Investigation of diocotron instability in the T-REX experiment

The operation of gyrotrons for Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) in fusion devices is influenced by the dynamics of trapped electron populations in the Magnetron Injection Gun (MIG). Under specific combinations of electric and magnetic fields, electrostatic potential wells can form inside the MIG, leading to the trapping of secondary electrons and the generation of dense, non-neutral clouds of electrons. These clouds may prevent reaching the operating regime of the gyrotron. In the physics of non-neutral plasmas, the diocotron instability plays a relevant role: it’s an azimuthal drift instability, driven by shear in the E × B drift of the electron cloud, that can lead to density perturbations and eventual disruption of the cloud. Direct diagnostics of the MIG region are not possible due to the sealed configuration of gyrotrons. For this reason, the TRapped Electrons eXperiment (T-REX) was developed to reproduce trapping conditions in a fully accessible laboratory setup. The experiment allows controlled variation of voltage, magnetic field, pressure, electrodes geometry, and enables the installation of dedicated diagnostics. The aim of this work is to provide experimental evidence of the diocotron instability in the T-REX experimental setup and to demonstrate consistency with theoretical predictions. The analysis is based on current measurements collected by ultrafast probes installed in the experiment. A complete characterization of the diagnostic chain (probes, transmission lines, amplification system), was performed to determine its overall transfer function. Emission of charge associated with cloud disruption due to the diocotron instability was identified in the extracted signals and analyzed to determine dominant frequencies and mode numbers. The dependence of the instability dynamics on the applied voltage and magnetic field was investigated for different operating conditions. The results show the indirect observation of the diocotron instability and exhibit quantitative agreement with theoretical predictions in terms of frequency and azimuthal mode number.

Il funzionamento dei girotroni usati il riscaldamento a risonanza ciclotronica elettronica nei dispositivi per la fusione è influenzato dalla dinamica delle popolazioni di elettroni intrappolati nel cannone ad ignezione magnetronica (MIG). In questa regione, in determinate configurazioni di campi elettrici e magnetici, possono formarsi buche di potenziale elettrostatico che intrappolano elettroni secondari, generando dense nubi elettroniche non neutre e impedendo il corretto funzionamento dei girotroni. Nella fisica dei plasmi non neutri, l’instabilità di diocotrone ha un ruolo rilevante: è un’instabilità di drift azimutale, dovuta al drift E×B, che può generare delle perturbazioni di densità e la conseguente disgregazione della nube. L’utilizzo di diagnostiche all’interno dei girotroni non è possibile perché il dispositivo è sigillato prima dell’utilizzo. Per questo motivo è stato sviluppato il TRapped Electrons eXperiment (T-REX), per riprodurre condizioni di intrappolamento con un esperimento accessibile e con diagnostiche dedicate. L’apparato sperimentale consente inoltre di variare in modo controllato tensione, campo magnetico, pressione e geometria degli elettrodi. L’obiettivo di questo lavoro è fornire evidenza sperimentale della formazione dell’instabilità di diocotrone e di dimostrare coerenza con le previsioni teoriche. L’analisi si basa su misure di corrente acquisite mediante sonde ultraveloci installate nell’apparato sperimentale. È stata eseguita una caratterizzazione completa della catena diagnostica (sonde, linee di trasmissione, amplificatori) per determinarne la funzione di trasferimento. Emissioni di elettroni associate al collasso della nube sono state identificate nei segnali acquisiti e analizzate per determinarne le frequenze dominanti e il numero di modo azimutale. La dipendenza della dinamica dell’instabilità dalla tensione e dal campo magnetico è stata investigata in diverse condizioni operative. I risultati mostrano l’insorgenza dell’instabilità di diocotrone ed evidenziano accordo quantitativo con le previsioni teoriche in termini di frequenza e numero di modo azimutale.