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Fusion energy research has in the past 40 years focused primarily on the tokamak concept, but recent advances in plasma theory and computational power have led to renewed interest in stellarators. The largest and most sophisticated stellarator in the world, Wendelstein 7-X (W7-X), has just started operation, with the aim to show that the earlier weaknesses of this concept have been addressed successfully, and that the intrinsic advantages of the concept persist, also at plasma parameters approaching those of a future fusion power plant. Here we show the first physics results, obtained before plasma operation: that the carefully tailored topology of nested magnetic surfaces needed for good confinement is realized, and that the measured deviations are smaller than one part in 100,000. This is a significant step forward in stellarator research, since it shows that the complicated and delicate magnetic topology can be created and verified with the required accuracy

In der vorliegenden Arbeit wurde das Strömungsverhalten eines magnetisierten Argonplasmas beim Auftreffen auf eine neutralisierende Oberfläche untersucht. Mit Hilfe der Laserinduzierten Fluoreszenz wurde dazu nicht-invasiv die Geschwindigkeitsverteilung der Ionen mit einer Ortsauflösung von standardmäßig dz=0.5 mm als Funktion des Abstandes zur Oberfläche gemessen. Zwei Situationen wurden untersucht (a): praktisch das ganze Plasma strömt auf ein großes Target (Durchmesser 100 mm) und (b) die Größe des Targets ist wesentlich kleiner (Durchmesser 15 mm) als der Durchmesser der Plasmasäule. Unmittelbar vor der Oberfläche war in beiden Fällen die Strömungsgeschwindigkeit u mindestens so groß wie die Ionenschallgeschwindigkeit cs, genau wie von Bohm bereits 1949 vorhergesagt[]. Unter fusionsrelevanten Bedingungen ist dies die erste direkte Beobachtung des Bohmkriteriums. Bei Annäherung an die Oberfläche steigt die Machzahl M=u/cs von 0.5 auf 1 auf typischen Skalenlängen lambda_a=30 mm bzw. lambda_b=5 mm an. Um diese kurzen Längen erklären zu können wurden die Messdaten in (a) mit einem Stoß-Diffusionsmodell und im Falle von (b) mit dem Modell von Hutchinson[] verglichen. Eine gute Übereinstimmung in (a) wurde erzielt, wenn eine sehr niedrige Neutralgastemperatur von etwa 400 K angenommen wird. Die Messdaten in (b) werden sehr gut durch das Modell wiedergegeben, wenn ein Transportkoeffizient von D=20 m²/s angenommen wird. Ein derartig hoher Transport kann unmöglich allein durch Diffusion verursacht werden. Teilweise kann dieser Transport anhand der endlichen Gyroradien erklärt werden, vermutlich aber spielen auch zeitabhängige Phänomene, wie z.B. Driftwellen eine wichtige Rolle. Weiterhin wurde die Abhängigkeit von dem Winkel zwischen Flächennormalen und B-Feld untersucht. Die unmittelbar vor der Oberfläche auftretenden Überschallströmungen werden verhältnismäßig gut von dem Modell von Chodura[] beschrieben. Im Gegensatz dazu ist die Größe der Zone in der Machzahlen größe, In the present work the streaming behavior of a magnetized argon plasma impinging on a neutralizing surface was investigated. For that purpose the ion velocity distribution was measured non-invasively as a function of the distance to the surface by means of Laser Induced Fluorescence. The spatial resolution was typically dz=0.5 mm. Two situations are investigated, (a): when practically the whole plasma streams onto a large target (diameter 100 mm), and (b): when the size of the target (diameter 15 mm) is significantly smaller than the diameter of the plasma column. In both cases the streaming velocity u was at least as high as the ion acoustic sound speed, as already predicted by Bohm in 1949. Under fusion relevant conditions this is the first direct observation of the Bohm criterion. Approaching the target surface the Mach number M=u/c_s increases from values of around 0.5 to 1 on typical scales of lambda_a=30 mm and lambda_b=5 mm, respectively. In order to explain these very short scale lengths the measured data were compared with a collisional-diffusive model in the case of (a) and with Hutchinson''s model[] in the case of (b). A good agreement was achieved in (a) by assuming a very low neutral gas temperature of about 400 K. In (b) the model fits the data excellently when the transport coefficient is chosen as high as D=20 m²/s. Such a high transport cannot be caused solely by diffusion. Partly it is explained by finite gyro-radii effects, but presumably time dependent phenomena, like drift waves, play an important role. In addition the dependence on the angle between surface normal and B-field was investigated. The supersonic fluxes found in the immediate vicinity of the surface are described fairly well by the model developed by Chodura[]. By contrast the size of the region, where Mach numbers greater one appear is significantly smaller than predicted.

Eines der größten Probleme bei der kontrollierten Kernfusion ist die immense thermische Belastung der mit dem Plasma in Berührung kommenden Materialien. Um den Energiefluß aus dem Plasma auf eine möglichst große Fläche zu verteilen, werden die betroffenen Komponenten in der Regel so angebracht, da"s das magnetische Feld annähernd parallel zur Oberfläche verläuft. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein spezieller drehbarer Meßkopf zur winkelabhängigen Messung des Strom- und Energieflusses entwickelt und ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Winkelabhängigkeit der Teilchen- und Energieflüsse auf eine Fläche durchgeführt. Zum Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen wird basierend auf den Gyrationsbahnen der Teilchen ein analytisches Modell entwickelt und dessen qualitative Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden festgestellt. Die Durchführung der Experimente erfolgte am Plasmagenerator PSI-2, einem linearen Divertor-Simulator mit einem moderaten magnetischen Feld. Der Aufbau des Meßkopfes als ebene Sonde in einer isolierten Fläche enspricht dabei in etwa der einer sogenannten ,,flush-mounted probe''''. Die äußeren Maße der Sonde sind dabei vergleichbar mit dem Ionengyroradius ri}. Während die Elektronen bei den Experimenten stark magnetisiert sind, variieren die Bedingungen für die Ionen zwischen unmagnetisiert und magnetisiert je nach Ionenmasse und Magnetfeldstärke. Bei den Experimenten wurden verschiedene Größen der Plasmarandschicht als Funktionen des Winkels zwischen der Oberflächennormale der Sonde und dem Vektor des magnetischen Feldes bestimmt., In fusion experiments, the energy flux to the target plates is an important issue. In order to spread the heat load, surfaces are usually designed to intersect magnetic field lines at very shallow angles. In the course of this work, a sensitive probe allowing simultaneous measurements of energy flux and current density as functions of a bias voltage was developed. Extensive experimental data on the particle and energy flux densities as functions of the angle between a surface and the confining magnetic field are provided. An analytical model is developed in order to reveal the physics involved; it is in good qualitative agreement with the experimental results. The experiments were conducted at the PSI-2 facility, a linear divertor simulator with moderate magnetic field strength. The probe was rotated in a spatially homogeneous plasma. The active area, a tungsten covered Peltier module, was immersed in a ceramic surface, closely resembling the geometry of a flush mounted probe. Its dimensions were comparable to the ion gyro radius ri. While the electrons were strongly magnetized, the ion conditions varied between unmagnetized and magnetized depending on the ion species. Sheath parameters were determined as functions of the angle alpha between the probe surface normal and the magnetic field.