Hydrogen Spectral Line Shape Formation in the SOL of Fusion Reactor Plasmas

Abstract

The problems related to the spectral line-shape formation in the scrape of layer (SOL) in fusion reactor plasma for typical observation chords are considered. The SOL plasma is characterized by the relatively low electron density (10 12-10 13 cm −3) and high temperature (from 10 eV up to 1 keV). The main effects responsible for the line-shape formation in the SOL are Doppler and Zeeman effects. The main problem is a correct modeling of the neutral atom velocity distribution function (VDF). The VDF is determined by a number of atomic processes, namely: molecular dissociation, ionization and charge exchange of neutral atoms on plasma ions, electron excitation accompanied by the charge exchange from atomic excited states, and atom reflection from the wall. All the processes take place step by step during atom motion from the wall to the plasma core. In practice, the largest contribution to the neutral atom radiation emission comes from a thin layer near the wall with typical size 10-20 cm, which is small as compared with the minor radius of modern devices including international test experimental reactor ITER (radius 2 m). The important problem is a strongly non-uniform distribution of plasma parameters (electron and ion densities and temperatures). The distributions vary for different observation chords and ITER operation regimes. In the present report, most attention is paid to the problem of the VDF calculations. The most correct method for solving the problem is an application of

Analysis of Accuracy of Measuring the Flux Density of All Hydrogen Isotopes From First Wall to Plasma Using the H-Alpha Diagnostics in Iter

“…Последнее невозможно выполнить в условиях ИТЭР из-за проблемы РДС, которая для молекул ещё более существенна, чем для атомов (спектры свечения молекулы водорода намного сложнее выделить и интерпретировать, чем спектр свечения в бальмеровской линии атома). Баллистическая модель [10,11] позволяет находить потоки атомов и молекул водорода со стенки в плазму только по атомным спектрам (например, по спектрам линий бальмер-альфа), однако требует знания пространственных профилей плотности и температуры плазмы в СОЛ с достаточно высокой абсолютной точностью и высоким пространственным разрешением [12]. Баллистическая модель позволяет в приближении плоского слоя в пристеночной плазме получить ФРС нейтральных молекул и атомов, одномерную по координате и проекции скорости на перпендикулярное к стенке направление.…”

“…Последовательная генерация вторичных, быстрых нейтралов обусловлена перезарядкой первичного потока нейтралов на ионах плазмы. Исходная версия баллистической модели, кратко описанная в [10,11], показала хорошее совпадение ФРС дейтерия с результатами расчётов кодом EIRENE [13,14] для горизонтальной хорды наблюдения. В дальнейшем баллистическая модель была модифицирована: обобщена на случай трёхизотопной смеси водорода, процесс неупругого отражения атомов от стенки сделан аналогичным таковому в EIRENE, и др.…”

“…Угол между хордой наблюдения № 4 верхнего обзора и нормалью к внутренней стенке камеры составляет 25º, аналогичный угол с нормалью к внешней стенке составляет 20º. Одномерная по координате и проекции скорости баллистическая модель [10,11] позволяет рассчитывать ФРС нейтральных атомов только в направлении, перпендикулярном стенке. Это означает, что для расчёта ФРС вдоль хорды наблюдения № 4 верхнего обзора, неперпендикулярной стенке, нужны дополнительные допущения о распределении атомов также и по продольной стенке проекции скорости.…”

Influence of non-local thermodynamic equilibrium and Zeeman effects on magnetic equilibrium reconstruction using spectral motional Stark effect diagnostic

“…So for instance, it is an established fact that the Zeeman effect, or more precisely the Paschen-Back effect, dominates the fine-structure splitting of the Balmer-α line emission at the plasma edge of fusion devices 27 . In case of Maxwellian distribution function of atoms every magnetic component of the spectral line is described using a Doppler profile taking into account the different source of excited atoms 27,28 . In the case of MSE measurements the emissions takes place predominantly in the static crossed electric and magnetic fields, being a subject of studies for high Rydberg states 26,29 .…”

Special Issue on Spectral Line Shapes in Plasmas

“…In the article of Omar et al [12], the authors use a few theoretical methods and computer simulations to calculate the shapes of a He I line and compare them to experimental line profiles, allowing inference of the plasma parameters. Lisitsa et al [13] introduce a new method able to describe penetration of a neutral atomic beam into low-density inhomogeneous fusion plasmas, and provide sample calculations suitable for ITER diagnostics. Spectral line features caused by Langmuir waves and charge-exchange processes are discussed by Dalimier et al [14], who also suggest several spectral lines for prospective studies of laser-produced plasmas.…”