Investigation of optically grey electron cyclotron harmonics in Wendelstein 7-X [original]

Investigation of optically grey electron cyclotron

harmonics in Wendelstein 7-X

vorgelegt von

M.Sc.

Neha Chaudhary

ORCID:0000-0001-5075-2487

an der Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Naturwissenschaften

-Dr. rer. nat.-

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. Holger Stark

Gutachter: Prof. Dr. Dieter Breitschwerdt

Gutachter: Prof. Dr. Robert Wolf

Gutachter: Prof. Dr. Hans-Jürgen Hartfuß

Gutachter: Prof. Dr. Wolf-Christian Müller

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 11. Oktober 2021

Berlin 2021

Abstract

In Wendelstein 7-X (W7-X), the electron cyclotron emission (ECE) from the op-

tically thick second harmonic extraordinary mode (X2-mode) at 140 GHz is used

for the continuous electron temperature, Te, measurement. This X2-mode emission

is shielded by cutoff for the plasma densities above 1.2×1020 m−3and thus, it

cannot be used to provide Tefor higher plasma densities. These higher densities

have been demonstrated at W7-X with neutral-beam injection (NBI) heating and

second harmonic ordinary mode (O2-mode) electron cyclotron resonance heating

(ECRH). The absorption of radiation from O2-mode ECRH is directly proportional

to T2

e. Therefore, continuous measurement of Teis essential to keep track of incid-

ent power absorption and a possible loss of heating efficiency. In this work, the third

harmonic extraordinary mode (X3-mode) is investigated for this continuous meas-

urement of Te. This is facilitated by the fact that W7-X has a high aspect ratio which

leads to a flat magnetic field gradient. This flat gradient results in spectrally well-

separated X2-mode and X3-mode emission along the selected line of sight, and that

makes the interpretation of harmonics easier. A Martin-Puplett Interferometer was

used to probe the broadband ECE harmonics. The strong stray radiation from the

non-absorbed ECRH power dominates the broadband measurement and is difficult

to suppress as it lies in the middle of the X2-mode. A multi-mode stray radiation

notch filter based on multiple dielectric disk structures was designed and construc-

ted to get unpolluted ECE spectra. The experimental measurements show that the

radiation temperature of X3-mode emission approaches Tefor higher plasma dens-

ities and sufficiently high Te. Under most conditions, the X3-mode emission is op-

tically grey in contrast to the X2-mode emission. The extraction of the Tefrom the

X3-mode is less straightforward. Hence, a Bayesian data analysis approach is adop-

ted. A forward modeling of the Martin-Puplett interferometer has been implemen-

iii

ted, which predicts the X3-mode emission from the radiation transport calculations.

These predictions are used for the Bayesian inference of the Teprofile from the X3-

mode emission. These results show that within specific limits on the plasma para-

meter regime, the X3-mode measurements are sufficient to provide the Teprofile for

plasma densities above the X2-mode cutoff. For a direct diagnostic application, a

correction factor for the radiation temperature of optically grey X3-mode emission

is also provided to estimate the central Tevalues for the plasma control purposes.

Zusammenfassung

In Wendelstein 7-X wird zur Bestimmung der Elektronentemperatur die optisch

dichte zweite Harmonische der Elektronen Zyklotron Emission (ECE) X2 verwen-

det, die für das Magnetfeld von 2.5 T bei Frequenzen um 140 GHz liegt. Da diese

Emission aber bei Elektronendichten oberhalb 1,2×1020 m−3durch den cut-off

abgeschirmt wird, steht diese standard ECE Diagnostik bei höheren Dichten nicht

mehr zur Bestimmung der Elektronentemperatur zur Verfügung. Eine Heizung sol-

cher Hoch-Dichte Plasmen im Langpuls Betrieb mit den 140 GHz Gyrotrons der

Elektronen Zyklotron Resonanz Heizung (ECRH) gelingt durch sukzessives Um-

schalten der Polarisation der Gyrotrons von senkrecht auf parallel zum Magnetfeld,

X2 auf O2 wodurch der X-mode cut-off vermieden wird. In dieser O2 Polarisation

ist die benötigte Absorption der Mikrowellen proportional zum Quadrat der Elektro-

nentemperatur und eine kontinuierliche Messung der Elektronentemperatur daher

essentiell um die Absorption der einfallenden Heizstrahlen zu mit zu verfolgen um

einen eventuelle Verlust der Heizeffizienz rechtzeitig zu erkennen. In diese Arbeit

wird daher die dritte Harmonische der ECE X3 als Option für eine kontinuierlichen

Messung der Elektronentemperatur in Hoch-Dichte Plasmen untersucht. Dies wird

in W7-X dadurch erleichtert, daß das relativ große Aspektverhältnis zu vergleichs-

weise flachen Gradienten des Magnetfeldes entlang der Sichtlinie der ECE führt

und damit zu spektral gut separierten Frequenzbanden der X2 und X3 Emissionen.

Um die Harmonischen der ECE breitbandig zu untersuchen wurde ein Martin Pu-

plett Interferometer verwendet. Die Streustrahlung nicht-absorbierter ECRH Leis-

tung behindert hier die Breitbandige Messung und liegt spektral in der Mitte der

X2 ECE des Plasmas. Um ungestörte ECE Spektren zu erhalten, wurde daher ein

Multi-mode Notch Filter auf Basis eines Stapels dielektrischen Scheiben als Streu-

strahlungs Filter konstruiert. Die X3 Emission ist im Gegensatz zur X2 Emission

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