Bulk ion toroidal rotation plays a critical role in controlling microturbulence and MHD stability as well as yielding important insight into angular momentum transport and the investigation of intrinsic rotation. So far, our understanding of bulk plasma flow in hydrogenic plasmas has been inferred from impurity ion velocity measurements and neoclassical theoretical calculations. However, the validity of these inferences has not been tested rigorously through direct measurement of the main-ion rotation in deuterium plasmas, particularly in regions of the plasma with steep pressure gradients where very large differences can be expected between bulk ion and impurity rotation. New advances in the analysis of wavelength-resolved Dα emission on the DIII-D tokamak [J. L. Luxon et al., Fusion Sci. Technol. 48, 807 (2002)] have enabled accurate measurements of the main-ion (deuteron) temperature and toroidal rotation. The Dα emission spectrum is accurately fit using a model that incorporates thermal deuterium charge exchange, beam emission, and fast ion Dα (FIDA) emission spectra. Simultaneous spectral measurements of counter current injected and co current injected neutral beams permit a direct determination of the deuterium toroidal velocity. Time-dependent collisional radiative modeling of the photoemission process is in quantitative agreement with measured spectral characteristics. L-mode discharges with low beam ion densities and broad thermal pressure profiles exhibit deuteron temperature and toroidal rotation velocities similar to carbon. However, intrinsic rotation H-mode conditions and plasmas with internal transport barriers exhibit differences between core deuteron and carbon rotation which are inconsistent with the sign and magnitude of the neoclassical predictions.

1.
A. M.
Garofalo
,
A. D.
Turnbull
,
M. E.
Austin
,
J.
Bialek
,
M. S.
Chu
,
K. J.
Comer
,
E. D.
Fredrickson
,
R. J.
Groebner
,
R. J.
La Haye
,
L. L.
Lao
,
E. A.
Lazarus
,
G. A.
Navratil
,
T. H.
Osborne
,
B. W.
Rice
,
S. A.
Sabbagh
,
J. T.
Scoville
,
E. J.
Strait
, and
T. S.
Taylor
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3811
(
1999
).
2.
J. W.
Berkery
,
S. A.
Sabbagh
,
H.
Reimerdes
,
R.
Betti
,
B.
Hu
,
R. E.
Bell
,
S. P.
Gerhardt
,
J.
Manickam
, and
M.
Podestà
,
Phys. Plasmas
17
,
082504
(
2010
).
3.
P. A.
Politzer
,
C. C.
Petty
,
R. J.
Jayakumar
,
T. C.
Luce
,
M. R.
Wade
,
J. C.
DeBoo
,
J. R.
Ferron
,
P.
Gohil
,
C. T.
Holcomb
,
A. W.
Hyatt
,
J.
Kinsey
,
R. J.
La Haye
,
M. A.
Makowski
, and
T. W.
Petrie
,
Nucl. Fusion
48
,
075001
(
2008
).
4.
R. J.
Buttery
,
R. J.
La Haye
,
P.
Gohil
,
G. L.
Jackson
,
H.
Reimerdes
,
E. J.
Strait
, and the DIII-D Team,
Phys. Plasmas
15
,
056115
(
2008
).
5.
R. J.
La Haye
,
D. P.
Brennan
,
R. J.
Buttery
, and
S. P.
Gerhardt
,
Phys. Plasmas
17
,
056110
(
2010
).
6.
K. H.
Burrell
,
Phys. Plasmas
4
,
1499
(
1997
).
7.
J. S.
deGrassie
,
J. E.
Rice
,
K. H.
Burrell
,
R. J.
Groebner
, and
W. M.
Solomon
,
Phys. Plasmas
14
,
056115
(
2007
).
8.
J. E.
Rice
,
A.
Ince-Cushman
,
J. S.
deGrassie
,
L.-G.
Eriksson
,
Y.
Sakamoto
,
A.
Scarabosio
,
A.
Bortolon
,
K. H.
Burrell
,
B. P.
Duval
,
C.
Fenzi-Bonizec
,
M. J.
Greenwald
,
R. J.
Groebner
,
G. T.
Hoang
,
Y.
Koide
,
E. S.
Marmar
,
A.
Pochelon
, and
Y.
Podpaly
,
Nucl. Fusion
47
,
1618
(
2007
).
9.
W. M.
Solomon
,
K. H.
Burrell
,
J. S.
deGrassie
,
J. A.
Boedo
,
A. M.
Garofalo
,
R. A.
Moyer
,
S. H.
Muller
,
C. C.
Petty
, and
H.
Reimerdes
,
Nucl. Fusion
51
,
073010
(
2011
).
10.
R. V.
Budny
,
R.
Andre
,
G.
Bateman
,
F.
Halpern
,
C. E.
Kessel
,
A.
Kritz
, and
D.
McCune
,
Nucl. Fusion
48
,
075005
(
2008
).
11.
R. C.
Isler
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
36
,
171
(
1994
).
12.
R. P.
Seraydarian
,
K. H.
Burrell
,
N. H.
Brooks
,
R. J.
Groebner
, and
C.
Kahn
,
Rev. Sci. Instrum.
57
,
155
(
1986
).
13.
S. P.
Hirshman
and
D. J.
Sigmar
,
Nucl. Fusion
21
,
1079
(
1981
).
14.
Y.
Kim
,
P.
Diamond
, and
R.
Groebner
,
Phys. Fluids B: Plasma Phys.
3
,
2050
(
1991
).
15.
W. A.
Houlberg
,
K. C.
Shaing
,
S. P.
Hirshman
, and
M. C.
Zarnstorff
,
Phys. Plasmas
4
,
3230
(
1997
).
16.
B. A.
Grierson
,
K. H.
Burrell
,
W. M.
Solomon
, and
N. A.
Pablant
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
10D735
(
2010
).
17.
W. W.
Heidbrink
,
Comm. Comput. Phys.
10
(3),
716
(
2011
).
18.
J. L.
Luxon
et al.,
Fusion Sci. Technol.
48
,
807
(
2002
).
19.
W. M.
Solomon
,
K. H.
Burrell
,
R.
Feder
,
A.
Nagy
,
P.
Gohil
, and
R. J.
Groebner
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
10F531
(
2008
).
20.
R. B.
Howell
,
R. J.
Fonck
,
R. J.
Knize
, and
K. P.
Jaehnig
,
Rev. Sci. Instrum.
59
,
1521
(
1988
).
21.
M.
von Hellermann
,
P.
Breger
,
J.
Frieling
,
R.
Konig
,
W.
Mandl
,
A.
Maas
, and
H. P.
Summers
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
37
,
71
(
1995
).
22.
R. E.
Bell
and
E. J.
Synakowski
,
AIP Conf. Proc.
547
,
39
(
2000
).
23.
R. E.
Bell
and
R.
Feder
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
10D724
(
2010
).
24.
W. M.
Solomon
,
K. H.
Burrell
,
P.
Gohil
,
R. J.
Groebner
, and
L. R.
Baylor
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
3481
(
2004
).
25.
D. M.
Thomas
,
G. R.
McKee
,
K. H.
Burrell
,
F.
Levinton
,
E. L.
Foley
, and
R. K.
Fisher
,
Fusion Sci. Technol.
53
,
487
(
2008
).
26.
W.
Mandl
, Technical Report JET-IR(92)05, JE-T,
1992
.
27.
J. T.
Hogan
,
J. Nucl. Mater.
111
,
413
(
1982
).
28.
N. A.
Pablant
,
K. H.
Burrell
,
R. J.
Groebner
,
D. H.
Kaplan
, and
C. T.
Holcomb
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
10F517
(
2008
).
29.
N. A.
Pablant
,
K. H.
Burrell
,
R. J.
Groebner
,
C. T.
Holcomb
, and
D. H.
Kaplan
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
10D729
(
2010
).
30.
N. A.
Pablant
, Ph.D dissertation,
University of California
, San Diego,
2010
).
31.
W. W.
Heidbrink
,
N. N.
Gorelenkov
,
Y.
Luo
,
M. A.
Van Zeeland
,
R. B.
White
,
M. E.
Austin
,
K. H.
Burrell
,
G. J.
Kramer
,
M. A.
Makowski
,
G. R.
McKee
,
R.
Nazikian
, and the DIII-D Team,
Phys. Rev. Lett.
99
,
245002
(
2007
).
32.
W. W.
Heidbrink
,
J. M.
Park
,
M.
Murakami
,
C. C.
Petty
,
C.
Holcomb
, and
M. A.
Van Zeeland
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
175001
(
2009
).
33.
R. J.
Hawryluk
, in Physics of plasmas close to thermonuclear conditions, edited by B. Coppi, G. G. Leotta, D. Pfirsch, R. Pozzoli, and E. Sindoni (CEC/Pergamon, Brussels, 1980), Vol. 1, p. 19.
34.
R. J.
Goldston
,
D. C.
McCune
,
H. H.
Towner
,
S. L.
Davis
,
R. J.
Hawryluk
, and
G. L.
Schmidt
,
J. Comput. Phys.
43
,
61
(
1981
).
35.
A.
Pankin
,
D.
McCune
,
R.
Andre
,
G.
Bateman
, and
A.
Kritz
,
Comput. Phys. Commun.
159
,
157
(
2004
).
36.
L. L.
Lao
,
H.
St. John
,
R. D.
Stambaugh
,
A. G.
Kellman
, and
W.
Pfeiffer
,
Nucl. Fusion
25
,
1611
(
1985
).
37.
Y.
Luo
,
W. W.
Heidbrink
,
K. H.
Burrell
,
E.
Ruskov
, and
W. M.
Solomon
,
Phys. Plasmas
14
,
112503
(
2007
).
38.
W.
Mandl
,
R. C.
Wolf
,
M. G.
von Hellermann
, and
H. P.
Summers
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
35
,
1373
(
1993
).
39.
See http://www.adas.ac.uk for ADAS atomic data and analysis structure. The originating developer of ADAS is the JET joint undertaking.
40.
O.
Marchuk
,
Y.
Ralchenko
,
R. K.
Janev
,
W.
Biel
,
E.
Delabie
, and
A. M.
Urnov
,
J. Phys. B: Atomic, Molecular and Optical Physics
43
,
011002
(
2010
).
41.
J. A.
Boedo
,
E. A.
Belli
,
E.
Hollmann
,
W. M.
Solomon
,
D. L.
Rudakov
,
J. G.
Watkins
,
R.
Prater
,
J.
Candy
,
R. J.
Groebner
,
K. H.
Burrell
,
J. S.
deGrassie
,
C. J.
Lasnier
,
A. W.
Leonard
,
R. A.
Moyer
,
G. D.
Porter
,
N. H.
Brooks
,
S.
Muller
,
G.
Tynan
, and
E. A.
Unterberg
,
Phys. Plasmas
18
,
032510
(
2011
).
42.
S. H.
Müller
,
J. A.
Boedo
,
K. H.
Burrell
,
J. S.
deGrassie
,
R. A.
Moyer
,
D. L.
Rudakov
, and
W. M.
Solomon
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
115001
(
2011
).
43.
S. H.
Müller
,
J. A.
Boedo
,
K. H.
Burrell
,
J. S.
deGrassie
,
R. A.
Moyer
,
D. L.
Rudakov
,
W. M.
Solomon
, and
G. R.
Tynan
,
Phys. Plasmas
18
,
072504
(
2011
).
44.
P.
Helander
and
D. J.
Sigmar
,
Collisional Transport in Magnetized Plasmas
, edited by
M. G.
Haines
et al. (
Cambridge University Press
,
Cambridge, MA
,
2002
).
45.
J.
Kim
,
K. H.
Burrell
,
P.
Gohil
,
R. J.
Groebner
,
Y.-B.
Kim
,
H. E.
St. John
,
R. P.
Seraydarian
, and
M. R.
Wade
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
2199
(
1994
).
46.
W. M.
Solomon
,
K. H.
Burrell
,
R.
Andre
,
L. R.
Baylor
,
R.
Budny
,
P.
Gohil
,
R. J.
Groebner
,
C. T.
Holcomb
,
W. A.
Houlberg
, and
M. R.
Wade
,
Phys. Plasmas
13
,
056116
(
2006
).
47.
R. E.
Bell
,
R.
Andre
,
S. M.
Kaye
,
R. A.
Kolesnikov
,
B. P.
LeBlanc
,
G.
Rewoldt
,
W. X.
Wang
, and
S. A.
Sabbagh
,
Phys. Plasmas
17
,
082507
(
2010
).
48.
A. R.
Field
,
J.
McCone
,
N. J.
Conway
,
M.
Dunstan
,
S.
Newton
, and
M.
Wisse
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
51
,
105002
(
2009
).
49.
R. E.
Bell
,
F. M.
Levinton
,
S. H.
Batha
,
E. J.
Synakowski
, and
M. C.
Zarnstorff
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
1429
(
1998
).
50.
K.
Crombé
,
Y.
Andrew
,
M.
Brix
,
C.
Giroud
,
S.
Hacquin
,
N. C.
Hawkes
,
A.
Murari
,
M. F. F.
Nave
,
J.
Ongena
,
V.
Parail
,
G.
Van Oost
,
I.
Voitsekhovitch
, and
K.-D.
Zastrow
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
155003
(
2005
).
51.
E. A.
Belli
and
J.
Candy
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
50
,
095010
(
2008
).
52.
W. X.
Wang
,
W. M.
Tang
,
F. L.
Hinton
,
L. E.
Zakharov
,
R. B.
White
, and
J.
Manickam
,
Comput. Phys. Commun.
164
,
178
(
2004
).
53.
R. E.
Waltz
,
G. M.
Staebler
,
J.
Candy
, and
F. L.
Hinton
,
Phys. Plasmas
14
,
122507
(
2007
).
54.
G.
Dif-Pradalier
,
P. H.
Diamond
,
V.
Grandgirard
,
Y.
Sarazin
,
J.
Abiteboul
,
X.
Garbet
,
P.
Ghendrih
,
G.
Latu
,
A.
Strugarek
,
S.
Ku
, and
C. S.
Chang
,
Phys. Plasmas
18
,
062309
(
2011
).
55.
J. E.
Rice
,
M.
Greenwald
,
I. H.
Hutchinson
,
E. S.
Marmar
,
Y.
Takase
,
S. M.
Wolfe
, and
F.
Bombarda
,
Nucl. Fusion
38
,
75
(
1998
).
56.
J. S.
deGrassie
,
R. J.
Groebner
,
K. H.
Burrell
, and
W. M.
Solomon
,
Nucl. Fusion
49
,
085020
(
2009
).
57.
J. S.
deGrassie
,
R. J.
Groebner
, and
K. H.
Burrell
,
Phys. Plasmas
13
,
112507
(
2006
).
58.
D. R.
Ernst
,
M. G.
Bell
,
R. E.
Bell
,
C. E.
Bush
,
Z.
Chang
,
E.
Fredrickson
,
L. R.
Grisham
,
K. W.
Hill
,
D. L.
Jassby
,
D. K.
Mansfield
,
D. C.
McCune
,
H. K.
Park
,
A. T.
Ramsey
,
S. D.
Scott
,
J. D.
Strachan
,
E. J.
Synakowski
,
G.
Taylor
,
M.
Thompson
, and
R. M.
Wieland
,
Phys. Plasmas
5
,
665
(
1998
).
59.
R. C.
Wolf
,
L.-G.
Eriksson
,
M.
Von Hellermann
,
R.
König
,
W.
Mandl
, and
F.
Porcelli
,
Nucl. Fusion
33
,
1835
(
1993
).
60.
H.
Eubank
,
R.
Goldston
,
V.
Arunasalam
,
M.
Bitter
,
K.
Bol
,
D.
Boyd
,
N.
Bretz
,
J.-P.
Bussac
,
S.
Cohen
,
P.
Colestock
,
S.
Davis
,
D.
Dimock
,
H.
Dylla
,
P.
Efthimion
,
L.
Grisham
,
R.
Hawryluk
,
K.
Hill
,
E.
Hinnov
,
J.
Hosea
,
H.
Hsuan
,
D.
Johnson
,
G.
Martin
,
S.
Medley
,
E.
Meservey
,
N.
Sauthoff
,
G.
Schilling
,
J.
Schivell
,
G.
Schmidt
,
F.
Stauffer
,
L.
Stewart
,
W.
Stodiek
,
R.
Stooksberry
,
J.
Strachan
,
S.
Suckewer
,
H.
Takahashi
,
G.
Tait
,
M.
Ulrickson
,
S.
von Goeler
, and
M.
Yamada
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
270
(
1979
).
61.
R. V.
Budny
,
M. G.
Bell
,
H.
Biglari
,
M.
Bitter
,
C. E.
Bush
,
C. Z.
Cheng
,
E. D.
Fredrickson
,
B.
Grek
,
K. W.
Hill
,
H.
Hsuan
,
A. C.
Janos
,
D. L.
Jassby
,
D. W.
Johnson
,
L. C.
Johnson
,
B.
LeBlanc
,
D. C.
McCune
,
D. R.
Mikkelsen
,
H. K.
Park
,
A. T.
Ramsey
,
S. A.
Sabbagh
,
S. D.
Scott
,
J. F.
Schivell
,
J. D.
Strachan
,
B. C.
Stratton
,
E. J.
Synakowski
,
G.
Taylor
,
M. C.
Zarnstorff
, and
S. J.
Zweben
,
Nucl. Fusion
32
,
429
(
1992
).
62.
H.
Berk
,
D.
Borba
,
B.
Breizman
,
S.
Pinches
, and
S.
Sharapov
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
185002
(
2001
).
63.
R.
Nazikian
,
N. N.
Gorelenkov
,
B.
Alper
,
H. L.
Berk
,
D.
Borba
,
R. V.
Budny
,
G. Y.
Fu
,
W. W.
Heidbrink
,
G. J.
Kramer
,
M. A.
Makowski
,
S. D.
Pinches
,
S. E.
Sharapov
,
W. M.
Solomon
,
E. J.
Strait
,
R. B.
White
,
M. A.
Van Zeeland
, and JET-EFDA Contributors,
Phys. Plasmas
15
,
056107
(
2008
).
64.
M. A.
Van Zeeland
,
W. W.
Heidbrink
,
R. K.
Fisher
,
M. G.
Muñoz
,
G. J.
Kramer
,
D. C.
Pace
,
R. B.
White
,
S.
Aekaeslompolo
,
M. E.
Austin
,
J. E.
Boom
,
I. G. J.
Classen
,
S.
da Graca
,
B.
Geiger
,
M.
Gorelenkova
,
N. N.
Gorelenkov
,
A. W.
Hyatt
,
N.
Luhmann
,
M.
Maraschek
,
G. R.
McKee
,
R. A.
Moyer
,
C. M.
Muscatello
,
R.
Nazikian
,
H.
Park
,
S.
Sharapov
,
W.
Suttrop
,
G.
Tardini
,
B. J.
Tobias
,
Y. B.
Zhu
, and DIII-D and ASDEX Upgrade Teams,
Phys. Plasmas
18
,
056114
(
2011
).
65.
W. W.
Heidbrink
,
M. E.
Austin
,
R. K.
Fisher
,
M.
García-Muñoz
,
G.
Matsunaga
,
G. R.
McKee
,
R. A.
Moyer
,
C. M.
Muscatello
,
M.
Okabayashi
,
D. C.
Pace
,
K.
Shinohara
,
W. M.
Solomon
,
E. J.
Strait
,
M. A.
Van Zeeland
, and
Y. B.
Zhu
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
53
,
085028
(
2011
).
66.
J. S.
deGrassie
,
D. R.
Baker
,
K. H.
Burrell
,
P.
Gohil
,
C. M.
Greenfield
,
R. J.
Groebner
, and
D. M.
Thomas
,
Nucl. Fusion
43
,
142
(
2003
).
67.
P. C.
de Vries
,
M.-D.
Hua
,
D. C.
McDonald
,
C.
Giroud
,
M.
Janvier
,
M. F.
Johnson
,
T.
Tala
,
K.–D.
Zastrow
, and JET EFDA Contributors,
Nucl. Fusion
48
,
1
(
2008
).
68.
D.
Ernst
, private communication (
2011
).
You do not currently have access to this content.