Published March 17, 2009 | Version v1
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Neutron scattering on magnetic nanostructures

Description

The thesis describes measurements of the scrape-off layer (SOL) ion temperature Ti with a retarding field analyzer (RFA) in the limiter tokamak Tore Supra. In the first chapter, some well known facts about nuclear fusion, limiter SOL, Langmuir probes, etc. are briefly recalled. Various diagnostics for SOL Ti measurements developed in the past are addressed as well. The second chapter is dedicated to the RFA. The principle of the RFA, technical details and operation of the Tore Supra RFA, and the influence of instrumental effects on RFA measurements are addressed. In the third chapter, the experimental results are presented in the form of papers published (or submitted for publication) during the thesis. Some research that was not completed at the time of writing is summarized in the last chapter. Considerable emphasis is placed on study of the instrumental effects of RFAs and their influence on Ti measurements. In general, the influence of instrumental effects on Ti measurements is found to be relatively small. Selective ion transmission through the RFA slit is found to be responsible for an overestimation of Ti by less than 14% even for relatively thick slit plates. The effect of positive space charge inside the analyzer, the influence of the electron repelling grid, the misalignment of the probe head with respect to the magnetic field, and the attenuation of the incident ion current by some of the probe components on Ti measurements is negligible. The instrumental study is followed by systematic measurements of Ti (as well as other parameters) in the Tore Supra SOL. This includes the scaling of SOL temperatures and electron density with the main plasma parameters (such as the plasma density, toroidal magnetic field, working gas, and the radiated power fraction). Except at very high densities or in detached plasmas, SOL Ti is found to be higher than Te by up to a factor of 7. While SOL Ti is found to vary by almost two orders of magnitude, following the variation of the core temperatures, SOL Te changes only little and seems to be decoupled from the core plasma. The first continuous Ti/Te profile from the edge of the confined plasma into the SOL is constructed using data from different tokamaks. It is shown that Ti/Te>1 in the SOL but also in the confined plasma, and increases with radius. Measurements of edge Ti/Te in JET L-mode are analyzed. The first evidence of poloidal asymmetry of the radial ion and electron energy transport in the SOL is reported. Implications for ITER start-up phase are discussed. Correlation of the asymmetries of SOL Ti and Te measured from both directions along the magnetic field lines with changes of the parallel Mach number is studied. SOL Ti was measured for the first time in Tore Supra by charge exchange recombination spectroscopy (CXRS) and compared to RFA data. A factor of 4 higher Ti measured by CXRS is a subject of further analysis. The segmented tunnel probe (STP) for fast measurements of SOL Ti and Te has been designed, built, calibrated by particle simulations, and used for the first time in a large tokamak. Preliminary results from the STP measurements in Tore Supra are presented. The disagreement between the currents to the probe electrodes predicted by simulations and the measurements is addressed. Large floating potentials measured by the side of the probe connected to the ICRH antenna are reported. (author)

Abstract (French)

La these decrit les mesures de la temperature de l'ion Ti dans le plasma peripherique a l'aide d'une sonde Analyseur a Retard de Champ (RFA) installee sur le Tokamak Tore Supra. Dans le premier chapitre, quelques faits bien connus sur la fusion nucleaire, le plasma peripherique, les sondes de Langmuir, etc. sont brievement rappeles. Differents diagnostics pour les mesures de la temperature de l'ion Ti dans le plasma peripherique developpes dans le passe sont egalement abordes. Le deuxieme chapitre est consacre a la sonde Analyseur a Retard de Champ. Le principe du RFA, les details techniques et le fonctionnement de la sonde Analyseur a Retard de Champ (RFA) installee sur le Tokamak Tore Supra, ainsi que l'influence des effets instrumentaux sur les mesures RFA sont abordes. Dans le troisieme chapitre, les resultats experimentaux sont presentes sous la forme d'articles publies (ou soumis a publication) au cours de la these. Certaines recherches qui n'ont pas ete achevees au moment de la redaction sont resumees dans le dernier chapitre. Une importance considerable est accordee a l'etude des effets instrumentaux des RFA et de leur influence sur les mesures de Ti. En general, l'influence des effets instrumentaux sur les mesures de Ti est relativement faible. La transmission selective des ions a travers la fente RFA est responsable d'une surestimation du Ti de moins de 14%, meme pour des plaques de fente relativement epaisses. L'effet de la charge d'espace positive a l'interieur de l'analyseur, l'influence de la grille repoussant les electrons, le desalignement de la tete de la sonde par rapport au champ magnetique et l'attenuation du courant ionique incident par certains composants de la sonde sur les mesures de Ti sont negligeables. L'etude instrumentale est suivie de mesures systematiques du Ti (ainsi que d'autres parametres) dans le Tore Supra SOL. Cela inclut la mise a l'echelle des temperatures et de la densite electronique du SOL avec les principaux parametres du plasma (tels que la densite du plasma, le champ magnetique toroïdal, le gaz de travail et la fraction de puissance rayonnee). Sauf a des densites tres elevees ou dans des plasmas detaches, on constate que SOL Ti est plus eleve que Te d'un facteur allant jusqu'a 7. Alors que SOL Ti varie de pres de deux ordres de grandeur, suivant la variation des temperatures du coeur, SOL Te ne change que tres peu et semble etre decouple du plasma du coeur. Le premier profil Ti/Te continu depuis le bord du plasma confine dans le SOL est construit en utilisant des donnees provenant de differents tokamaks. Il est montre que Ti/Te>1 dans le SOL mais aussi dans le plasma confine, et qu'il augmente avec le rayon. Les mesures de Ti/Te en mode L du JET sont analysees. La premiere preuve de l'asymetrie poloïdale du transport radial de l'energie des ions et des electrons dans le SOL est rapportee. Les implications pour la phase de demarrage d'ITER sont discutees. La correlation des asymetries de SOL Ti et Te mesurees dans les deux directions le long des lignes de champ magnetique avec les changements du nombre de Mach parallele est etudiee. SOL Ti a ete mesure pour la premiere fois dans Tore Supra par spectroscopie de recombinaison des echanges de charges (CXRS) et compare aux donnees RFA. Un facteur 4 de Ti plus eleve mesure par CXRS fait l'objet d'une analyse plus approfondie. La sonde tunnel segmentee (STP) pour les mesures rapides de SOL Ti et Te a ete concue, construite, calibree par des simulations de particules et utilisee pour la premiere fois dans un grand tokamak. Les resultats preliminaires des mesures STP dans Tore Supra sont presentes. Le desaccord entre les courants aux electrodes de la sonde predits par les simulations et les mesures est aborde. Des potentiels flottants importants mesures par le cote de la sonde connecte a l'antenne ICRH sont rapportes

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Original title (English)
Diffusion de neutrons sur des nanostructures magnetiques

Publishing Information

Imprint Pagination
151 p.
Report number
FRCEA-TH--14976

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
54039638
Subject category
S71: CLASSICAL AND QUANTUM MECHANICS, GENERAL PHYSICS;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
MAGNETISM; NANOSTRUCTURES; NEUTRONS; REFLECTIVITY; SCATTERING; THIN FILMS
Descriptors DEC
BARYONS; ELEMENTARY PARTICLES; FERMIONS; FILMS; HADRONS; NUCLEONS; OPTICAL PROPERTIES; PHYSICAL PROPERTIES; SURFACE PROPERTIES

Optional Information

Notes
172 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses