A new scintillator based fast-ion loss detector (FILD) system has been designed for the Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator. The mechanical design of the system is presented here along with engineering analyses of the system. This includes an assessment of the structural loads which also considers electromagnetic forces calculated for possible disruption scenarios as well as a mode frequency analysis of the system. Furthermore, an analysis of the thermal characteristics of the actively cooled probe head under prescribed steady state and transient heat loads is presented. Finally, the optical relay system is described and its properties used to forward model synthetic camera signals using the FILDSIM code and based on theoretical fast-ion losses incident on the probe head calculated using the ASCOT5 code.

A quantitative theoretical framework has been created to model neutral beam injection and fast ion losses in the Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator, including a novel method to develop synthetic diagnostics for fast ion loss detectors (FILDs) of many types, such as scintillating and Faraday Cup FILDs. This is the first time that this has been done in stellarator geometry with this level of fidelity, providing a way for fast ion losses to be predicted more precisely in future stellarator experiments and in W7-X. Simulations of the signal seen by a Faraday Cup FILD have been completed for multiple W7-X plasmas and show close agreement with the measured signals. This method is now applied to an actively water-cooled, scintillator-based FILD, which is currently in development to measure the fast ion loss distribution in W7-X in greater detail. The design makes use of a double slit to measure energy-and-pitch-angle-resolved losses of both co-going and counter-going fast ions. The diagnostic, which can be inserted to different radial positions, has been designed to withstand steady-state heat fluxes of up to 120 kW/m2 along with additional transient heat loads of 100 kW/m2 lasting for up to 20 s at a time. Simulations of W7-X standard magnetic configuration show up to 8 × 1013 (s−1 cm−2) ion fluxes onto the sensor from each neutral beam source and no signal from the counter-going slit. These simulations will help inform experimental proposals for future W7-X campaigns after installation of this diagnostic.

Abstract We introduce an anisotropic regularization framework for the reconstruction of distribution functions from measurements, utilizing an approach that applies distinct regularization techniques such as non-negative constrained Tikhonov, total variation, and Besov-space priors, either penalizing the one-norm or the two-norm, in each dimension to reflect the anisotropic characteristics of the multidimensional data. This method, applied to fast-ion loss detector (FILD) measurements, demonstrates a significant improvement over conventional nonnegative-constrained zeroth-order Tikhonov regularization because the prior information of the form of the distribution allows better reconstructions. The validity of the approach is corroborated through FILD measurements of prompt fast-ion losses in an ASDEX Upgrade discharge, where the reconstructed distribution function agrees well with the prompt-loss distribution predicted by ASCOT simulations. Moreover, we develop a composite quality metric, Q , that combines the mean squared error and the Jaccard index for a comprehensive evaluation of reconstruction accuracy and spatial fidelity. Finally, anisotropic regularization is applied to FILD measurements at ASDEX Upgrade to study fast-ion acceleration by edge-localized modes. The refined analysis resolves fine structure in the pitch of the accelerated ions and clearly shows that some ions are accelerated to over twice the injection energy.

Abstract A Fast-Ion Loss Detector (FILD) was installed for the first time at the MAST-U spherical tokamak during its upgrade in 2021. A new CMOS camera was installed in the MAST-U FILD acquisition system to provide high spatial resolution (1.1 MPx) with an acquisition frequency of up to 3.5 kHz. This camera has enabled the systematic analysis of the velocity-space of the fast-ion losses measured in MAST-U presented in this manuscript. The main parameters that determine the FILD measurement have been analysed to maximise the signal in the detector: The orbit-following code ASCOT predicts an inverse relation between the FILD signal and the probe's relative distance to the separatrix. This prediction has been validated experimentally, enabling the measurement of fast-ion losses in the flat-top phase of the discharge; furthermore, ASCOT simulations show a big impact of the edge safety factor (q95) on the toroidal deposition of the first-orbit losses, indicating that the signal in the MAST-U FILD can be maximised by running scenarios with q95<6. This prediction was validated experimentally by a scan in the toroidal magnetic field. The experimental resolution of the MAST-U FILD has been evaluated for a typical MAST-U scenario with up to 750 kA plasma current. The results show that the diagnostic resolution is in the order of 0.5 to 1 degree in pitch angle, and of 1 to 3 cm in gyroradius in current scenarios. A systematic analysis of the velocity-space of the losses shows that the measured gyroradii of the prompt-losses match those of the NBI injection energies within the resolution of the diagnostic. The experimentally measured pitch angles have been compared with ASCOT simulations, and it has been found that the agreement is better for scenarios heated with the on-axis beam, since this beam enables measurements of the magnetic field pitch angle. This analysis has been applied to a discharge where type-III ELM-induced fast-ion losses were measured, showing that the ELMs result in an increase in the FILD signal, and that the losses are coming from passing orbits.

Abstract The most efficient and promising operational regime for the International Thermonuclear Experimental Reactor tokamak is the high-confinement mode. In this regime, however, periodic relaxations of the plasma edge can occur. These edge-localized modes pose a threat to the integrity of the fusion device. Here we reveal the strong impact of energetic ions on the spatio-temporal structure of edge-localized modes in tokamaks using nonlinear hybrid kinetic–magnetohydrodynamic simulations. A resonant interaction between the fast ions at the plasma edge and the electromagnetic perturbations from the edge-localized mode leads to an energy and momentum exchange. Energetic ions modify, for example, the amplitude, frequency spectrum and crash timing of edge-localized modes. The simulations reproduce some observations that feature abrupt and large edge-localized mode crashes. The results indicate that, in the International Thermonuclear Experimental Reactor, a strong interaction between the fusion-born alpha particles and ions from neutral beam injection, a main heating and fast particle source, is expected with predicted edge-localized mode perturbations. This work advances the understanding of the physics underlying edge-localized mode crashes in the presence of energetic particles and highlights the importance of including energetic ion kinetic effects in the optimization of edge-localized mode control techniques and regimes that are free of such modes.

Recent experiments at the ASDEX Upgrade tokamak have provided the first ever measurements from the imaging heavy-ion beam probe. In this work, we show that the developed simulation framework can reproduce qualitatively the measurement’s observed shape and position. Quantitatively, we demonstrate that the model reproduces, within the experimental uncertainties, the observed signal levels. A detailed explanation of the synthetic model is presented, along with the calibration of the optical setup that reproduces the measurements.

Abstract A relativistic electron probe has been developed in the DIII-D tokamak, capable of simultaneously&#xD;resolving pitch angles and energies of runaway electrons (REs) for the first time. Due to relativistic&#xD;speeds of REs, their gyro-orbit size becomes comparable to those of fast deuterium with energies in&#xD;tens of keV range. This allows for the measurement of RE strike images on a phosphor plane, with&#xD;their orbits being deflected by the Lorentz force as they pass through a pinhole aperture. The strike&#xD;positions correspond to the energies and pitch of the incident REs. Monte Carlo N-Particle Transport&#xD;Code has shown that an ultra-thin phosphor coating significantly reduces energy deposition from&#xD;γ-rays, while allowing much greater deposition from REs, minimizing the background noise. The&#xD;novel system, developed for DIII-D tokamak, is expected to provide unprecedented insights into the&#xD;phase-space dynamics of REs.