[Zurück]

K. Igenbergs:
"Cross Section Database for Neutral Sodium Beam Plasma Edge Diagnostics";
Betreuer/in(nen): F. Aumayr; Institut für Allgemeine Physik, 2007; Abschlussprüfung: 25.05.2007.

In den letzten Jahren gab es in der Kernfusionsforschung große, vielversprechende Fortschritte, die
den Weg f¨ur einen Kernfusionsreaktor weiter bereiten. Die genaue Kenntnis der Plasmarandschicht
ist unabdingbar f¨ur weitere erfolgreiche Forschung und Entwicklung. Zum Messen der Elektronendichte
in dieser Schicht kann unter anderem die "aktive Neutralteilchenstrahl Methode" verwendet
werden. Hierbei wird ein Strahl aus neutralen Atomen in das Plasma eingeschossen, die Intensit¨at
bestimmter Emissionslinien spektroskopisch bestimmt und schliesslich die Elektronendichte rekursiv
berechnet. In der Vergangenheit wurden vielversprechende Experimente und Simulationen auf diesem
Gebiet gemacht und damit die experimentelle Durchf¨uhrbarkeit der Methode sehr zufriedenstellend
nachgewiesen. Sowohl neutrale Lithium- als auch Heliumstrahlen wurden ausf¨uhrlich untersucht.
Diese Diplomarbeit besch¨aftigt sich nun mit einer weiteren Entwicklung dieser Messmethode: die
Verwendung von neutralen Natriumatomen als Strahlatome.
Es wurde eine umfassende Datenbank mit Wirkungsquerschnitten erstellt. Die interessanten und
ber¨ucksichtigten Prozesse sind Elektron-induzierte Anregung und Ionisation sowie Proton-induzierte
Anregung und der Proton-induzierte Verlust eines Elektrons.
Ein grosser Teil dieser Diplomarbeit ist der kritschen Aufarbeitung der verwendeten Publikationen
gewidment, vor allem im Hinblick auf die darin angewandten experimentellen und theoretischen
Methoden. Besonders ausf¨uhrlich werden die convergent close-coupling Methode und die atomicorbital
close-coupling Methode beschrieben. Erstere wurde von I. Bray zur Berechnung f¨ur Elektronen-
Wirkungsquerschnitte f¨ur alle interessanten ¨Ubergange verwendet, letztere von J. Schweinzer aus eben
diesem Grund aber f¨ur Protonen-Wirkungsquerschnitte. Beide Berechnungen wurde speziell f¨ur diese
Datenbank gemacht.
Die vorgestellte Datenbank ist aber nicht nur eine einfache Sammlung von ver¨offentlichten Daten
experimenteller oder theoretischer Natur. Sie beinhaltet auch ausgefeilte Fits der Wirkungsquerschnitte.
Es wurde einige schon fr¨uher verwendete Regressionsformeln angepasst und verwendet. Mit
Hilfe dieser Formel entstanden durch die Levenberg-Marquardt-Methode, die in die Open Source Software
gnuplot 4.0 implementiert ist, hervorragende Fits f¨ur alle in Frage kommenden ¨Uberg¨ange.
Die entwicklten Fit Formeln und die daraus resultierenden Fit Parameter sind daf¨ur gedacht in
das Simulationssoftware-Paket Na simula eingebaut zu werden. Bis dato arbeitete dieser Code mit
einer sehr rudiment¨aren Datenbank, die faktisch Lithium-Wirkungsquerschnitte verwendete und nur
wenn notwendig die entsprechenden Natrium Schwellenergien ben¨utzt.
Abschliessend werden einige gut etablierte Skalierungsvorschriften angegeben. Diese werden dazu
verwendet St¨osse mit Verunreinigungsionen in den Simulationscode mit einzubauen.

In recent years, the developments in fusion plasma physics have been very promising and gradually
paving the way for a nuclear fusion power plant. The detailed knowledge of the plasma edge region
is critical for further engineering and scientific developments. In this plasma edge region, the electron
density can be measured very precisely by injecting a beam of neutral atoms into the plasma, detecting
the intensities of certain emission lines spectroscopically, and recursively calculating the plasma density
profile. In the past, there have been promising experiments to test the feasibility of active neutral
beam diagnostics. The use of diagnostic Li and He beams has been studied extensively. Developing
this technique further, this diploma thesis now focuses on the use of neutral sodium atoms in active
neutral beam diagnostics.
An extensive cross section database has been constructed. The collision processes of interest that
were included in the database are electron-impact target excitation, electron-impact target ionization,
proton-impact target excitation, and proton-impact target electron loss.
A major part of this thesis is dedicated to the critical assessment of the used publications and the
therein used theoretical and experimental methods. A special focus is put on the convergent closecoupling
method for electron-impact cross sections and the atomic-orbital close-coupling method for
proton-impact cross sections. The former was used by I. Bray to calculate cross sections for all electronimpact
transitions of interest especially for this database, the latter was used by J. Schweinzer for
exactly the same reasons but for hydrogen ions as projectiles.
Nonetheless, the introduced database is not only a simple collection of published experimental and
theoretical data, but it also consists of elaborate fits of the cross section data. A previously used set of
fit formulae has been modified and adapted. These formulae and the use of the Levenberg-Marquardtmethod
for non-linear fits implemented in the open source plotting software gnuplot 4.0 produced
excellent fits for all processes in question.
The derived fit formulae and the resulting fit parameters are meant to be implemented in the
simulation software package Na simula. This code has been working so far with a very rudimentary
database that basically uses lithium cross sections and if needed sodium threshold energies.
Finally, certain well established scaling relations are presented that will be used to implement
collisions of sodium atoms with impurity ions in the simulation code.