Various operation modes of current flat-top plasma were developed by improving the power supply systems for ohmic heating (OH) and vertical magnetic field (VF). The capacitance of the OH $C_2$ capacitor bank was increased to reduce the plasma current ramp-up rate at plasma startup phase, and the current waveform of the VF coil was optimized. As a result, the current flat-top plasmas of (10-30) kA plasma current were routinely obtained with high reproducibility on KAIST-TOKAMAK.
For studying the startup phase of KAIST-TOKAMAK, several diagnostic tools were developed including a 50 channel magnetic pickup coil array, a multichannel RF-compensation Langmuir probe array driven by a single bias supply, and a triple probe. By using the magnetic pickup coil array, the magnetic field structure was measured under various operation conditions.
The microwave and RF systems were installed on KAIST-TOKAMAK to produce the background plasma as pre-ionization. The plasma parameters were measured by the Langmuir probe array, and the spatial distribution of the ion saturation current of the startup plasma was measured by the triple probe.
The breakdown voltage was measured as a function of filling hydrogen gas pressure under the following five operation conditions; Case I (operation as it is, i.e., without pre-ionization nor stray field compensation), Case II (with stray field compensation), Case III (with microwave pre-ionization), Case IV (with both stray field compensation and microwave pre-ionization).
The breakdown voltage of Case I was 9.5 V (E = 2.85 V/m) at 0.14 mTorr gas pressure. The stray magnetic field at the time of breakdown was 6.3 G at the geometrical axis of the vacuum vessel. The connection length in this field geometry was calculated to be about 107 m.
In order to study the effect of the field geometry on breakdown voltage, magnetic field null was generated inside the vacuum vessel by using PF coils. Compared to the field geometry with the field null, the case with the vertical field of 2.8 G (Case II) was better regarding the breakdown voltage. It was 8.2 V which is 1.3 V lower than the Case I. By calculating the loss rates, it was found that the better magnetic configuration for breakdown is with a small vertical field that compensates the curvature drift loss of collisionless electrons.
With the background plasma generated by the microwave at the time of ohmic discharge start (Case III), the breakdown voltage was 7.2 V, which is 2.3 V lower than the Case I. As the ion saturation current of background plasma increases, the plasma current ramp-up rate was decreased. This is somewhat unexpected result considering the breakdown time with respect to the initial electron density.
In the presence of the background plasma and stray field compensation (Case IV), the breakdown voltage could be lowered as low as 5.4 V (E = 1.62 V/m) at 0.06 mTorr.
These results indicate that a low loop voltage startup scenario could be developed by using the combination of stray field compensation and pre-ionization.
저항가열(OH)코일 및 수직자장(VF)코일의 전원공급장치를 개선함으로써 KAIST -TOKAMAK에서 다양한 전류 flat-top 운전모드를 개발하였다. OH $C_2$ 캐패시터 뱅크의 용량을 늘려서 플라즈마 시동단계에서 플라즈마 전류상승률을 낮추고, VF 코일의 전류파형을 최적화함으로써 플라즈마 전류 (10-30) kA의 재현성이 좋은 전류 flat-top 플라즈마를 쉽게 발생시킬 수 있게 되었다.
KAIST-TOKAMAK의 시동단계 연구를 위하여 50 채널 자기장 픽업코일 배열과 하나의 일소전압 공급장치로 구동되는 다중채널 RF-보상 랑뮈어 탐침 배열과 삼중탐침 등의 진단장비를 개발하였다. 자기장 픽업코일 배열을 사용하여 다양한 조건에서 진공용기 내의 자기장구조를 측정하였다. 전이온화(preionization)하여 배경플라즈마를 발생시킬 목적으로 설치된 마이크로파 및 RF 시스템을 KAIST-TOKAMAK에 설치하였다. 랑뮈어 탐침배열로 배경플라즈마의 변수를 측정하였고, 삼중탐침으로 시동단계 플라즈마의 이온포화전류의 공간분포를 측정하였다.
수소기체의 충전압력에 따른 방전전압을 다음의 다섯 가지의 경우에 대해 측정하였다. 첫째는 전이온화나 표유자기장 보상 없이 실험한 경우(Case I), 둘째는 표유자기장을 보상하고 실험한 경우(Case II), 셋째는 마이크로파를 이용한 전이온화를 하고 실험한 경우(Case III), 그리고 넷째는 표유자기장을 보상함과 동시에 마이크로파로 전이온화를 하여 실험한 경우(Case IV)로 나뉜다.
Case I의 방전전압은 수소기체 0.14 mTorr에서 9.5 V이고, 전기장으로 환산하면 2.85 V/m가 된다. 방전이 일어나는 시점에서 진공용기 중심의 표유자기장은 6.3 G로서 이것에 해당하는 연결길이(connection length)는 약 107 m이다.
표유자기장 구조가 방전전압에 미치는 영향을 연구하기 위하여 PF 코일을 사용해서 진공용기 내에 필드널(field null)을 생성하였다. 필드널의 자기장구조와 비교해서 Case II와 같이 2.8 G의 수직자기장이 있는 자기장구조가 방전전압을 낮추는데 효과적이었다. Case II의 방전전압은 Case I에 비해 1.3 V가 낮은 8.2 V였다. 전자의 손실률들을 계산해본 결과, 방전전압을 낮추는데 유리한 자기장구조는 비충돌 전자의 곡률표류 손실을 보상하는 작은 양의 수직자기장이 존재하는 자기장구조임을 알 수 있었다.
Case III은 저항가열 방전을 하기 전에 전이온화로 배경플라즈마을 발생시킨 경우이며, 방전전압은 Case I에 비해 2.3 V가 낮은 7.3 V였다. 배경플라즈마의 이온포화전류가 증가할수록 플라즈마 전류상승률이 감소하였는데, 이것은 초기전자밀도에 따른 방전시간(breakdown time)을 고려하면 다소 예상 밖의 결과이다.
표유자기장을 보상함과 동시에 마이크로파로 전이온화를 하여 실험한 경우(Case IV)에는 충전기체압력 0.06 mTorr에서 방전전압를 5.4 V(E = 1.62 V/m)로까지 낮출 수 있었다.
이러한 결과들로부터 표유자기장을 보상과 전이온화를 조합하여 저일주전압 시동시나리오를 개발할 수 있음을 알 수 있었다.
