Advanced

Spectroscopic Investigations of Highly Charged Tungsten Ions - Atomic Spectroscopy and Fusion Plasma Diagnostics

Clementson, Joel LU (2010) In Lund Reports in Atomic Physics LRAP-417.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Atomspektra har varit ett viktigt forskningsområde inom fysiken sedan mitten av 1800-talet. Då elektromagnetisk strålning, såsom synligt ljus, ultraviolett- och röntgenstrålning, är unik för varje grundämne ger ett observerat spektrum information om vilka slags atomer som emitterar strålningen. Exempelvis så visar spektra av ett vanligt lysrör att ljuset kommer från kvicksilveratomer och olika ädelgaser. Det som avslöjas av ett spektrum är dock inte bara ämnet som utsänder ljuset. Spektra innehåller också information om de strålande atomernas omgivning. Genom studier av atomspektra kan man därför mäta exempelvis temperaturer och tätheter hos stjärnor och andra objekt som avger ... (More)
Popular Abstract in Swedish

Atomspektra har varit ett viktigt forskningsområde inom fysiken sedan mitten av 1800-talet. Då elektromagnetisk strålning, såsom synligt ljus, ultraviolett- och röntgenstrålning, är unik för varje grundämne ger ett observerat spektrum information om vilka slags atomer som emitterar strålningen. Exempelvis så visar spektra av ett vanligt lysrör att ljuset kommer från kvicksilveratomer och olika ädelgaser. Det som avslöjas av ett spektrum är dock inte bara ämnet som utsänder ljuset. Spektra innehåller också information om de strålande atomernas omgivning. Genom studier av atomspektra kan man därför mäta exempelvis temperaturer och tätheter hos stjärnor och andra objekt som avger strålning.



Denna avhandling behandlar spektroskopiska studier av högt joniserat volfram. Volfram är ett tungt grundämne som förekommer i många tekniska tillämpningar, ofta i komponenter som behöver vara värmetåliga. Ett område där volfram förväntas bli betydande är fusionsforskning. Inom kärnfusion förenas atomkärnor av väte till helium och i processen frigörs energi. Kärnfusion har därmed potential som energikälla. Men det är inte lätt att utveckla fusionskraftverk. För att få i gång fusionsreaktioner krävs nämligen temperaturer på hundratals miljoner grader. Att värma det så kallade plasmat till sådana temperaturer är en stor utmaning och att konstruera en reaktor som kan innesluta plasmat är ännu svårare. Det är här som volfram kommer in i bilden. Volfram, som har utmärkta värmeegenskaper, kan användas som konstruktionsmaterial i fusionsreaktorer. Man kan dock förvänta sig att volframpartiklar kommer lossna från väggarna av reaktorn och blandas med det heta plasmat. De höga temperaturerna gör att de flesta av volframatomernas elektroner slits loss och kvar blir då högt joniserade atomer. Dessa volframjoner avger mycket ultraviolett- och röntgenstrålning. Studerar man volframspektra från ett fusionsplasma kan man därför uppskatta mängden volfram i plasmat, hur varmt det är, vad det har för densitet, samt hur plasmat rör sig i reaktorn.



För att volfram ska kunna användas för plasmadiagnostik behöver man veta hur volframjonernas spektra ser ut. I detta arbete har därför volframspektra studerats i laboratoriet. Våglängder och intensiteter hos spektrallinjer har mätts och deras potentiella användning inom plasmadiagnostik undersökts. Dessa studier har kompletterats med beräkningar samt mätningar vid ett fusionsexperiment. I avhandlingen presenteras förslag på volframspektra för diagnostik under olika plasmaförhållanden. (Less)
Abstract
The spectra of highly charged tungsten ions have been investigated using x-ray and extreme ultraviolet spectroscopy. These heavy ions are of interest in relativistic atomic structure theory, where high-precision wavelength measurements benchmark theoretical approaches, and in magnetic fusion research, where the ions may serve to diagnose high-temperature plasmas.



The work details spectroscopic investigations of highly charged tungsten ions measured at the Livermore electron beam ion trap (EBIT) facility. Here, the EBIT-I and SuperEBIT electron beam ion traps have been employed to create, trap, and excite tungsten ions of M- and L-shell charge states. The emitted spectra have been studied in high resolution using crystal,... (More)
The spectra of highly charged tungsten ions have been investigated using x-ray and extreme ultraviolet spectroscopy. These heavy ions are of interest in relativistic atomic structure theory, where high-precision wavelength measurements benchmark theoretical approaches, and in magnetic fusion research, where the ions may serve to diagnose high-temperature plasmas.



The work details spectroscopic investigations of highly charged tungsten ions measured at the Livermore electron beam ion trap (EBIT) facility. Here, the EBIT-I and SuperEBIT electron beam ion traps have been employed to create, trap, and excite tungsten ions of M- and L-shell charge states. The emitted spectra have been studied in high resolution using crystal, grating, and x-ray calorimeter spectrometers. In particular, wavelengths of ∆n = 0 M-shell transitions in K-like W55+ through Ne-like W64+, and intershell transitions in Zn-like W44+ through Co-like W47+ have been measured. Special attention is given to the Ni-like W46+ ion, which has two strong electric-dipole forbidden transitions that are of interest for plasma diagnostics. The EBIT measurements are complemented by spectral modeling using the Flexible Atomic Code (FAC), and predictions for tokamak spectra are presented. The L-shell tungsten ions have been studied at electron-beam energies of up to 122 keV and transition energies measured in Ne-like W64+ through Li-like W71+. These spectra constitute the physics basis in the design of the ion-temperature crystal spectrometer for the ITER tokamak.



Tungsten particles have furthermore been introduced into the Sustained Spheromak Physics Experiment (SSPX) spheromak in Livermore in order to investigate diagnostic possibilities of extreme ultraviolet tungsten spectra for the ITER divertor. The spheromak measurement and spectral modeling using FAC suggest that tungsten ions in charge states around Er-like W6+ could be useful for plasma diagnostics. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr Biedermann, Christoph, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Greifswald, Germany
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
extreme ultraviolet spectra, spheromak, electron beam ion trap, magnetic fusion, tungsten, highly charged ions, atomic structure, x-ray spectroscopy, plasma diagnostics
in
Lund Reports in Atomic Physics
volume
LRAP-417
pages
228 pages
publisher
Atomic Physics, Department of Physics, Lund University
defense location
Lecture hall B, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2010-06-18 10:15
external identifiers
  • other:LRAP-417
ISSN
0281-2762
ISBN
978-91-628-8132-0
language
English
LU publication?
yes
id
83e5c1be-b451-408a-a6a5-0a2d92512cd5 (old id 1607616)
date added to LUP
2010-05-25 14:42:14
date last changed
2018-05-29 11:09:08
@phdthesis{83e5c1be-b451-408a-a6a5-0a2d92512cd5,
  abstract     = {The spectra of highly charged tungsten ions have been investigated using x-ray and extreme ultraviolet spectroscopy. These heavy ions are of interest in relativistic atomic structure theory, where high-precision wavelength measurements benchmark theoretical approaches, and in magnetic fusion research, where the ions may serve to diagnose high-temperature plasmas.<br/><br>
<br/><br>
The work details spectroscopic investigations of highly charged tungsten ions measured at the Livermore electron beam ion trap (EBIT) facility. Here, the EBIT-I and SuperEBIT electron beam ion traps have been employed to create, trap, and excite tungsten ions of M- and L-shell charge states. The emitted spectra have been studied in high resolution using crystal, grating, and x-ray calorimeter spectrometers. In particular, wavelengths of ∆n = 0 M-shell transitions in K-like W55+ through Ne-like W64+, and intershell transitions in Zn-like W44+ through Co-like W47+ have been measured. Special attention is given to the Ni-like W46+ ion, which has two strong electric-dipole forbidden transitions that are of interest for plasma diagnostics. The EBIT measurements are complemented by spectral modeling using the Flexible Atomic Code (FAC), and predictions for tokamak spectra are presented. The L-shell tungsten ions have been studied at electron-beam energies of up to 122 keV and transition energies measured in Ne-like W64+ through Li-like W71+. These spectra constitute the physics basis in the design of the ion-temperature crystal spectrometer for the ITER tokamak.<br/><br>
<br/><br>
Tungsten particles have furthermore been introduced into the Sustained Spheromak Physics Experiment (SSPX) spheromak in Livermore in order to investigate diagnostic possibilities of extreme ultraviolet tungsten spectra for the ITER divertor. The spheromak measurement and spectral modeling using FAC suggest that tungsten ions in charge states around Er-like W6+ could be useful for plasma diagnostics.},
  author       = {Clementson, Joel},
  isbn         = {978-91-628-8132-0},
  issn         = {0281-2762},
  keyword      = {extreme ultraviolet spectra,spheromak,electron beam ion trap,magnetic fusion,tungsten,highly charged ions,atomic structure,x-ray spectroscopy,plasma diagnostics},
  language     = {eng},
  pages        = {228},
  publisher    = {Atomic Physics, Department of Physics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund Reports in Atomic Physics},
  title        = {Spectroscopic Investigations of Highly Charged Tungsten Ions - Atomic Spectroscopy and Fusion Plasma Diagnostics},
  volume       = {LRAP-417},
  year         = {2010},
}