The diamagnetic loop, wound in the azimuthal direction on a cylindrical plasma device, is a magnetic diagnostic that measures the diamagnetic flux, which is the reduced axial magnetic flux due to the plasma. It is widely utilized in evaluating the performance of the plasma since the measured diamagnetic flux can be used to estimate the stored energy within the plasma. In most laboratories, including the one utilized in this thesis, the generated plasma has significantly lower plasma pressure than the externally applied magnetic pressure. In this case, the diamagnetic flux is significantly lower than the externally applied background flux. Therefore, the removal of background flux is crucial in measuring diamagnetic flux, and a method to eliminate background flux is employed for the diamagnetic flux measurements.
This thesis presents the installation of three diamagnetic loops in the central chamber of the magnetic mirror device, KAIMIR, to measure the diamagnetic flux. The background flux removal method applied in this study utilizes two diamagnetic loops with different radii on the same plane to eliminate the background flux. Each diamagnetic loop measures the diamagnetic flux induced by the same plasma, while only the externally applied background flux is measured with varying magnitudes. Therefore, it is possible to remove the background flux by utilizing the differences in these measurements.
As mentioned earlier, since the diamagnetic flux in the plasma used in this study is expected to be a very small signal compared to the background flux, even subtle noise compared to the background flux can have a significant impact on the measurements. Therefore, efforts to reduce noise are necessary to ensure that the signal measured by the diamagnetic loop is sufficiently larger than the background noise. To reduce the background noise in the signal measured by the diamagnetic loop, two identical loops were measured with opposite polarities. Through this method, the induced signal in the loops has been successfully amplified by a factor of 2, and the parasitic capacitance noise arising from the external insulation of the loops has been reduced.
The diamagnetic flux was measured from three pairs through the installation of three diamagnetic loops, and the diamagnetic flux obtained from each pair was observed to be consistent within the uncertainties. This supports the validity of the diamagnetic flux measurements. Furthermore, the ion saturation current measured by the Langmuir probe was compared with the trend of the diamagnetic flux measured by the diamagnetic loop. Since the ion saturation current is proportional to n_e √(T_e ) and the diamagnetic flux is proportional to ⟨nT⟩, it was predicted that the values measured by the two diagnostics would have similar trends, and indeed, the observed similar trends confirmed the qualitative validity of the diamagnetic flux measurements. Additionally, the stored energy per length measured by the Langmuir probe was compared with the stored energy per length measured by the diamagnetic loop, based on the power applied to the plasma, the central magnetic field strength, and the changes in the magnetic field configuration. By confirming that the estimated values from each diagnostic were within their uncertainties, the plasma stored energy measurements using the developed diamagnetic loop in this study were quantitatively validated.
Meanwhile, under all experimental conditions conducted in this study, the internal energy per unit length measured by the diamagnetic loop was consistently larger than the energy measured by the Langmuir probe, although within their uncertainties. Possible causes for these results could include the influence of azimuthal magnetic energy and rotational energy in the azimuthal direction which are not considered when estimating stored energy from the diamagnetic flux, and ion energy. Additionally, the impact of energy from the plasma's outer region, which is ignored during Langmuir probe measurements, could also be a possible cause. The fact that the fractional difference between the two measurements stays at the similar level regardless of the applied power and central magnetic field strength suggests that the effects of azimuthal magnetic energy and rotational energy in the azimuthal direction, which are expected to vary with these two parameters, are relatively small. Therefore, it is speculated that the consistently larger measurements by the diamagnetic loop are attributed to the influence of ion energy and the energy from the plasma's outer region, which is ignored during Langmuir probe measurements.
원통형 플라즈마 장치에 방위각 방향으로 감겨진 반자성 루프는 플라즈마에 의해 줄어든 축 방향 자속인 반자성 자속을 측정하는 자기 진단계이다. 측정한 반자성 자속을 이용하여 플라즈마 내부에너지를 추정할 수 있기 때문에 반자성 루프는 플라즈마의 성능 평가에 많이 활용된다. 본 논문에서 활용한 플라즈마를 포함한 대부분의 연구실에서 생성한 플라즈마는 외부에서 인가한 자장 압력보다 플라즈마 압력이 매우 적은 편이다. 이 경우, 반자성 자속은 외부에서 인가한 자속인 배경 자속에 비해 매우 적은 양이기 때문에 배경 자속을 제거하는 작업이 반자성 자속 측정에 있어서 매우 중요하며, 이를 위해 별도의 배경 자속을 제거하는 방법이 주로 사용된다.
본 논문은 3 개의 반자성 루프를 자기 거울 장치인 KAIMIR의 중심 챔버에 설치하여 반자성 자속을 측정하였다. 이 때, 본 연구에서 사용한 배경 자속 제거 방법은 같은 평면에 반경이 서로 다른 반자성 루프로 배경 자속을 제거하는 방식이다. 각 반자성 루프는 동일한 플라즈마에 의한 반자성 자속을 측정하고, 외부에 인가한 배경 자속만 서로 다른 크기로 측정하기 때문에 이 차이를 이용하여 배경 자속 제거가 가능하다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이, 본 연구에서 활용한 플라즈마에서 반자성 자속은 배경 자속에 비해 매우 작은 신호일 것으로 예상되기 때문에, 배경 자속에 비해 미세한 크기의 잡음이라 할지라도 본 측정에 미치는 영향은 클 수 있다. 따라서 반자성 루프에 의해 측정된 신호가 배경 잡음에 비해 충분히 클 수 있도록 잡음을 줄이는 노력이 필요하다. 본 연구에서는 반자성 루프에 의해 측정된 신호의 배경 잡음을 줄이기 위해 극성만 반대인 두 개의 동일한 루프를 설치하여 그 차이를 측정함으로써, 루프에 유도된 신호는 2 배로 증폭시키고, 루프의 외부 절연체에 의해 비롯된 기생 용량 잡음을 감소시키는데 성공하였다.
설치한 3 개의 자속 루프를 통해 3 쌍으로부터 반자성 자속을 측정하였고 각 쌍에서 얻은 반자성 자속 크기가 측정 오차 범위 내에서 일치하는 것을 확인하였다. 이는 반자성 자속 측정이 타당함을 뒷받침한다. 또한, 랑뮤어 탐침으로 측정한 이온 포화 전류와 반자성 루프가 측정한 반자성 자속의 추세를 비교하였다. 이온 포화 전류는 n_e √(T_e )에 비례하고 반자성 자속은 ⟨nT⟩에 비례하므로 두 진단이 측정한 값은 비슷한 추세를 가질 것으로 예측되고, 실제로 비슷한 추세를 가진 것을 관찰하여 정성적으로 반자성 자속 측정이 타당함을 확인하였다. 추가로 플라즈마 건에 인가한 파워, 중심 자기장 크기, 자기장 구조 변화 실험 시, 랑뮤어 탐침으로 측정한 길이 당 내부 에너지와 반자성 루프로 측정한 길이 당 내부 에너지를 비교하였다. 각 진단의 추정 값은 오차 범위 내에 있음을 확인함으로써, 본 연구에서 개발한 반자성 루프를 활용한 플라즈마 내부에너지 측정 결과를 정량적으로 검증하였다.
한편, 본 연구에서 수행한 모든 실험 조건에서 반자성 루프가 측정한 길이 당 내부에너지가 량뮤어 탐침으로 측정한 에너지보다 오차 범위 내이지만 항상 크게 측정되었다. 본 결과의 원인으로는 반자성 자속으로부터 내부 에너지 추정 시 포함하지 않은 방위 자기 에너지, 방위 각 방향 회전 에너지, 이온 에너지에 의한 영향과 랑뮤어 탐침 측정 시 무시한 플라즈마 바깥 영역의 에너지에 의한 영향을 고려해볼 수 있다. 두 측정값의 차이 비율이 인가한 파워 및 중심 자기장 강도와 무관하게 일정하다는 점으로부터, 두 파라미터에 의해 변화할 것으로 예상되는 방위 자기 에너지과 방위 각 방향 회전 에너지에 의한 효과는 상대적으로 적을 것임을 알 수 있었다. 따라서, 반자성 루프가 측정한 값이 항상 크게 측정된 원인은 이온 에너지와 랑뮤어 탐침 측정 시 무시한 플라즈마 바깥 영역의 에너지에 의한 영향인 것으로 추정된다.
