O tokamak é um dos mais promissores modelos de reatores de fusão. O mesmo consiste em um sistema de confinamento magnético de forma toroidal, onde coexistem um campo magnético toroidal gerado por bobinas externas e um campo poloidal gerado por uma corrente que percorre o plasma confinado, formando um campo resultante helicoidal. A operação do tokamak é sujeita a várias perturbações e instabilidades. Os modos tearing neoclássicos (NTM) são perturbações perigosas que interferem na estrutura magnética do plasma, pela formação de estruturas chamadas ilhas magnéticas. Acredita-se que os NTM’s são gerados por uma queda na corrente de bootstrap dentro das ilhas magnéticas, onde o perfil de pressão fica achatado. Isso ocorre em superfícies de fluxo onde o fator de segurança é racional, que assim, pode ser escrito como q = m/n, onde o número poloidal m e o número toroidal n são ambos inteiros. O controle desses modos é essencial para a operação dos futuros reatores de fusão. Um dos métodos considerados para esse controle é a geração de calor e corrente localizada na região da ilha, usando ondas do tipo de cíclotron eletrônica, em um processo chamado electron cyclotron current drive (ECCD). Estudamos características importantes sobre a eficiência do processo, via um modelo simplificado do tokamak e da estrutura da ilha, acoplado a um tratamento auto-consistente da interação da ondas com o plasma no tokamak e, consequentemente, geração de corrente, considerando a existência de uma corrente inicial gerada por um transformador (loop voltage), e levando em conta efeitos de transporte radial de partículas e a existência de efeitos indutivos. Todos esses efeitos formam uma equação de Fokker-Planck para evolução temporal da função de distribuição eletrônica, que é resolvida numericamente. O formalismo também inclui uma descrição auto-consistente da largura da ilha magnética, como função da corrente no plasma, atraves de uma equação chamada equação de Rutherford modificada. O formalismo inclui também efeitos clássicos relacionados a um pulo da derivada do logarítmo do campo magnético radial, e dados basicamente pelo gradiente da corrente de equilíbrio e efeitos neoclássicos relacionados a perturbações na corrente de bootstrap. Os resultados são obtidos na análise numérica para diversos parâmetros iniciais e para ondas de cíclotron, e mostram que a largura das ilhas é reduzida pela geração de corrente gerada pelas ondas, o que confirma o ECCD como um bom método para estabilização dos NTM. / The tokamak is one of the most promising models for a fusion reactor. It consists in a system of magnetic confinement of toroidal form, in which coexist a toroidal magnetic field generated by a system of external coils and a poloidal magnetic field generated by the current in the confined plasma, forming a helicoidal magnetic field. The operation of a tokamak is subject to the occurrence of perturbations and instabilities. Neoclassical tearing modes (NTM) are dangerous perturbations which interfere in the magnetic structure of the plasma, by formation of structures known as magnetic islands. It is believed that the NTM are driven by a lack of the bootstrap current inside the magnetic island where the pressure profile is flattened. This occurs in flux surfaces with rational safety factor, which can be writen as q = m/n, where the poloidal number m and the toroidal number n are both integers. The control of these modes is essential to the operation of future fusion reactors. One of the methods considered for control is the heating and generation of current in the island location, using electron cyclotron (EC) waves, in a process known as electron cyclotron current drive (ECCD). We study important features related to the efficiency of such method by the use of a simplified model for a tokamak and for the structure of magnetic islands, coupled to a self-consistent treatment of the interaction of EC waves with the plasma in the tokamak and the consequent current generation, considering the occurrence of a loop voltage in the tokamak and taking into account radial transport of particles and the existence of induced effects. All of these effects are included in a general Fokker-Plank equation for the evolution of the electron distribution function, which is numerically solved. The formalism also includes a self-consistent description of the width of the magnetic islands, as a function of the current in the plasma, through the so-called modified Rutherford equation. The formalism includes classical effects are given by the jump in the logarithmic derivative of the radial magnetic field and driven mainly by the equilibrium current gradient, and neoclassical effects related to the effect of the perturbed bootstrap current. The results obtained in our numerical analyses, for several parameters associated to EC waves, show that the width of the islands can be substantially reduced by the EC generated currents, which seems to confirm ECCD as a promising method for NTM stabilization.

Usamos a teoria quase-linear para estudar os efeitos do transporte radial de partículas na eficiência da geração de corrente por ondas do tipo híbrida inferior (lower hybrid ou LH), em um tokamak modelado como uma lâmina. Nossos resultados numéricos foram obtidos com cinco diferentes modelos do termo de transporte e indicaram que embora a potência absorvida e a corrente gerada possam ser modificadas por efeito do transporte, a proporção de variação dessas quantidades não é muito sensível a uma forma particular do termo de transporte. Na formulação quase-linear utilizada, a evolução no tempo da função distribuição de elétrons, em um dado ponto da geometria de lâmina proposta, ocorre sob a ação de ondas do tipo híbrida inferior, colisões e transporte, e é descrita pela seguinte equação: 8rfe = (8rfehH + (8rfe)COL + (8rfeh . Oterceiro termo pretende demonstrar a natureza e a magnitude dos efeitos de transporte, e é dado pela seguinte forma: (8rfeh = 8s [DT(S) 8sie] , com um coeficiente para difusão espacial dependente de posição. Utilizamos cinco formas totalmente arbitrárias para a dependência de posição, com as quais pretendemos verificar a sensibilidade do processo de geração de corrente a aspectos do termo de difusão.

O tokamak é um dos mais promissores modelos de reatores de fusão. O mesmo consiste em um sistema de confinamento magnético de forma toroidal, onde coexistem um campo magnético toroidal gerado por bobinas externas e um campo poloidal gerado por uma corrente que percorre o plasma confinado, formando um campo resultante helicoidal. A operação do tokamak é sujeita a várias perturbações e instabilidades. Os modos tearing neoclássicos (NTM) são perturbações perigosas que interferem na estrutura magnética do plasma, pela formação de estruturas chamadas ilhas magnéticas. Acredita-se que os NTM’s são gerados por uma queda na corrente de bootstrap dentro das ilhas magnéticas, onde o perfil de pressão fica achatado. Isso ocorre em superfícies de fluxo onde o fator de segurança é racional, que assim, pode ser escrito como q = m/n, onde o número poloidal m e o número toroidal n são ambos inteiros. O controle desses modos é essencial para a operação dos futuros reatores de fusão. Um dos métodos considerados para esse controle é a geração de calor e corrente localizada na região da ilha, usando ondas do tipo de cíclotron eletrônica, em um processo chamado electron cyclotron current drive (ECCD). Estudamos características importantes sobre a eficiência do processo, via um modelo simplificado do tokamak e da estrutura da ilha, acoplado a um tratamento auto-consistente da interação da ondas com o plasma no tokamak e, consequentemente, geração de corrente, considerando a existência de uma corrente inicial gerada por um transformador (loop voltage), e levando em conta efeitos de transporte radial de partículas e a existência de efeitos indutivos. Todos esses efeitos formam uma equação de Fokker-Planck para evolução temporal da função de distribuição eletrônica, que é resolvida numericamente. O formalismo também inclui uma descrição auto-consistente da largura da ilha magnética, como função da corrente no plasma, atraves de uma equação chamada equação de Rutherford modificada. O formalismo inclui também efeitos clássicos relacionados a um pulo da derivada do logarítmo do campo magnético radial, e dados basicamente pelo gradiente da corrente de equilíbrio e efeitos neoclássicos relacionados a perturbações na corrente de bootstrap. Os resultados são obtidos na análise numérica para diversos parâmetros iniciais e para ondas de cíclotron, e mostram que a largura das ilhas é reduzida pela geração de corrente gerada pelas ondas, o que confirma o ECCD como um bom método para estabilização dos NTM. / The tokamak is one of the most promising models for a fusion reactor. It consists in a system of magnetic confinement of toroidal form, in which coexist a toroidal magnetic field generated by a system of external coils and a poloidal magnetic field generated by the current in the confined plasma, forming a helicoidal magnetic field. The operation of a tokamak is subject to the occurrence of perturbations and instabilities. Neoclassical tearing modes (NTM) are dangerous perturbations which interfere in the magnetic structure of the plasma, by formation of structures known as magnetic islands. It is believed that the NTM are driven by a lack of the bootstrap current inside the magnetic island where the pressure profile is flattened. This occurs in flux surfaces with rational safety factor, which can be writen as q = m/n, where the poloidal number m and the toroidal number n are both integers. The control of these modes is essential to the operation of future fusion reactors. One of the methods considered for control is the heating and generation of current in the island location, using electron cyclotron (EC) waves, in a process known as electron cyclotron current drive (ECCD). We study important features related to the efficiency of such method by the use of a simplified model for a tokamak and for the structure of magnetic islands, coupled to a self-consistent treatment of the interaction of EC waves with the plasma in the tokamak and the consequent current generation, considering the occurrence of a loop voltage in the tokamak and taking into account radial transport of particles and the existence of induced effects. All of these effects are included in a general Fokker-Plank equation for the evolution of the electron distribution function, which is numerically solved. The formalism also includes a self-consistent description of the width of the magnetic islands, as a function of the current in the plasma, through the so-called modified Rutherford equation. The formalism includes classical effects are given by the jump in the logarithmic derivative of the radial magnetic field and driven mainly by the equilibrium current gradient, and neoclassical effects related to the effect of the perturbed bootstrap current. The results obtained in our numerical analyses, for several parameters associated to EC waves, show that the width of the islands can be substantially reduced by the EC generated currents, which seems to confirm ECCD as a promising method for NTM stabilization.

Este trabalho constitui-se numa monografia para ser apresentada como requisito para o título de Doutor em Ciências dentro do Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Faz parte da pesquisa teórica desenvolvida pelo Grupo de Física de Plasmas do IF-UFRGS, e tem por objetivo participar do esforço de tornar comercialmente viável a tecnologia de fusão termonuclear como fonte geradora de energia elátrica. Conhecimento científico e tecnológico que é imprescindível para um país em desenvolvimento como o Brasil. Dentro deste contexto, o trabalho desenvolvido segue a linha de pesquisa do estudo de processos de geraçãao de correntes em tokamaks por meio de interações onda-partícula. Assim, estudamos os efeitos devido a ocorrência de transporte radial de partículas em um tokamak na eficiência de geração de corrente devido a ondas de radio freqüência (RF), na presença de barreiras internas de transporte (ITB - Internal Transport Barriers). Para isso, considerou-se dois casos: no primeiro, a geração de corrente ocorre devido somente a ondas do tipo híbrida inferior (LH - Lower Hybrid), e no segundo, a geração com ação combinada das ondas LH e do tipo eletrônica de cíclotron (EC - Electron Cyclotron). Os resultados foram obtidos por solução numérica da equação de Fokker-Planck que rege a evolução da função distribuição de elétrons. Nós consideramos que o transporte radial de partículas pode ser devido a utuações magnéticas ou eletrostáticas. Considerando ambos os tipos de utuações, a eficiência da geração de corrente mostrou um crescimento com o crescimento das utuações que originam o transporte. A dependência da eficiência da geração de corrente na profundidade e posição da barreira também foi investigada. / This work constitutes a monograph to be presented as requirement to the title of PhD at the Physics Graduate Program at Federal University of Rio Grande do Sul. It is part of a theoretical research developed by the Plasma Physics Group of the IF-UFRGS, and it have the purpose to participe on the e ort to make feasible the thermonuclear fusion technology as a source of electric energy. Scienti c and technological knowledge that are indispensable to a developing country as the Brazil. In that context, the work under development follows the research line of the study of the process of current drive in tokamaks by means of wave-particle interaction. Therefore, we studied the e ects due to the occurrence of radial transport of particles in a tokamak on the e ciency of current drive due the radio frequency waves (RF), in the presence of an Internal Transport Barrier (ITB). For this, we consider two cases: at rst, the current drive occur due to Lower Hybrid waves (LH) only, and at second case, the current drive with combined action of LH and Electron Cyclotron (EC) waves. The present results are obtained by numerical solution of the Fokker-Planck equation which rules the evolution of the electron distribution function. We assume that the radial transport of particles can be due to magnetic or to eletrostatic utuations. It considering both the utuations types, the e ciency of current drive is shown to increase with the increase of the utuations which originate the transport. The dependence of the current drive e ciency on the depth and position of the barrier is also investigated.

O objetivo do presente estudo é a procura de evidências da presença de modos GAM nas descargas do tokamak TCABR, em distintos regimes de operação. As descargas selecionadas foram classicadas segundo a maneira de obter a melhora no connamento do plasma. Nós zemos essa procura nas descargas ôhmicas com incremento espontâneo da densidade do plasma, em descargas onde o plasma foi perturbado externamente pela injeção de ondas de Alfvén e pela alteração do campo elétrico radial via eletrodo de bias. Por causa da natureza eletrostática da oscilação GAM, nas descargas selecionadas foi relevante a presença das sondas eletrostáticas (conhecidas também como sondas de Langmuir). As bobinas de Mirnov foram importantes para identicar as oscilaçes MHD. Diversos métodos de análise espectral e estatístico foram usados na análise dos sinais experimentais como ajuda para identicar os modos GAM. Os métodos usados foram: correlação, espectro de auto-potência, espectro de potência cruzado, coerência e densidade espectral em número de onda e frequência. Para as bobinas de Mirnov, só o espectro de autopot ência foi usado. Os resultados da análise realizada nas descargas com crescimento espontâneo da densidade e nas descargas aquecidas com ondas de Alfvén, não mostram nenhuma presença de GAMs. Nessas descargas somente ocorreu um pequeno incremento na correlação que foi causado pela atividade MHD. Para as descargas com bias, a análise mostra a presença de um modo de f 40KHz, modo que não se observa nas bobinas de Mirnov e que tem simetria poloidal e toroidal. / The goal of the present study is to search for evidences of the presence of GAM modes in plasmas discharges of the TCABR tokamak at dierent operational regimes. The selected discharges were classied according to the way used to obtain plasma improvement of connement. We perform this search in pure ohmic discharges with a spontaneous increment of the plasma density and in discharges where the plasma was externally perturbed by the injection of Alfvén waves and by electrostatic edge biasing. Given the electrostatic nature of the GAM oscillation, in the selected discharges were relevant the presence of electrostatic probes (also known as Langmuir probes). The signals from Mirnov coils was important too, for identify the MHD oscillations. Several statistical and spectral methods were used to analyze the experimental signals in order to helps the identication of the GAM modes, correlation, auto-power spectra, cross-power spectra, coherence and spectral density in wave number and frequency (S(k; f)). For the Mirnov coil just auto-power spectra was used. The results of the analysis performed on the discharges with spontaneous increase of density and for those with Alfvén heating did not show any presence of GAMs. There was just an few increment of the correlation but it was due to the MHD activity. For the discharges with edge biasing, the analysis shows the presence of a f 40kHz mode that was not present in the Mirnov coil and that has toroidal and poloidal symmetry.

Este trabalho constitui-se numa monografia para ser apresentada como requisito para o título de Doutor em Ciências dentro do Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Faz parte da pesquisa teórica desenvolvida pelo Grupo de Física de Plasmas do IF-UFRGS, e tem por objetivo participar do esforço de tornar comercialmente viável a tecnologia de fusão termonuclear como fonte geradora de energia elátrica. Conhecimento científico e tecnológico que é imprescindível para um país em desenvolvimento como o Brasil. Dentro deste contexto, o trabalho desenvolvido segue a linha de pesquisa do estudo de processos de geraçãao de correntes em tokamaks por meio de interações onda-partícula. Assim, estudamos os efeitos devido a ocorrência de transporte radial de partículas em um tokamak na eficiência de geração de corrente devido a ondas de radio freqüência (RF), na presença de barreiras internas de transporte (ITB - Internal Transport Barriers). Para isso, considerou-se dois casos: no primeiro, a geração de corrente ocorre devido somente a ondas do tipo híbrida inferior (LH - Lower Hybrid), e no segundo, a geração com ação combinada das ondas LH e do tipo eletrônica de cíclotron (EC - Electron Cyclotron). Os resultados foram obtidos por solução numérica da equação de Fokker-Planck que rege a evolução da função distribuição de elétrons. Nós consideramos que o transporte radial de partículas pode ser devido a utuações magnéticas ou eletrostáticas. Considerando ambos os tipos de utuações, a eficiência da geração de corrente mostrou um crescimento com o crescimento das utuações que originam o transporte. A dependência da eficiência da geração de corrente na profundidade e posição da barreira também foi investigada. / This work constitutes a monograph to be presented as requirement to the title of PhD at the Physics Graduate Program at Federal University of Rio Grande do Sul. It is part of a theoretical research developed by the Plasma Physics Group of the IF-UFRGS, and it have the purpose to participe on the e ort to make feasible the thermonuclear fusion technology as a source of electric energy. Scienti c and technological knowledge that are indispensable to a developing country as the Brazil. In that context, the work under development follows the research line of the study of the process of current drive in tokamaks by means of wave-particle interaction. Therefore, we studied the e ects due to the occurrence of radial transport of particles in a tokamak on the e ciency of current drive due the radio frequency waves (RF), in the presence of an Internal Transport Barrier (ITB). For this, we consider two cases: at rst, the current drive occur due to Lower Hybrid waves (LH) only, and at second case, the current drive with combined action of LH and Electron Cyclotron (EC) waves. The present results are obtained by numerical solution of the Fokker-Planck equation which rules the evolution of the electron distribution function. We assume that the radial transport of particles can be due to magnetic or to eletrostatic utuations. It considering both the utuations types, the e ciency of current drive is shown to increase with the increase of the utuations which originate the transport. The dependence of the current drive e ciency on the depth and position of the barrier is also investigated.

Orientador: Munemasa Machida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-28T16:01:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daltrini_AndreMascia_M.pdf: 1161432 bytes, checksum: 799c40cd33bc96bb37588fb2b3c31e40 (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: Neste trabalho, as emissões de hidrogênio, hélio e impurezas (carbono e oxigênio) no visível e no ultravioleta no vácuo (UVV), foram estudadas através de um conjunto de quatro espectrômetros instalados no tokamak NOVA-UNICAMP. Pela primeira vez no país, foi utilizada a espectroscopia no UVV para diagnóstico de plasmas confinados em tokamaks. Juntamente com o espectrômetro no UVV foi instalado um sistema de vácuo entre este e o tokamak, para impedir a absorção, pelo ar, da radiação com comprimento de onda inferior a 1850 Å. Com um dos espectrômetros no visível, foi montado um conjunto de lentes para aumentar a quantidade de luz incidente no aparelho. Estes dois espectrômetros foram alinhados e tiveram seus alargamentos instrumentais medidos por técnicas diferentes, devido ao máximo comprimento de onda detectado pelo aparelho no UVV (6000 Å, menor que o do laser de He-Ne, 6328 Å ). As descargas do tokamak (ainda que não sejam ideais), apresentaram uma melhora significativa durante este trabalho, principalmente após o estudo da atmosfera no interior da câmara de vácuo da máquina, efetuado com um analisador de gás residual. Ainda assim, detecta-se nos sinais ópticos e da voltagem de enlace, oscilações que podem estar relacionadas com a interação do plasma ou do feixe de elétrons fugitivos (runaway) com o limitador, levando a um aumento da densidade e diminuição da temperatura do plasma. O cálculo da temperatura iônica foi efetuado através das medidas do alargamento Doppler das linhas de HeI e HeII em um plasma de hélio, e de OII, CIII e CIV (este último no UVV) em um plasma de hidrogênio. Em descargas de limpeza, o HeI apresentou temperaturas baixas (alguns poucos eV), mas em descargas tokamak sua temperatura ficou acima dos 20 eV. As medidas de HeII, realizadas com uma pressão de base ruim (10 -6 Torr), revelaram baixas temperaturas, inferiores a 20 eV até 5,3 ms. Os íons de OII apresentaram uma temperatura iônica entre 20 e 30 eV, e os de CIII chegaram a aproximadamente 50 eV após 5,0 ms. Já o CIV atingiu um temperatura de pelo menos 60-80 eV, mesmo nos instantes iniciais da descarga. O perfil da linha de La (1216 Å) foi também medido, mas a temperatura iônica do hidrogênio não foi calculada por causa do grande alargamento instrumental do espectrômetro no UVV. Mesmo assim, a evolução temporal das linhas das séries de Balmer (no visível) e Lyman (no UVV) foram comparadas, servindo como um primeiro teste para medidas posteriores que levarão ao cálculo do tempo de confinamento e taxa de reciclagem de partículas. Com a medida das linhas de impurezas foi determinado o menor comprimento de onda detectado pelo espectrômetro, 904 Å (CII). Além disso, foi também comparado o perfil temporal das linhas de carbono com diferentes graus de ionização em descargas de limpeza. Este trabalho de tese é o primeiro realizado no tokamak NOVA-UNICAMP, antigo tokamak NOVA II (vindo da Universidade de Kyoto-Japão), depois de sua instalação em nosso laboratório pelo professor Masayuki Fukao / Abstract: The hydrogen, helium and impurities (carbon and oxygen) emissions, in visible and vacuum ultraviolet (VUV) spectra, have been studied by a set of four spectrometers installed on NOVA-UNICAMP tokamak. The VUV spectroscopy has been set for the first time to study tokamak confined plasmas in our laboratories. Between the tokamak and the VUV spectrometer, a vacuum pipe system has been installed to avoid the radiation absorption by the air. With one of the visible spectrometers, a lens set has been assembled to improve the light signal. The spectrometers alignment and instrumental broadening measurements were done by different methods (since our VUV spectrometer measures wavelength up to 6000 Å, value lower than He-Ne laser wavelength, 6328 Å, used for usual alignments). Although the tokamak discharges are not the ideal ones, a good advance has been obtained in this work, mainly after the study, using a partial pressure analyzer, of the vacuum chamber residual gas. However, oscillations detected in loop voltage and optical signals seems to be related with a plasma/limiter interaction, resulting in a higher plasma density and lower temperature throughout the discharge. The ion temperature determinations (HeI and HeII in helium plasma, and OII, CIII and CIV in hydrogen plasma) have been done by Doppler broadening line measurements. In glow discharges, from the HeI spectra, the ion temperature reached a few eV, and in tokamak discharges its mean temperature calculated (up to 6.2 ms) was 28,9 eV. The HeII measurements, realized with a worse base pressure (~ 10 -6 Torr), lead to lower temperatures, bellow 20 eV up to 5.3 ms. The temperature calculated from impurities were: OII ~ 20-30 eV; CIII - up to 50 eV; and from CIV, at least 60-80 eV. The La(1216 Å) profile has been also measured, but the hydrogen temperature was not calculated, due to the VUV spectrometer instrumental broadening. Nevertheless, the Balmer and Lyman series emissions have been compared, as a first test for particle confinement time calculations. By the measurements of impurity lines (CII 904 Å), the lower wavelength detectable by our VUV spectrometer is found to be about 900 Å. Also, the temporal profile of carbon lines, with different degrees of ionization, have been compared in glow discharges. This thesis work is the first realized in NOVA-UNICAMP tokamak, former NOVA II tokamak from Kyoto University - Japan, after its installation during the visit of Prof. Dr. Masayuki Fukao in our Plasma Laboratory / Mestrado / Física / Mestre em Física

Usamos a teoria quase-linear para estudar os efeitos do transporte radial de partículas na eficiência da geração de corrente por ondas do tipo híbrida inferior (lower hybrid ou LH), em um tokamak modelado como uma lâmina. Nossos resultados numéricos foram obtidos com cinco diferentes modelos do termo de transporte e indicaram que embora a potência absorvida e a corrente gerada possam ser modificadas por efeito do transporte, a proporção de variação dessas quantidades não é muito sensível a uma forma particular do termo de transporte. Na formulação quase-linear utilizada, a evolução no tempo da função distribuição de elétrons, em um dado ponto da geometria de lâmina proposta, ocorre sob a ação de ondas do tipo híbrida inferior, colisões e transporte, e é descrita pela seguinte equação: 8rfe = (8rfehH + (8rfe)COL + (8rfeh . Oterceiro termo pretende demonstrar a natureza e a magnitude dos efeitos de transporte, e é dado pela seguinte forma: (8rfeh = 8s [DT(S) 8sie] , com um coeficiente para difusão espacial dependente de posição. Utilizamos cinco formas totalmente arbitrárias para a dependência de posição, com as quais pretendemos verificar a sensibilidade do processo de geração de corrente a aspectos do termo de difusão.

Neste trabalho foi feito um estudo do perfil tomográfico da emissão da linha do átomo de hidrogênio, H-alfa (?=656,28 nm) no plasma do TCABR, um tokamak de porte médio em operação no Laboratório de Física de Plasmas do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Nosso trabalho centrou-se no estudo dos efeitos da introdução de um eletrodo polarizado na borda do plasma no tokamak TCABR. O eletrodo pode ser introduzido até 1,5 cm para dentro da coluna do plasma, sem causar disrupturas para polarização positiva de 0 até +350V, e situado no plano equatorial do tokamak. Perfis tomográficos de H-alfa com e sem polarização foram medidos. A comparação dos perfis mostra um aumento da densidade de linha na posição central, quando a emissividade H-alfa diminui. A análise dos perfis tomográficos de H-alfa, tempo de confinamento das partículas e também do estudo de reciclagem das partículas neutras, indica que o plasma entra no regime de alto confinamento (modo-H). Cálculos de turbulência e de transporte na borda do plasma (SOL), feitos medindo o potencial flutuante e a corrente de saturação de íons, mostram uma diminuição forte no espectro de potência e de transporte. Também foram feitos estudos do novo regime de descargas com elétrons fugitivos (\"runaway electron\"), descoberto no tokamak TCABR. As características distintivas deste regime são um plasma de baixa temperatura fracamente ionizado, destacado do limitador devido a processos de recombinação, e instabilidade de relaxação com fortes picos de emissão H-alfa correlacionados com instabilidade dente de serra da densidade eletrônica de linha. No presente trabalho fazemos a descrição das condições experimentais para a geração destas descargas. A produção dos elétrons fugitivos é analisada; mostrando que a geração de elétrons fugitivos somente pode ser explicada pelo mecanismo de avalanche. A confirmação de baixa temperatura do plasma é obtida de uma análise do perfil tomográfico da emissão H-alfa. Esta emissão não pode ser explicada por excitação de elétrons no plasma. A recombinação, de outro lado, dá uma explicação plausível para a dependência temporal da emissão, em particular para alta densidade de partículas neutras. / A study of the tomography profile of the emission of the line of Hydrogen, atomic H-alpha line (?=656.28 nm), was carried out in TCABR, a medium-size tokamak in operation at the Laboratory of Plasma Physics of the Institute of Physics of the University of São Paulo. Our work focuses on the study of the effects of due to the introduction of a biased electrode in the plasma edge of the TCABR tokamak. The electrode could be introduced up to 1.5 cm inside the plasma, without plasma disruptions for positive voltages from 0 to +350V, and was located on the equatorial plane of the plasma column. Tomography profiles of H-alpha with and without bias were measured. Comparison of the profiles shows an increase of the central line-averaged density, while the emissivity of the line H-alpha decreases. The analysis of the tomography profiles of H-alpha, time of confinement of particles and also the study of recycling of the neutral particles, indicate that the confined plasma enters the H-mode regime. Calculations of turbulence and transport at the Scrape-Off-Layer, using measured floating potentials and ion saturation currents, show a strong decrease in the power spectra and transport. The H-alpha tomography was also employed to study the new regime of runaway discharges that has been discovered in the TCABR tokamak. The distinctive features of this regime are weakly ionized low-temperature plasma detached from the limiter due to the recombination process, and a relaxation instability with strong spikes of H-alpha emission correlated with sawtooth relaxation of the line density. In the present thesis we report experimental data on conditions for generation of these discharges. The runaway electron production is analyzed; show that generation of runaway electrons can only be explained by the runaway avalanche mechanism. The confirmation of low plasma temperature is a obtained from an analysis of the tomography profile of H-alpha emission. This emission cannot be explained by excitation by plasma electrons. Recombination, on the other hand, gives a rather plausible explanation for the time dependency of the emission, in particular at high neutral densities.

Orientador: Munemasa Machida / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T16:44:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daltrini_AndreMascia_D.pdf: 5806567 bytes, checksum: dc8d9fe4448686f75e4098a8b6b0ee39 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Apresentamos nessa tese uma gama variada de trabalhos ligados à espectroscopia em plasmas confinados magneticamente. Discutimos desde a aplicabilidade de modelos atômicos às medidas espectroscópicas, até técnicas de calibração absoluta dos espectrômetros e determinação de diversos parâmetros do plasma de hidrogênio confinado no tokamak NOVA-UNICAMP. Para tais medidas utilizamos dois espectrômetros, um no visível e outro no ultravioleta do vácuo (UVV), junto com outros diagnósticos instalados em nossa máquina. Para a utilização com o espectrômetro no UVV, foi ainda adquirido um detector multicanal, constituído basicamente de uma placa MCP acoplada a um CCD, permitindo assim desenvolver um diagnóstico bastante sofisticado em nossa máquina. Apresentamos com detalhes os processos de instalação e ajustes dos equipamentos utilizados. Destacamos os processos de calibração absoluta por diferentes métodos: lâmpada padrão, medidas de pares espectrais (branching ratio) e, como novidade, as medidas de pares espectrais e posterior cálculo da densidade do estado fundamental (dependente da temperatura). Comparamos a precisão de cada método, bem como suas aplicabilidades. Desenvolvemos também um novo método mais preciso para medidas de tempo de confinamento de partículas (t p), comparando várias emissões do hidrogênio, e fazendo um ajuste das tabelas de Johnson Hinnov para parâmetros mais apropriados para o nosso plasma. Como resultados, obtivemos como valores de t p 1,35 e 2 ms (para descargas diferentes). Mais importante do que calcular t p foi também determinar os valores de densidade e temperatura eletrônicas médias pela emissão do hidrogênio, e assim obter o melhor perfil radial dessas grandezas. Através das medidas do valor absoluto das emissões espectrais e do alargamento de suas linhas, calculamos a densidade e temperatura iônica das principais impurezas do plasma. Como resultados, observamos o oxigênio como principal impureza (seguido do carbono), com destaque para a presença de OIII, OIV e OV, além do OVI na segunda metade da descarga. Como temperaturas iônicas típicas, obtivemos valores entre 30 e 60 eV (sem uma diferença acentuada no valor entre os íons de maior e menor ionização). Comparamos a medida de Zeff por três métodos: radiação contínua do plasma, soma das densidades iônicas e fórmula de Sptizer. Para o primeiro método calculamos com precisão os valores do fator de Gaunt e incluímos efeitos de recombinação eletrônica. Contudo, os valores resultantes pelas medidas não se mostraram confiáveis, evidenciando a existência de outras fontes (que atribuímos à interação do plasma com a superfície da câmara) para a radiação medida. Já os outros dois métodos, principalmente na parte intermediária da corrente de plasma, apresentaram resultados próximos, com valor entre 2 e 2,5. Por fim, também analisamos como as descargas de limpeza e descargas com plasma de He influenciam nas condições de nosso plasma. Observamos uma grande dessorção de hidrogênio nos filmes de titânio no interior da câmara, depositados por sublimadores utilizados anteriormente na máquina, o que leva a um grande fluxo de hidrogênio durante a descarga, piorando as condições do plasma / Abstract: In this thesis we present results on a wide variety of experiments related to magnetically confined plasma spectroscopy. We discuss the applicability of atomic models to our spectroscopy measurements, spectrometers absolute calibration, as well as the determination of many parameters of the plasma confined in the tokamak NOVA-UNICAMP. For these measurements, we have used two spectrometers, one at visible spectra and the other in the vacuum ultraviolet (VUV) spectra, together with other diagnosis installed in our machine. We have acquired a multichannel detector, consisted basically on a MCP plate connected to a CCD device, for VUV spectrometer, which allowed a very sophisticated diagnosis in our machine. We present in detail the installation and the adjusting process of the above mentioned spectroscopic devices. In this topic, we emphasize the absolute calibration process for different methods: standard lamp, spectral pairs measurements (branching ratio), and as an innovation, the spectral pairs measurements calculating the ground state density (as a function of the temperature). We compare the precision of each method, as well as their applicability. We have developed a new method to obtain more accurate particle confinement time ( t p ) measurements, comparing some hydrogen emissions and the appropriated parameters in Johnson and Hinnov¿s tables for our plasma. As a result, we have obtained 1.35 and 2 ms for t p values (in different discharges). More important than calculating t p is the possibility to determine the mean electron density and electron temperature by hydrogen emission (from which we obtain the best radial profiles for these parameters). By the measurements of the absolute emission values and the broadening of these lines, we have calculated the ion density and the ion temperature respectively of the main plasma impurities. We have observed that the oxygen was the main impurity (followed by carbon), as represented by the presence of OIII, OIV and OV, besides the OVI in the second half of the discharge. As typical ion temperatures, we have obtained values between 30 and 60 eV (without any accentuated difference in the values for higher and lower ionization level ions). We have compared the Zeff measurements by three methods: plasma continuous radiation, ion densities sum, and Sptizer formula. For the first method, we have calculated precise gaunt factor values and we have included electronic recombination effects. However, the resulting values for these measurements did not show to be reliable, evidencing the existence of other possible sources (attributed to plasma/wall surface interaction) for the radiation measured. The other two methods have showed close results, mainly in the intermediated times of plasma currents, with values between 2 and 2.5. Finally, we have also analyzed how discharges cleaning and helium discharges influence our plasma conditions. We have observed a great hydrogen dessorption from titanium films in the inner wall vessel, which leads to a great hydrogen flux during the discharge, worsening considerably the plasma conditions / Doutorado / Física / Doutor em Ciências