Efficient generation of energetic ions in multi-ion plasmas by radio-frequency heating - IMT - Institut Mines-Télécom Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Nature Physics Année : 2017

Efficient generation of energetic ions in multi-ion plasmas by radio-frequency heating

O. Kazakov (1) , J. Ongena (1) , E. Lerche (1) , M. Mantsinen (2) , D. Van eester (1) , V. Kiptily (3) , Y. Li , M. Nocente (4) , F. Nabais (5) , M. Nave , R. Bilato , Ph. Jacquet (3) , T. Johnson , M. Lennholm , T. Loarer (6) , S. Sharapov (3) , D. Valcarcel , M. van Schoor , H. Weisen (7) , S. Marmar , S. Baek , H. Barnard , P. Bonoli , D. Brunner (8) , J. Candy , J. Canik , M. Churchill , I. Cziegler , G. Dekow , L. Delgado-Aparicio (9) , A. Diallo (10) , E. Edlund , P. Ennever , I. Faust , C. Fiore , Chi Gao , T. Golfinopoulos , M. Green , S. Hartwig (11) , C. Holland , E. Hubbard , W. Hughes , I. Hutchinson , J. Irby , B. Labombard , Yijun Jun , B. Lipschultz (12) , A. Loarte (13) , R. Mumgaard , R. Park (14) , M. Porkolab , M. Reinke , E. Rice , S. Scott , S. Shiraiwa (15) , P. Snyder , B. Sorbom , D. Terry , J. Terry , C. Theiler , R. Vieira , R. Walk , M. Wallace , A. White , D. Whyte , S. Wolfe , M. Wright (16) , J. Wright (17) , S. Wukitch , P. Xu , S. Abduallev , M. Abhangi , P. Abreu , M. Afzal , M. Aggarwal , T. Ahlgren , J. Ahn , L. Aho-Mantila (18) , N. Aiba , M. Airila (19) , R. Albanese (20) , V. Aldred , D. Alegre , E. Alessi , P. Aleynikov , A. Alfier , A. Alkseev , M. Allinson , B. Alper (3) , E. Alves (5) , G. Ambrosino (21) , R. Ambrosino , L. Amicucci , V. Amosov , E. Sundén , M. Angelone , M. Anghel , C. Angioni (22) , L. Appel , C. Appelbee , P. Arena (23) , M. Ariola (21) , H. Arnichand , S. Arshad , A. Ash , N. Ashikawa (24) , V. Aslanyan (25) , O. Asunta , F. Auriemma , Y. Austin , L. Avotina , M. Axton , C. Ayres , M. Bacharis , A. Baciero , D. Baião , S. Bailey (26) , A. Baker (27) , I. Balboa (3) , M. Balden , N. Balshaw , R. Bament , W. Banks , Y. Baranov , M. Barnard , D. Barnes (28) , M. Barnes , R. Barnsley (13) , A. Wiechec , L. Orte , M. Baruzzo (29) , V. Basiuk (6) , M. Bassan , R. Bastow , A. Batista , P. Batistoni , R. Baughan , B. Bauvir , L. Baylor , B. Bazylev (30) , J. Béal , S. Beaumont (31) , M. Beckers , B. Beckett (13) , A. Bécoulet (6) , N. Bekris , M. Beldishevski , K. Bell , F. Belli , M. Bellinger , E. Belonohy (32) , N. Ayed (33) , A. Benterman , H. Bergsåker , J. Bernardo , M. Bernert , M. Berry , L. Bertalot (13) , C. Besliu , M. Beurskens (3) , B. Bieg , J. Bielecki (34) , T. Biewer , M. Bigi , P. Bílková , F. Binda , A. Bisoffi , S. Bizarro , C. Björkas , J. Blackburn , K. Blackman (35) , R. Blackman , P. Blanchard (36) , P. Blatchford , V. Bobkov (22) , A. Boboc (37) , G. Bodnár , O. Bogar , I. Bolshakova (38) , T. Bolzonella , N. Bonanomi , F. Bonelli , J. Boom (22) , J. Booth , D. Borba , D. Borodin , I. Borodkina (39) , A. Botrugno , C. Bottereau (6) , P. Boulting , C. Bourdelle (6) , M. Bowden , C. Bower , C. Bowman , T. Boyce , C. Boyd , J. Boyer , M. Bradshaw , V. Braic , R. Bravanec , B. Breizman , S. Bremond , D. Brennan , S. Breton , A. Brett , S. Brezinsek (40) , M. Bright , M. Brix (3) , W. Broeckx , M. Brombin , A. Brosławski , D. Brown , M. Brown (26) , E. Bruno , J. Bucalossi (6) , J. Buch , J. Buchanan , M. Buckley (41) , R. Budny , H. Bufferand (6) , M. Bulman , N. Bulmer , P. Bunting , P. Buratti , A. Burckhart , A. Buscarino , A. Busse , K. Butler , I. Bykov (42) , J. Byrne (43) , P. Cahyna (44) , G. Calabrò (45) , I. Calvo , Y. Camenen (46) , P. Camp , D. Campling , J. Cane , B. Cannas , A. Capel , J. Card , A. Cardinali , P. Carman , M. Carr (47) , D. Carralero , L. Carraro (48) , B. Carvalho , I. Carvalho , P. Carvalho , F. J. Casson (49) , C. Castaldo , N. Catarino , J. Caumont , F. Causa , R. Cavazzana , K. Cave-Ayland , M. Cavinato , M. Cecconello , S. Ceccuzzi , E. Cecil , A. Cenedese (50) , R. Cesario , D. Challis , M. Chandler (51) , D. Chandra , S. Chang , A. Chankin , I. Chapman , S. Chapman , M. Chernyshova (52) , G. Chitarin , G. Ciraolo (6) , D. Ciric , J. Citrin (53) , F. Clairet (6) , E. Clark , M. Clark , R. Clarkson , D. Clatworthy , C. Clements , M. Cleverly , J. Coad , A. Coates (54) , A. Cobalt , V. Coccorese , V. Cocilovo , S. Coda , R. Coelho , W. Coenen , I. Coffey (55) , L. Colas (56) , S. Collins (57) , D. Conka , S. Conroy , N. Conway , D. Coombs , D. Cooper (58) , S. Cooper , C. Corradino , Y. Corre (6) , G. Corrigan (3) , S. Cortes , D. Coster (22) , S. Couchman , M. Cox (59) , T. Craciunescu , S. Cramp , R. Craven , F. Crisanti (60) , G. Croci , D. Croft , K. Crombé (61) , R. Crowe , N. Cruz , G. Cseh , A. Cufar , A. Cullen , M. Curuia , A. Czarnecka (52) , H. Dabirikhah , P. Dalgliesh , S. Dalley , J. Dankowski , D. Darrow , O. Davies , W. Davis , C. Day , I. Day , M. de Bock , A. de Castro , E. de La Cal , E. Luna (62) , G. Masi , J. de Pablos , G. de Temmerman (63) , G. de Tommasi (64) , P. de Vries (65) , K. Deakin , J. Deane , F. Agostini (66) , R. Dejarnac (67) , E. Delabie (65) , N. den Harder (53) , R. O Dendy (68) , J. Denis (6) , P. Denner , S. Devaux (69) , P. Devynck (70) , F. Maio , A. Siena (71) , C. Troia , P. Dinca (72) , R. D’inca (22) , B. Ding , T. Dittmar (6) , H. Doerk , R. Doerner , T. Donné , S. Dorling , S. Dormido-Canto , S. Doswon , D. Douai , T. Doyle , A. Drenik , P. Drewelow (22) , P. Drews , Ph. Duckworth , R. J Dumont (6) , P. Dumortier , D. Dunai , M. Dunne (22) , I. Ďuran , F. Durodié , P. Dutta , B. Duval , R. Dux , K. Dylst , N. Dzysiuk , V. Edappala , J. Edmond , M. Edwards , J. Edwards , Th. Eich , A. Ekedahl (6) , R. El-Jorf , C. Elsmore , M. Enachescu , G. Ericsson , F. Eriksson , J. Eriksson (73) , L. Eriksson , B. Esposito , S. Esquembri , G. Esser , D. Estève (6) , B. Evans , E. Evans , G. Evison , D. Ewart , D. Fagan , M. Faitsch , D. Falie , A. Fanni , A. Fasoli , M. Faustin , N. Fawlk , L. Fazendeiro , N. Fedorczak (6) , R. Felton (3) , K. Fenton , A. Fernades , H. Fernandes , J. Ferreira , A. Fessey , O. Février , O. Ficker , A. Field , S. Fietz , A. Figueiredo , J. Figueiredo (74) , Alexandre Fil , P. Finburg , M. Firdaouss (6) , U. Fischer , L. Fittill , M. Fitzgerald (75) , D. Flammini , J. Flanagan (3) , C. Fleming , K. Flinders , N. Fonnesu , M. Fontdecaba , A. Formisano , L. Forsythe , L. Fortuna (76) , E. Fortuna-Zalesna , M. Fortune (77) , S. Foster , T. Franke , T. Franklin , M. Frasca , L. Frassinetti (78) , M. Freisinger , R. Fresa , D. Frigione , V. Fuchs , D. Fuller , S. Futatani , J. Fyvie , K. Gál , D. Galassi (79) , K. Gałązka , J. Galdon-Quiroga , J. Gallagher (80) , D. Gallart , R. Galvão , X. Gao , Y. Gao (81) , J. Garcia (82) , A. Garcia-Carrasco , M. García-Muñoz , J. Gardarein (83) , L. Garzotti (3) , P. Gaudio , E. Gauthier (6) , F. Gear , S. Gee , B. Geiger (84) , M. Gelfusa , S. Gerasimov (3) , G. Gervasini , M. Gethins , Z. Ghani , M. Ghate , M. Gherendi , J. C. Giacalone (6) , L. Giacomelli , S. Gibson , T. Giegerich , C. Gil (6) , L. Gil , S. Gilligan , D. Gin (85) , E. Giovannozzi , J. Girardo , C. Giroud (3) , G. Giruzzi (86) , S. Glöggler , J. Godwin , J. Goff (87) , P. Gohil , V. Goloborod’ko , R. Gomes , B. Gonçalves , M. Goniche (6) , M. Goodliffe , A. Goodyear (3) , G. Gorini , M. Gosk , R. Goulding , A. Goussarov , R. Gowland , B. Graham , E. Graham , J. Graves , N. Grazier , P. Grazier , R. Green , H. Greuner , B. Grierson , S. Griph , C. Grisolia , D. Grist , M. Groth (19) , R. Grove , C. Grundy , J. Grzonka , D. Guard , C. Guérard , C. Guillemaut (6) , R. Guirlet (88) , C. Gurl , H. Utoh , J. Hackett , S. Hacquin (6) , A. Hagar , R. Hager , A. Hakola , M. Halitovs , S. Hall (89) , S. Cook , C. Hamlyn-Harris , K. Hammond , C. Harrington , J. Harrison , D. Harting (3) , F. Hasenbeck , Y. Hatano (90) , R. Hatch , V. Haupt , J. Hawes , C. Hawkes , J. Hawkins , P. Hawkins , W. Haydon , N. Hayter , S. Hazel , J. Heesterman , K. Heinola , C. Hellesen (91) , T. Hellsten , W. Helou (6) , N. Hemming , C. Hender , M. Henderson , S. Henderson , R. Henriques , D. Hepple , G. Hermon , P. Hertout (6)
1 LPP - Laboratory for Plasma Physics
2 BSC-CNS - Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputacion
3 EURATOM/CCFE Fusion Association
4 UNIMIB - Università degli Studi di Milano-Bicocca = University of Milano-Bicocca
5 IPFN - Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear [Lisboa]
6 IRFM - Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique
7 EPFL - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
8 IAC - Institute for Atmospheric and Climate Science [Zürich]
9 PPPL - Princeton Plasma Physics Laboratory
10 CINaM - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille
11 HZB - Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH = Helmholtz Centre Berlin for Materials and Energy = Centre Helmholtz de Berlin pour les matériaux et l'énergie
12 YPI - York Plasma Institute
13 ITER - ITER organization
14 SEES - School of Earth and Environmental Sciences [Seoul]
15 Graduate School of Frontier Sciences
16 School of Medicine
17 ESRF - European Synchrotron Radiation Facility
18 VTT - VTT Technical Research Centre of Finland
19 Association EURATOM-TEKES
20 Assoc. Euratom-ENEA-CREATE
21 Assoc. Euratom-ENEA-CREATE
22 IPP - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik [Garching]
23 Assoc. Euratom-ENEA-CREATE
24 NIFS - National Institute for Fusion Science
25 MIT - Massachusetts Institute of Technology
26 LPNHE - Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies
27 Culham Science Centre [Abingdon]
28 Department of Pharmacology, Division of Neuroscience
29 RFX - Consorzio RFX, Associazione Euratom/ENEA sulla Fusione
30 KIT - Karlsruhe Institute of Technology
31 ICSN - Institut de Chimie des Substances Naturelles
32 EFDA-CSU - European Fusion Development Agreement [Garching bei München]
33 INSAT - Institut National des Sciences Appliquées et de Technologie [Tunis]
34 H. Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics
35 LHEEA - Laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Énergétique et Environnement Atmosphérique
36 CIMMA - Chimie, Ingénierie Moléculaire et Matériaux d'Angers
37 Euratom/UKAEA Fusion Assoc.
38 MSL - Magnetic Sensor laboratory [Lviv]
39 The National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute) [Moscow, Russia]
40 IEK-4 - Institute of Energy and Climate Research - Plasma Physics
41 inconnu temporaire UPEMLV
42 Institute for Problems of Material Science
43 UMR CNRS 8179
44 Institute of Plasma Physics [Praha]
45 Istituto di Fisica del Plasma, EURATOM-ENEA-CNR Association
46 PIIM - Physique des interactions ioniques et moléculaires
47 Department of Breast Surgery
48 3MI-ENSMSE - Département Méthodes et Modèles Mathématiques pour l'Industrie
49 CCFE - Culham Centre for Fusion Energy
50 Department of Hydraulics
51 LMGM - Laboratoire de microbiologie et génétique moléculaires - UMR5100
52 IPPLM - Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion [Warsaw]
53 DIFFER - Dutch Institute for Fundamental Energy Research [Eindhoven]
54 MSSL - Mullard Space Science Laboratory
55 ARC - Astrophysics Research Centre [Belfast]
56 DRFC - Département de Recherche sur la Fusion Contrôlée
57 Institut fur Theoretische Physik, D-93040, Universitat Regensburg - Germany
58 CEA-LETI - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information
59 AAD - Australian Antarctic Division
60 Associazone EURATOM ENEA sulla Fusione
61 LPP ERM KMS - Laboratoire de physique des plasmas de l'ERM, Laboratorium voor plasmafysica van de KMS
62 PDI - Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik
63 Institut für Physik
64 University of Naples Federico II = Università degli studi di Napoli Federico II
65 DIFFER - Dutch Institute for Fundamental Energy Research [Nieuwegein]
66 LML - Laboratoire de Mécanique de Lille - FRE 3723
67 IPP PRAGUE - Institute of Plasma Physics, Association Euratom/IPP.CR
68 UKAEA Fusion
69 Optimisation Métabolique et Cellulaire
70 CEA Cadarache
71 FBK - Fondazione Bruno Kessler [Trento, Italy]
72 NIPNE - NIPNE -Bucharest-Magurele
73 Dept of Physics and Astronomy
74 University of Évora [Portugal]
75 IGPP - Institute of Geophysics and Planetary Physics [Livermore]
76 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Elettronica e dei Sistemi
77 UMR MARBEC - MARine Biodiversity Exploitation and Conservation
78 Department of Physics [Stockholm]
79 M2P2 - Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres
80 Dept. of Astronomy
81 THU - Tsinghua University [Beijing]
82 CEntre Technique des Industries Mécaniques - Cetim (FRANCE)
83 IUSTI - Institut universitaire des systèmes thermiques industriels
84 Sygen International Plc
85 A.F. Ioffe Physical-Technical Institute
86 CEA/DSM/DRFC - Association EURATOM-CEA
87 Australian Tsunami Research Centre
88 LLR - Laboratoire Leprince-Ringuet
89 ICGM - Institut Charles Gerhardt Montpellier - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux de Montpellier
90 Advanced Science Research Center
91 Uppsala University
J. Ongena
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Résumé

We describe a new technique for the efficient generation of high-energy ions with electromagnetic ion cyclotron waves in multi-ion plasmas. The discussed ‘three-ion’ scenarios are especially suited for strong wave absorption by a very low number of resonant ions. To observe this effect, the plasma composition has to be properly adjusted, as prescribed by theory. We demonstrate the potential of the method on the world-largest plasma magnetic confinement device, JET (Joint European Torus, Culham, UK), and the high-magnetic-field tokamak Alcator C-Mod (Cambridge, USA). The obtained results demonstrate efficient acceleration of $^3$He ions to high energies in dedicated hydrogen–deuterium mixtures. Simultaneously, effective plasma heating is observed, as a result of the slowing-down of the fast $^3$He ions. The developed technique is not only limited to laboratory plasmas, but can also be applied to explain observations of energetic ions in space-plasma environments, in particular, $^3$He-rich solar flares.
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Citer

O. Kazakov, J. Ongena, E. Lerche, M. Mantsinen, D. Van eester, et al.. Efficient generation of energetic ions in multi-ion plasmas by radio-frequency heating. Nature Physics, 2017, 13 (10), pp.973-978. ⟨10.1038/NPHYS4167⟩. ⟨cea-01898634⟩
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