Electromagnetic properties of edge turbulence in fusion plasma devices

This thesis work consists of three pillars. First, the isotope dependence of long-range correlation (due to, e.g. zonal flow and GAMs) has been studied in the TJ-II stellarator and ISTTOK tokamak with dual Langmuir probes. In TJ-II, it has been found that LRC slightly decreases with isotope mass, in contrast to tokamak results. In ISTTOK, GAM amplitude has been found to be higher in D than H dominated plasmas, in agreement with other tokamak results. Using biorthogonal decomposition (BOD), GAM and low frequency coherent modes were separated; their spectral and spatial structure properties were studied. In addition, measurements of Reynolds stress and Maxwell stress have been made using an electromagnetic probe during L-H transition in TJ-II. Second, macroscale flows and non-diffusive behavior of particle dynamics have been found around magnetic islands in TJ-II and RFX-mod with the analysis of long-range spatial and temporal correlation (Hurst exponent). In TJ-II, during dynamic configuration scan experiments, rational surfaces have been found to affect the development of long-range spatial and temporal correlation. In RFX-mod, LRC has been detected at both sides of the m=0 island. The possible relation between long-range temporal correlation (Hurst exponent) and the phase angle of magnetic perturbation was also studied. Third, a new strategy for studying plasma potential asymmetries in magnetic flux surface has been developed based on edge electrode biasing and probe measurements in TJ-II.

Questo lavoro di tesi si compone di tre argomenti principali. In primo luogo, è stata studiata la dipendenza isotopica della correlazione a lungo raggio (LRC) sotto l’effetto, ad esempio, di zonal flow e GAMs, nello stellarator TJ-II e nel tokamak ISTTOK con due sonde di Langmuir. In TJ-II, è stato osservato come la LRC diminuisca leggermente con la massa dell’isotopo, in contrasto con i risultati ottenuti sui tokamak. In ISTTOK, l’ampiezza dei GAMs è stato osservata essere più elevata plasmi con una percentuale maggioritaria di idrogeno che di deuterio, in accordo con altri risultati tokamak. Utilizzando la decomposizione biortogonale (BOD), GAM e modi coerenti a bassa frequenza sono stati separati; sono stati studiate le loro proprietà spettrali e la loro struttura spaziale. Inoltre, in TJ-II sono state ottenute misure di Reynolds e Maxwell stress usando una sonda elettromagnetica durante la transizione L-H transizione. In secondo luogo, sono stati studiati i flussi a scala macroscopiche e il comportamento non-diffusivo della dinamica delle particelle intorno alle isole magnetiche a TJ-II e RFX-mod con l'analisi della correlazione a lungo raggio spaziale e temporale (esponente di Hurst). In TJ-II, durante gli esperimenti di scansione dinamica della configurazione, lo sviluppo delle LRC è stato osservato essere influenzato dalla presenza delle superfici razionali. In RFX-mod, LRC sono stati osservati sia nelle posizioni piu’ interne che esterne delle isole m = 0. E’ stato anche studiata la possibile relazione tra correlazione a lungo raggio temporale (esponente di Hurst) e l'angolo di fase della perturbazione magnetica. In terzo luogo, e’ stata messa a punto una nuova strategia per lo studio delle asimmetrie del potenziale di plasma nelle superfici di flusso magnetiche basata su un elettrodo di biasing e misure di sonde esterne in TJ-II.