Papers
Topics
Authors
Recent
2000 character limit reached

The Realization of a Gas Puff Imaging System on the Wendelstein 7-X Stellarator (2405.09705v1)

Published 15 May 2024 in physics.plasm-ph

Abstract: A system for studying the spatio-temporal dynamics of fluctuations in the boundary of the W7-X plasma using the Gas-Puff Imaging (GPI) technique has been designed, constructed, installed, and operated. This GPI system addresses a number of challenges specific to long-pulse superconducting devices like W7-X, including the long distance between the plasma and the vacuum vessel wall, the long distance between the plasma and diagnostic ports, the range of last closed flux surface locations for different magnetic configurations in W7-X, and management of heat loads on the system's plasma-facing components. The system features a pair of "converging-diverging" nozzles for partially collimating the gas puffed locally $\approx$135 mm radially outboard of the plasma boundary, a pop-up turning mirror for viewing the gas puff emission from the side (also acting as a shutter for the re-entrant vacuum window), and a high-throughput optical system that collects visible emission resulting from the interaction between the puffed gas and the plasma and directs it along a water-cooled re-entrant tube directly onto the 8 x 16 pixel detector array of the fast camera. The DEGAS 2 neutrals code was used to simulate the H$_\alpha$ (656 nm) and the HeI (587 nm) line emission expected from well-characterized gas-puffs of H$_2$ and He and excited within typical edge plasma profiles in W7-X, thereby predicting line brightnesses used to reduce the risks associated with system sensitivity and placement of the field of view. Operation of GPI on W7-X shows excellent signal to noise ratios (>100) over the field of view for minimally perturbing gas puffs. The GPI system provides detailed measurements of the 2-dimensional (radial and poloidal) dynamics of plasma fluctuations in the W7-X edge, scrape-off layer, and in and around the magnetic islands that make up the island divertor configuration employed on W7-X.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (66)
  1. S. F. Paul and R. J. Fonck, “Neutral beam emission spectroscopy diagnostic for measurement of density fluctuations on the tftr tokamak,” Review of scientific instruments 61, 3496–3500 (1990).
  2. G. McKee, R. Ashley, R. Durst, R. Fonck, M. Jakubowski, K. Tritz, K. Burrell, C. Greenfield, and J. Robinson, “The beam emission spectroscopy diagnostic on the diii-d tokamak,” Review of Scientific Instruments 70, 913–916 (1999).
  3. G. Cima, B. Deng, C. W. Dormer, W. R. Geck, R. P. Hsia, C. Liang, F. Jiang, N. C. Luhmann Jr, and D. Brower, “Ece imaging on text-u,” Fusion engineering and design 34, 515–518 (1997).
  4. B. H. Deng, C. W. Domier, N. C. Luhmann Jr, D. L. Brower, A. J. Donné, T. Oyevaar, and M. J. van de Pol, “Electron cyclotron emission imaging diagnostic of te profiles and fluctuations,” Physics of Plasmas 8, 2163–2169 (2001).
  5. B. Tobias, C. W. Domier, T. Liang, X. Kong, L. Yu, G. S. Yun, H. K. Park, I. G. Classen, J. E. Boom, A. J. Donné, et al., “Commissioning of electron cyclotron emission imaging instrument on the diii-d tokamak and first data,” Review of Scientific Instruments 81 (2010).
  6. E. Mazzucato, “Microwave imaging reflectometry for the visualization of turbulence in tokamaks,” Nuclear Fusion 41, 203 (2001).
  7. T. Munsat, E. Mazzucato, H. Park, B. H. Deng, C. W. Domier, N. C. Luhmann Jr, J. Wang, Z. G. Xia, A. J. Donné, and M. van de Pol, “Microwave imaging reflectometer for textor,” Review of scientific instruments 74, 1426–1432 (2003).
  8. J. L. Terry, R. Maqueda, C. S. Pitcher, S. J. Zweben, B. LaBombard, E. S. Marmar, A. Y. Pigarov, and G. Wurden, “Visible imaging of turbulence in the sol of the alcator c-mod tokamak,” Journal of Nuclear Materials 290, 757–62 (2001).
  9. R. J. Maqueda, G. A. Wurden, S. Zweben, L. Roquemore, H. Kugel, D. Johnson, S. Kaye, S. Sabbagh, and R. Maingi, “Edge turbulence measurements in nstx by gas puff imaging,” Review of Scientific Instruments 72, 931–934 (2001).
  10. S. J. Zweben, R. J. Maqueda, D. P. Stotler, A. Keesee, J. Boedo, C. E. Bush, S. M. Kaye, B. LeBlanc, J. L. Lowrance, V. J. Mastrocola, R. Maingi, N. Nishino, G. Renda, D. W. Swain, J. B. Wilgen, and N. S. Team, “High-speed imaging of edge turbulence in nstx,” Nuclear Fusion 44, 134–153 (2004).
  11. I. Cziegler, J. L. Terry, J. W. Hughes, and B. LaBombard, “Experimental studies of edge turbulence and confinement in alcator c-mod,” Physics of Plasmas 17, 056120 (8 pp.) (2010).
  12. G. Fuchert, G. Birkenmeier, D. Carralero, T. Lunt, P. Manz, H. W. Müller, B. Nold, M. Ramisch, V. Rohde, U. Stroth, and the ASDEX Upgrade Team, “Blob properties in l- and h-mode from gas-puff imaging in asdex upgrade,” Plasma Physics and Controlled Fusion 56, 125001 (2014).
  13. I. Shesterikov, Y. Xu, M. Berte, P. Dumortier, M. Van Schoor, M. Vergote, B. Schweer, and G. Van Oost, “Development of the gas-puff imaging diagnostic in the textor tokamak,” Review of Scientific Instruments 84 (2013).
  14. S. C. Liu, L. M. Shao, S. J. Zweben, G. S. Xu, H. Y. Guo, B. Cao, H. Q. Wang, L. Wang, N. Yan, S. B. Xia, et al., “New dual gas puff imaging system with up-down symmetry on experimental advanced superconducting tokamak,” Review of Scientific Instruments 83 (2012).
  15. N. Offeddu, C. Wüthrich, W. Han, C. Theiler, T. Golfinopoulos, J. L. Terry, E. Marmar, C. Galperti, Y. Andrebe, B. P. Duval, et al., “Gas puff imaging on the tcv tokamak,” Review of Scientific Instruments 93 (2022).
  16. M. Agostini, R. Cavazzana, P. Scarin, and G. Serianni, “Operation of the gas-puff imaging diagnostic in the rfx-mod device,” Review of scientific instruments 77 (2006).
  17. S. J. Zweben, J. L. Terry, D. P. Stotler, and R. J. Maqueda, “Invited review article: Gas puff imaging diagnostics of edge plasma turbulence in magnetic fusion devices,” Review of Scientific Instruments 88, 041101 (2017).
  18. T. Klinger, T. Andreeva, S. Bozhenkov, C. Brandt, R. Burhenn, B. Buttenschön, G. Fuchert, B. Geiger, O. Grulke, H. P. Laqua, et al., “Overview of first wendelstein 7-x high-performance operation,” Nuclear Fusion 59, 112004 (2019).
  19. R. C. Wolf, A. Alonso, S. Äkäslompolo, J. Baldzuhn, M. Beurskens, C. D. Beidler, C. Biedermann, H.-S. Bosch, S. Bozhenkov, R. Brakel, et al., “Performance of wendelstein 7-x stellarator plasmas during the first divertor operation phase,” Physics of Plasmas 26 (2019).
  20. O. Grulke, C. Albert, J. A. Alcuson Belloso, P. Aleynikov, K. Aleynikova, A. Alonso, G. Anda, T. Andreeva, M. Arvanitou, E. Ascasibar, et al., “Overview of the first wendelstein 7-x long pulse campaign with fully water-cooled plasma facing components,” submitted to Nuclear Fusion  (2024).
  21. S. J. Zweben, J. R. Myra, W. M. Davis, D. A. D’Ippolito, T. K. Gray, S. M. Kaye, B. P. LeBlanc, R. J. Maqueda, D. A. Russell, D. P. Stotler, et al., “Blob structure and motion in the edge and sol of nstx,” Plasma Physics and Controlled Fusion 58, 044007 (2016).
  22. F. Militello and J. T. Omotani, “Scrape off layer profiles interpreted with filament dynamics,” Nuclear Fusion 56, 104004 (2016).
  23. O. E. Garcia, S. M. Fritzner, R. Kube, I. Cziegler, B. LaBombard, and J. L. Terry, “Intermittent fluctuations in the alcator c-mod scrape-off layer,” Physics of Plasmas 20, 055901 (2013).
  24. D. A. D’Ippolito, J. R. Myra, and S. J. Zweben, “Convective transport by intermittent blob-filaments: Comparison of theory and experiment,” Physics of Plasmas 18, 060501 (2011), https://pubs.aip.org/aip/pop/article-pdf/doi/10.1063/1.3594609/13458678/060501_1_online.pdf .
  25. A. Diallo, S. Banerjee, S. J. Zweben, and T. Stoltzfus-Dueck, “Energy exchange dynamics across l–h transitions in nstx,” Nuclear Fusion 57, 066050 (2017).
  26. G. S. Xu, L. M. Shao, S. C. Liu, H. Q. Wang, B. N. Wan, H. Y. Guo, P. H. Diamond, G. R. Tynan, M. Xu, S. J. Zweben, et al., “Study of the l–i–h transition with a new dual gas puff imaging system in the east superconducting tokamak,” Nuclear Fusion 54, 013007 (2013).
  27. M. Lampert, A. Diallo, J. R. Myra, and S. J. Zweben, “Dynamics of filaments during the edge-localized mode crash on NSTX,” Physics of Plasmas 28, 022304 (2021), https://pubs.aip.org/aip/pop/article-pdf/doi/10.1063/5.0031322/14933125/022304_1_online.pdf .
  28. J. L. Terry, N. P. Basse, I. Cziegler, M. Greenwald, O. Grulke, B. LaBombard, S. J. Zweben, E. M. Edlund, J. W. Hughes, L. Lin, et al., “Transport phenomena in the edge of alcator c-mod plasmas,” Nuclear Fusion 45, 1321 (2005).
  29. I. Cziegler, G. R. Tynan, P. H. Diamond, A. E. Hubbard, J. W. Hughes, J. Irby, and J. L. Terry, “Zonal flow production in the l–h transition in alcator c-mod,” Plasma Physics and Controlled Fusion 56, 075013 (2014).
  30. I. Cziegler, P. H. Diamond, N. Fedorczak, P. Manz, G. R. Tynan, M. Xu, R. M. Churchill, A. E. Hubbard, B. Lipschultz, J. M. Sierchio, J. L. Terry, and C. Theiler, “Fluctuating zonal flows in the i-mode regime in alcator c-mod,” Physics of Plasmas 20, 055904 (2013).
  31. S. Zoletnik, G. Anda, C. Biedermann, A. D. Carralero, G. Cseh, D. Dunai, C. Killer, G. Kocsis, A. Krämer-Flecken, M. Otte, B. Shanahan, T. Szepesi, M. Vecsei, and L. Zsuga, “Multi-diagnostic analysis of plasma filaments in the island divertor,” Plasma Physics and Controlled Fusion 62, 014017 (2019).
  32. C. Killer, B. Shanahan, O. Grulke, M. Endler, K. Hammond, and L. Rudischhauser, “Plasma filaments in the scrape-off layer of wendelstein 7-x,” Plasma Physics and Controlled Fusion 62, 085003 (2020).
  33. P. Huslage, G. Birkenmeier, B. Shanahan, and C. Killer, “Coherence of turbulent structures with varying drive in stellarator edge plasmas,” Plasma Physics and Controlled Fusion 66, 015006 (2023).
  34. C. Killer, Y. Narbutt, O. Grulke, et al., “Turbulent transport in the scrape-off layer of wendelstein 7-x,” Nuclear Fusion 61, 096038 (2021).
  35. S. C. Liu, Y. Liang, P. Drews, A. Krämer-Flecken, X. Han, D. Nicolai, G. Satheeswaran, N. C. Wang, J. Q. Cai, A. Charl, et al., “Observations of the effects of magnetic topology on the sol characteristics of an electromagnetic coherent mode in the first experimental campaign of w7-x,” Nuclear fusion 58, 046002 (2018).
  36. X. Han, A. Krämer-Flecken, T. Windisch, M. Hirsch, G. Fuchert, J. Geiger, O. Grulke, S. Liu, and K. Rahbarnia, “Experimental characterization of a quasi-coherent turbulent structure in the edge plasma in wendelstein 7-x,” Nuclear Fusion 60, 016011 (2019).
  37. A. Krämer-Flecken, X. Han, M. Otte, G. Anda, S. A. Bozhenkov, D. Dunai, G. Fuchert, J. Geiger, O. Grulke, E. Pasch, et al., “Investigation of turbulence rotation in the sol and plasma edge of w7-x for different magnetic configurations,” Plasma Science and Technology 22, 064004 (2020).
  38. S. B. Ballinger, J. L. Terry, S. G. Baek, M. Beurskens, K. J. Brunner, G. Fuchert, J. Knauer, C. Killer, E. Pasch, K. Rahbarnia, et al., “Dynamics and dependencies of the configuration-dependent 1–2 khz fluctuation in w7-x,” Nuclear Materials and Energy 27, 100967 (2021).
  39. A. Mathews, J. L. Terry, S. G. Baek, J. W. Hughes, A. Q. Kuang, B. LaBombard, M. A. Miller, D. Stotler, D. Reiter, W. Zholobenko, and M. Goto, “Deep modeling of plasma and neutral fluctuations from gas puff turbulence imaging,” Review of Scientific Instruments 93, 063504 (2022), https://pubs.aip.org/aip/rsi/article-pdf/doi/10.1063/5.0088216/16632434/063504_1_online.pdf .
  40. Y. Gao, J. Geiger, M. W. Jakubowski, P. Drewelow, M. Endler, K. Rahbarnia, S. Bozhenkov, M. Otte, Y. Suzuki, Y. Feng, H. Niemann, F. Pisano, A. Ali, A. P. Sitjes, M. Zanini, H. Laqua, T. Stange, S. Marsen, T. Szepesi, D. Zhang, C. Killer, K. Hammond, S. Lazerson, B. Cannas, H. Thomsen, T. Andreeva, U. Neuner, J. Schilling, A. Knieps, M. Rack, Y. Liang, and the W7-X Team, “Effects of toroidal plasma current on divertor power depositions on wendelstein 7-x,” Nuclear Fusion 59, 106015 (2019).
  41. D. Dunai, S. Zoletnik, J. Sárközi, and A. R. Field, “Avalanche photodiode based detector for beam emission spectroscopy,” Review of Scientific Instruments 81, 103503 (2010), https://pubs.aip.org/aip/rsi/article-pdf/doi/10.1063/1.3488458/15978918/103503_1_online.pdf .
  42. https://fusioninstruments.com, accessed: 02.26.2024.
  43. https://www.hamamatsu.com/us/en/product/optical-sensors/apd/si-apd-array/S8550-02.html, accessed: 02.29.2024.
  44. https://www.chroma.com/products, accessed: 02.26.2024.
  45. P. Drews, Y. Liang, S. Liu, A. Krämer-Flecken, O. Neubauer, J. Geiger, M. Rack, D. Nicolai, O. Grulke, C. Killer, et al., “Measurement of the plasma edge profiles using the combined probe on w7-x,” Nuclear fusion 57, 126020 (2017).
  46. C. Killer, O. Grulke, P. Drews, Y. Gao, M. Jakubowski, A. Knieps, D. Nicolai, H. Niemann, A. P. Sitjes, G. Satheeswaran, and W.-X. Team, “Characterization of the w7-x scrape-off layer using reciprocating probes,” Nuclear Fusion 59, 086013 (2019).
  47. https://www.vacom.net/de/vpcf100uvq-l-nm.html, accessed: 02.26.2024.
  48. https://www.ansys.com/products/optics/ansys-zemax-opticstudio, accessed: 02.26.2024.
  49. https://www.mks.com/f/121a-heated-absolute-pressure-transmitter (a), accessed: 02.26.2024.
  50. https://www.mks.com/c/industrial-differential-pressure-transducers (b), accessed: 02.26.2024.
  51. V. A. Soukhanovskii, H. W. Kugel, R. Kaita, R. Majeski, and A. L. Roquemore, “Supersonic gas injector for fueling and diagnostic applications on the National Spherical Torus Experiment,” Review of Scientific Instruments 75, 4320–4323 (2004), https://pubs.aip.org/aip/rsi/article-pdf/75/10/4320/8814458/4320_1_online.pdf .
  52. S. Collis, J. Howard, B. D. Blackwell, P. Carlsson, M. Abelsson, and B. Powell, “A supersonic gas injection system for fuelling and probing fusion plasmas,” Plasma Sources Science and Technology 15, 797 (2006).
  53. M. Griener, O. Schmitz, K. Bald, D. Bösser, M. Cavedon, P. De Marné, T. Eich, G. Fuchert, A. Herrmann, A. Kappatou, T. Lunt, V. Rohde, B. Schweer, M. Sochor, U. Stroth, A. Terra, E. Wolfrum, and A. U. Team, “Fast piezoelectric valve offering controlled gas injection in magnetically confined fusion plasmas for diagnostic and fuelling purposes,” Review of Scientific Instruments 88, 033509 (2017), https://pubs.aip.org/aip/rsi/article-pdf/doi/10.1063/1.4978629/16077567/033509_1_online.pdf .
  54. J. D. Anderson, Modern compressible flow: with historical perspective - Chapter 5, Vol. 12 (McGraw-Hill New York, 1990).
  55. O. Schmitz, Y. Feng, M. Jakubowski, R. König, M. Krychowiak, M. Otte, F. Reimold, T. Barbui, C. Biedermann, S. Bozhenkov, S. Brezinsek, B. Buttenschön, K. Brunner, P. Drewelow, F. Effenberg, E. Flom, H. Frerichs, O. Ford, G. Fuchert, Y. Gao, D. Gradic, O. Grulke, K. C. Hammond, U. Hergenhahn, U. Höfel, J. Knauer, P. Kornejew, T. Kremeyer, H. Niemann, E. Pasch, A. Pavone, V. Perseo, L. Rudischhauser, G. Schlisio, T. S. Pedersen, U. Wenzel, V. Winters, G. Wurden, D. Zhang, and the W7-X team, “Stable heat and particle flux detachment with efficient particle exhaust in the island divertor of wendelstein 7-x,” Nuclear Fusion 61, 016026 (2020).
  56. T. Kremeyer, R. König, S. Brezinsek, O. Schmitz, Y. Feng, V. Winters, L. Rudischhauser, B. Buttenschön, K. Brunner, P. Drewelow, E. Flom, G. Fuchert, Y. Gao, J. Geiger, M. Jakubowski, C. Killer, J. Knauer, M. Krychowiak, S. Lazerson, F. Reimold, G. Schlisio, H. Viebke, and the W7-X Team, “Analysis of hydrogen fueling, recycling, and confinement at wendelstein 7-x via a single-reservoir particle balance,” Nuclear Fusion 62, 036023 (2022).
  57. W. F. Louisos, A. A. Alexeenko, D. L. Hitt, and A. Zilic, “Design considerations for supersonic micronozzles,” International Journal of Manufacturing Research 3, 80–113 (2008).
  58. https://www.sglcarbon.com/pdf/SGL-Datasheet-SIGRAFLEX-APX2-APX-AP-A-Foil-EN.pdf, accessed: 02.26.2024.
  59. H. Bohlin, A. Von Stechow, K. Rahbarnia, O. Grulke, and T. Klinger, “VINETA II: A linear magnetic reconnection experiment,” Review of Scientific Instruments 85, 023501 (2014), https://pubs.aip.org/aip/rsi/article-pdf/doi/10.1063/1.4861359/13364889/023501_1_online.pdf .
  60. T. Schroeder, Dynamic Structures in Expanding Plasmas, Ph.D. thesis, Ernst-Moritz-Arndt Universität (2014).
  61. https://thermotive.com/standard_series.html, accessed: 02.26.2024.
  62. D. Stotler and C. Karney, “Neutral gas transport modeling with degas 2,” Contributions to Plasma Physics 34, 392–397 (1994), https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ctpp.2150340246 .
  63. B. LaBombard, “Kn1d: A 1-d space, 2-d velocity, kinetic transport algorithm for atomic and molecular hydrogen in an ionizing plasma,” PSFC Report RR-01-3  (2001), http://www1.psfc.mit.edu/∼similar-to\sim∼labombard/KN1D_Source_Info.html .
  64. D. Nicolai, V. Borsuk, P. Drews, O. Grulke, K. Hollfeld, T. Krings, Y. Liang, C. Linsmeier, O. Neubauer, G. Satheeswaran, B. Schweer, and G. Offermanns, “A multi-purpose manipulator system for w7-x as user facility for plasma edge investigation,” Fusion Engineering and Design 123, 960–964 (2017), proceedings of the 29th Symposium on Fusion Technology (SOFT-29) Prague, Czech Republic, September 5-9, 2016.
  65. J. W. Oosterbeek et al., “Microwave stray radiation measurement techniques,” Submitted to the 33rd Symposium on Fusion Technology (SOFT 2025) Dublin Sept. 2024.
  66. K. J. Brunner, T. Akiyama, M. Hirsch, J. Knauer, P. Kornejew, B. Kursinski, H. Laqua, J. Meineke, H. T. Mora, and R. C. Wolf, “Real-time dispersion interferometry for density feedback in fusion devices,” Journal of Instrumentation 13, P09002 (2018).
Citations (2)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now

Whiteboard

Paper to Video (Beta)

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 0 likes about this paper.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up for Free