FAR-INFRARED POLARIMETRY IN FUSION PLASMAS: INSTRUMENTS AND DATA ANALYSIS IN RFX-MOD AND JET

In questa tesi vengono riassunte le attività scientifiche svolte nei tre anni della Scuola di Dottorato in Ingegneria Industriale, indirizzo Energetica. La mia attività si è svolta principalmente presso il Consorzio RFX a Padova, dove ha sede il più grande esperimento toroidale per lo studio dei plasmi confinati magneticamente nella cosiddetta configurazione reversed field pinch (RFP). La configurazione RFP, insieme con i tokamak e gli stellarator, risulta una delle maggiori configurazioni per confinare i plasmi in esperimenti toroidali, con lo scopo di studiare la fusione termonucleare come sorgente di energia. La produzione di energia attraverso la fusione in plasmi confinati magneticamente è un ambizioso e importante obiettivo, che potrebbe contribuire a risolvere il problema di una sorgente sostenibile di energia per tutta l'umanita. Per essere una sorgente di energia efficiente, un plasma sufficientemente denso e caldo deve essere confinato per un tempo sufficientemente lungo. A questo scopo, in relazione alle proprietà di riscaldamento, del trasporto e del confinamento dell'energia del plasma, il mio progetto di ricerca ha riguardato lo studio sperimentale delle configurazioni magnetiche nei plasmi di tipo Reversed Field Pinch, mediante tecniche di polarimetria nel lontano infarosso. Una delle caratteristiche più interessanti dei plasmi RFP emerse negli ultimi anni sia nell'esperimento RFX-mod di Padova che in altre macchine RFP, è stata la scoperta di configurazioni magnetiche che si caratterizzano sperimentalmente per proprietà di riscaldamento, trasporto e confinamento dell'energia superiori a quelle delle configurazioni RFP tradizionali. Queste configurazioni di plasma sono caratterizzate da uno spettro dei modi MHD dominato da poche e ben definite componenti e dalla presenza di regioni di plasma ad alta temperatura e emissività X. Gli studi più recenti suggeriscono che la struttura dei modi sia fortemente correlata ai profili di campo megnetico, la cui misura sperimentale nelle regioni interne del plasma riveste una importanza decisiva per lo studio di queste configurazioni. Il progetto di ricerca proposto prevede appunto lo studio sperimentale del campo magnetico di queste configurazioni e il confronto con quelle tradizionali. Dal punto di vista sperimentale, per la misura dei profili di campo magnetico nell'esperimento RFX-mod si utilizza una diagnostica polarimetrica. Questa tecnica si basa sulla misura della rotazione del piano di polarizzazione (rotazione di Faraday) di un fascio laser nel lontano infrarosso (FIR), dovuta alla propagazione nel plasma magnetizzato. Tale rotazione è proporzionale all'integrale di linea del prodotto tra la densità elettronica locale e la componente del campo magnetico parallela alla direzione di propagazione della radiazione. Al fine di ottenere informazioni sulla distribuzione dei campi magnetici all'interno della colonna di plasma, la mia attività di ricerca è stata focalizzata sulla misura e sull'analisi degli effetti polarimetrici del plasma stesso su una radiazione che lo attraversa. In particolare, sono stato coinvolto in esperimenti e attività di laboratorio, nell'allestimento, nell'operazione e ottimizzazione del polarimetro FIR presso la macchina RFX-mod. L'analisi dei dati raccolti con questa diagnostica mi ha consentito di caratterizzare la colonna di plasma e di fornire informazioni sull'evoluzione dei campi magnetici al suo interno. Come detto sopra, le misure polarimetriche associate a misure della densità elettronica, permettono la ricostruzione del profilo di campo poloidale e il monitoraggio della posizione delle superfici magnetiche interne, in particolare dell'asse magnetico. Da queste informazioni è possibile risalire alla misura della corrente di plasma e quindi alla misura del fattore di sicurezza q. La mia attività di ricerca svolta sull'esperimento RFX-mod ha riguardato la messa in funzione del nuovo polarimetro come diagnostica di RFX-mod. Dopo aver completato tutti i test di funzionamento in laboratorio la diagnostica è stata installata sulla macchina e ivi ultimati gli allineamenti con la sorgente laser FIR. Le attività accessorie svolte per la messa in funzione della diagnostica sono descritte nel dattaglio in questa tesi. Sono stati installati dei moduli di acquisizione che permettono di acquisire più segnali con una frequenza di campionamento fino a 25kHz. Ho contribuito allo sviluppo di un software che elabora i segnali grezzi provenienti dai rivelatori e fornisce in uscita la misura dell'angolo di Faraday in tempo reale. Tutte queste attività mi hanno permesso di ottenere le prime misure di effetto Faraday su cinque canali, grazie a cui, come detto prima, è possibile caratterizzare il plasma. Il contesto internazionale delle ricerche e la collaborazione con altre Associazioni Europee coinvolte nel programma fusione Europeo, CEA (F) e CCFE (UK), hanno favorito numerosi contatti con esperti internazionali e la possibilità di contribuire in prima persona agli aspetti più avanzati della ricerca scientifica in sede Europea e internazionale maturata negli anni più recenti. In questo ambito ho trascorso un periodo di tempo presso l'esperimento JET (Joint European Torus) del Culham Science Centre (UK). Durante queste visite ho approfondito lo studio della diagnostica Interferometro/Polarimetro operante presso la macchina JET, analizzandone le caratteristiche ottiche e mettendo a punto dei modelli per ricavare la misura di densità dalle informazioni polarimetriche. Ho contribuito in maniera significativa alla scrittura del codice per l'elaborazione dei dati forniti dalla diagnostica mettendo a punto procedimenti di calcolo che a partire dai dati grezzi, calcolano tutti i parametri polarimetrici del plasma tenendo conto delle caratteristiche del percorso ottico compiuto dal fascio laser di misura. Questa tesi descrive i risultati ottenuti presso i due esperimenti RFX-mod e JET. Nel caso di RFX-mod si riportano i primi risultati ottenuti con il polarimetro installato durante il periodo del dottorato. Nel caso di JET si riportano dei risultati che confermano la possibilità della diagnostica di fornire misure polarimetriche tali da poter ricavare informazioni sulla densità elettronica utili per il controllo in tempo reale della scarica. La tesi è strutturata come segue: -Nel Capitolo 1 viene introdotto il concetto di polarizzazione della luce, attraverso la descrizione di alcune tappe di interesso storico scientifico che hanno condotto alla scoperta di questa importante caratteristica della luce. In questo capitolo la luce è rappresentata in termini di onda elettromagnetica e le sue componenti sono espresse matematicamente come sinusoidi. Infine viene introdotto il concetto di polarimetria come strumento per la misura e la determinazione dello stato di polarizzazione di una radiazione. -Il Capitolo 2 introduce il problema della produzione di energia, evidenziando le principali caratteristiche che una nuova fonte di energia deve avere: la fusione termonucleare a confinamento magnetico è presentata come un attore importante nel futuro panorama energetico. Viene fornita la descrizione della fisica degli equilibri magnetici per il confinamento nel caso di macchina di tipo Reversed Field Pinch e Tokamak. -Nel Capitolo 3 vengono presentati i concetti base della polarimetria e dell' interferometria. Vengono descritti i formalismi di Stokes e Mueller per la descrizione dello stato di polarizzazione di un'onda. Inoltre vengono discusse alcune tecniche interferometriche. -Il Capitolo 4 è dedicato all'attività svolta presso la macchina RFX-mod. In questo capitolo viene descritto brevemente l'esperimento RFX-mod con un dettaglio sulle diagnostiche installate. Si passa poi alla descrizione puntuale del set-up del polarimetro per arrivare ai primi risultati ottenuti. I risultati vengono confrontati con i valori attesi secondo alcuni modelli teorici. -Il Capitolo 5 è dedicato all'attività svolta presso la macchina JET. In questo capitolo viene descritto brevemente l'esperimento JET con un dettaglio sulle diagnostiche installate. Si passa poi alla descrizione puntuale del set-up del polarimetro-interferometro per arrivare ai risultati ottenuti nella ricostruzione del profilo di densità elettronica dalle misure di effetto Cotton Mouton. Si presentano i risultati di un lavoro svolto a capire un comportamento anomalo delle misure del polarimetro in fase di calibrazione. Infine si mostrano i primi risultati ottenuti con un nuovo codice di rielaborazione dei dati grezzi.