Development of an Ultrafast Charge Exchange Spectroscopy System for Analyzing Ion Characteristics on the KSTAR Tokamak = KSTAR 토카막에서 이온 특성 분석을 위한 초고속 전하교환 분광 진단계 개발 연구

국문 초록 (Abstract)

자장 가둠 핵융합 플라즈마의 에너지 수송 향상과 안정적인 운전을 달성하기 위해서는 경계면 불안정 현상 (Edge Localized Modes, ELMs), 톱니형 붕괴 (sawtooth crashes), 자기 재결합 (magnetic reconnection)과 같은 빠르게 변화하는 MHD 현상의 이해가 필수적이다. 이러한 현상들은 수백 마이크로초 이내의 매우 짧은 시간 스케일에서 발생하며, 이온 온도 및 회전 속도와 같은 플라즈마 물리량의 급격한 변화를 수반한다. 이에 따라, 이러한 순간적인 거동을 정확히 포착하기 위해서는 높은 시간 및 스펙트럼 분해능을 동시에 갖춘 진단 시스템이 요구된다. 그러나 대부분의 기존 전하교환분광 (Charge Exchange Spectroscopy, CES) 시스템은 1–10 ms 수준의 시간 분해능에 제한되며, 고속 CES 시스템조차도 짧은 노출 시간 하에서는 스펙트럼 분해능이 저하되는 한계를 갖는다. 이로 인해, ITER와 같은 차세대 핵융합 장치에서 중요한 빠른 이온 현상을 해석하는 데 제약이 발생한다.
이러한 기술적 공백을 해소하고자, 본 연구에서는 KSTAR 토카막에 1 μs 수준의 시간 분해능을 달성할 수 있는 초고속 전하교환분광 (Ultrafast CES, UFCES) 시스템을 개발하고 설치하였다. 초기 개발 단계에서 두 가지 핵심 기술적 이슈에 초점을 맞추었으며, 각각 (1) 짧은 노출 시간으로 인한 낮은 광량과 (2) 광 수집 및 하드웨어 한계로 인한 낮은 스펙트럼 분해능이었다. 이를 해결하기 위해, 많은 광량 수집이 가능한 광섬유 배열이 결합된 수광계와 고효율 회절격자 (gratings), 저 f-number 광학 렌즈, 고감도 증폭형 광전자증배관 (PMT)이 조합된 광학계가 설계되었다. 이러한 설계를 통해 수광 효율을 극대화하면서도 스펙트럼 분해능을 유지할 수 있도록 시스템이 구성되었다.
시스템의 성능 평가는 합성 스펙트럼 기반의 시뮬레이션과 실험 데이터를 병행하여 수행되었으며, SOS (simulation of spectra) 코드가 핵심적으로 활용되었다. 시뮬레이션을 통해 UFCES 시스템이 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio, SNR) 10 이상을 유지할 수 있는 운전 가능 영역이 설정되었으며, 이는 분광계 설계 변수, 플라즈마 변수, 중성입자빔 변수에 따라 계산되었다. 특히 ITER와 같이 측정 대상 원소인 탄소 불순물 농도가 낮은 조건에서도 신뢰성 있는 진단이 가능하도록 기준 SNR을 설정하였으며, 그 결과 UFCES는 다양한 운전 조건 하에서도 기능이 유지됨을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
UFCES 진단계 제작 후에는 시스템의 설치, 기본 실험, 교정, 데이터 처리, 초기 계측 등으로 구성된 시운전 과정을 체계적으로 수행하였다. 초기 플라즈마 실험에서는 기존 CES 시스템 측정 결과와 높은 일치성을 보였으며, 이온 온도 및 회전 속도의 시간 변화가 마이크로초 해상도로 안정적으로 측정됨을 확인함으로써 설계 성능이 실현되었음을 검증하였다.
시운전이 완료된 시스템을 활용하여, ELM 붕괴 시점에서의 이온 역학에 대한 실험적 관측을 수행하였다. UFCES 시스템을 통해 수백 마이크로초 이내의 이온 온도 급상승과 토로이달 회전 속도 저하를 동반하는 이온 burst 현상이 확인되었으며, 이는 Type I ELM 구간에서만 한정적으로 관측되었다. 이러한 이온 burst는 미르노프 코일을 이용한 자기 섭동 신호와의 시간적 상관성 분석을 통해 강한 MHD 활동과의 연관성을 나타냈으며, 특히 이온 온도 상승률과 자기 신호 간의 상관성이 뚜렷하게 나타남에 따라, 경계 영역에서 발생하는 국소적인 자기 재결합에 의한 에너지 전달 현상으로 해석될 가능성이 제시되었다.
본 연구에서 개발된 UFCES 시스템은 높은 시간 분해능으로 이온 역학을 진단할 수 있는 능력을 입증하였으며, 빠른 MHD 현상에 수반되는 수 밀리초 미만의 이온 burst 현상을 성공적으로 관측함으로써 진단 설계의 유효성을 검증하였다. 나아가 ELM 붕괴 시 이온 스케일의 에너지 수송 과정에 대한 새로운 실험적 통찰을 제공하였으며, UFCES 시스템은 향후 차세대 핵융합 실험에서의 강력한 진단 플랫폼으로서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Understanding fast magnetohydrodynamic (MHD) phenomena such as edge-localized modes (ELMs), sawtooth crashes, and magnetic reconnection events is essential for improving confinement and achieving stable operation in magnetically confined fusion plasmas. These events occur on sub-millisecond timescales and involve rapid changes in plasma parameters such as ion temperature and rotation, which necessitates advanced diagnostic systems capable of capturing such transient behaviors with high temporal and spectral fidelity. However, most conventional charge exchange spectroscopy (CES) systems are limited by a temporal resolution of 1–10 ms and fast CES systems are degraded spectral resolution under short exposure conditions. These limitations hinder the ability to resolve short-lived ion-scale dynamics that are critical for interpreting transport and stability in next-generation devices, including ITER.
To address this gap, an ultrafast charge exchange spectroscopy (UFCES) system was developed and deployed on the KSTAR tokamak. The UFCES system is designed to achieve a temporal resolution of 1 μs, marking a significant improvement over existing CES diagnostics. In the early development phase, two major technical challenges were identified and addressed: (1) insufficient photon intensity due to short exposure times, and (2) low spectral resolution from the limited light collection and hardware constraints. To resolve these, the diagnostic system was equipped with collection optic designed for high light throughput, and a grating–detector assembly coupled to a preamplified photomultiplier system that enhanced sensitivity. In addition, optical component selection, low f-number lenses, and high-efficiency gratings were optimized to maximize photon collection while preserving spectral resolution.
The performance of the system was evaluated through a combination of synthetic spectrum simulations and empirical tests, with the simulation of spectra (SOS) code playing a central role. Simulated spectra were used to determine the operational regimes—calculated by design specification of spectrometer, plasma parameters, and neutral beam parameters—in which the UFCES system could maintain a signal-to-noise ratio (SNR) exceeding 10. This threshold was set to ensure reliability even under low-carbon impurity scenarios, such as those expected in ITER. Performance maps confirmed that the system remains functional even under unfavorable conditions, validating its applicability for reactor-grade plasmas.
Following hardware manufacture, a comprehensive commissioning phase was conducted, which included installation, fundamental experiment, calibrations, data processing, and initial measurements under the KSTAR plasma discharges. Data of initial measurements showed good agreement with the conventional CES. Temporal evolution of ion characteristics like rotation velocity and temperature was tracked successfully on microsecond timescales. These results demonstrate that the UFCES system achieved its design performance targets, confirming its readiness for detailed physical analysis.
Leveraging the fully commissioned system, experimental observations of transient ion dynamics during ELM crashes are presented. The UFCES system observed burst-like events characterized by rapid increases in ion temperature and decreases in toroidal rotation velocity within a few hundred microseconds. These ion burst events were observed exclusively during Type I ELMs and the temporal coincidence of the bursts with magnetic fluctuations suggests a strong link to MHD activity. In particular, the correlation with increase rate of ion temperature and magnetic probe signals supports the interpretation that the ion bursts are driven by localized magnetic reconnection near the edge region. These findings highlight the capability of UFCES to resolve fine-scale ion dynamics and provide experimental evidence for reconnection-mediated energy transport during ELM crashes.
In summary, the UFCES system demonstrated its capability to measure ion dynamics on unprecedented timescales, enabling the successful observation of sub-ms ion bursts associated with fast transient MHD events. These results not only validate the diagnostic design but also offer new insight into ion-scale transport processes during ELM crashes. The UFCES system thus establishes a powerful diagnostic platform for next-generation fusion experiments.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents v
• List of Tables vii
• List of Figures viii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Tokamak 3
• 1.2. Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) 6
• 1.3. Charge Exchange Spectroscopy (CES) 7
• 1.4. Objectives of Research 12
• Chapter 2. Ultrafast Charge Exchange Spectroscopy (UFCES) System on the KSTAR 13
• 2.1. Design of the UFCES System 15
• 2.1.1. Collection Optics with Viewing Geometry 17
• 2.1.2. Spectrometer with Optical Fiber Bundles and Detector 19
• 2.2. Simulation of Spectra (SOS) Code 23
• 2.2.1. Basis of the SOS Code 23
• 2.2.2. Physical Parts for CXRS modelling 26
• 2.2.3. Application to the UFCES System Design 28
• 2.3. Preliminary Test 35
• Chapter 3. Commissioning of the UFCES system 38
• 3.1. Installation and Fundamental Experiment 38
• 3.2. Calibrations 40
• 3.2.1. Spatial Calibration 40
• 3.2.2. Wavelength Calibration 42
• 3.3. Data Processing 44
• 3.4. Initial Measurements 48
• 3.5. Verification and Advantages 50
• Chapter 4. Ion Bursting Events during Edge Localized Mode (ELM) Crash 54
• 4.1. Observation of Ion Bursting Phenomena during ELM crash 56
• 4.2. Characteristics of Ion Bursting Events 59
• 4.3. Discussion of Ion Burst Events 68
• 4.3.1. Energy Flux Diffusion 68
• 4.3.2. Magnetic Reconnection 73
• Chapter 5. Conclusions and Future Work 81
• Bibliography 85
• 국 문 초 록 89