해결하기 위해.
• 빠르게 변화하는 주파수와 낮은 신호 대 잡음비를 가진 일시적인 플라즈마 현상에서 작동할 수 있는 신뢰성 있는 진폭 복원 기법을 개발하고 검증하기 위해.
• 빠른 입자 운반 예측 모델링을 향한 빠른 입자에 의해 구동되는 모드의 반경 방향 구조 역학에 대한 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 플라즈마 반경 전반의 공간 모드 구조를 캡처하기 위해 다수의 선형 시야(LOS)를 갖는 부드러운 X선(SXR) 카메라를 사용하였다.
• 빠르게 변화하는 주파수와 낮은 신호 대 잡음비에도 불구하고 시간 해상도를 확보한 모드 진폭을 추출하기 위해 단기 푸리에 변환(STFT) 기반의 진폭 복원 방법을 개발하였다.
• 알려진 파arameter를 갖는 합성 신호를 사용하여 복원 방법을 검증하고, 추가적인 백색 잡음에 대한 민감도를 특성화하였다.
• 배경 잡음 특성에서 측정 불확도를 추정하여 관측된 구조적 변화의 유의미성을 평가하였다.
• 실험 데이터에서 BAEs와 EGAMs를 식별하기 위해 세밀한 모드 수 분석을 수행하였다.
• 관측된 주파수 치핑과 속도 공간에서의 에너제틱 입자 분포 및 공명 조건의 변화를 연관시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정 불확도 내에서 내림차순 주파수로 변화하는 BAEs의 반경 방향 고유함수는 주파수 치핑 단계 동안 유의미하게 변화하는가?
• RQ2 빠르게 상승 주파수로 변화하는 EGAMs의 반경 방향 구조는 치핑 과정 중에 측정 가능한 수축을 보이는가?
• RQ3 에너지 입자 분포와 배경 플라즈마 파rameter 중 어느 것이 EP-구동 불안정성의 모드 구조에 더 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 단기 푸리에 변환 기반의 진폭 복원 기법은 주파수가 급격히 변화하고 잡음이 많은 일시적인 SXR 신호에서 모드 진폭을 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ5 관측된 EGAMs의 구조 진화는 통과 입자의 공명 조건 변화에 기반한 이론적 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 내림차순 주파수로 변화하는 BAEs는 측정 불확도 내에서 반경 방향 고유함수에 유의미한 변화가 없었으며, 이는 배경 플라즈마 파rameter에 강하게 의존함을 시사한다.
• 빠르게 상승 주파수로 변화하는 EGAMs는 치핑 단계 동안 일관되고 측정 가능한 반경 방향 모드 구조 수축을 보였다.
• 관측된 EGAMs의 구조 수축은 속도 공간에서 변화하는 공명 조건에 기인하며, 이는 궤도 폭이 좁아지는 더 많은 통과 입자 인구 증가에 기인한다.
• 개발된 진폭 복원 기법은 낮은 신호 대 잡음비와 빠르게 변화하는 주파수 조건에서도 SXR 데이터에서 고시간 해상도로 모드 진폭을 성공적으로 추출하였다.
• 복원된 모드 진폭은 다수의 선형 시야 측정을 통해 신뢰성 있는 반경 방향 구조 분석을 가능하게 하였으며, 불안정성의 공간적 진화를 확인하였다.
• 실험 결과는 특히 EGAMs의 경우 이론적 예측과 양호한 일치를 보였으며, 에너제틱 입자 분포가 모드 구조 형성에 기여하는 바를 뒷받침한다.