Published March 1969 | Version v1
Book

Ion Cyclotron Instability in the Magnetic Well of DECA II

  • 1. Association EURATOM-CEA, Fontenay-aux-Roses (France)

Description

A deuterium plasma with a density of 109-1010 particles/cm3 is confined in the magnetic well of DECA II. Study of the fast neutral atoms emitted by the plasma shows that the principal cause of plasma losses is charge exchange with the neutral gas desorbed by the walls during injection. From this study the authors deduce the perpendicular energy distribution function of the hot plasma, which has a mean energy Ti = 1.8 keV. The plasma is the seat of an instability at the ion cyclotron frequency and its harmonics; the instability is of low amplitude and does not contribute measurably to the plasma losses. The spectrum of the unstable frequencies varies with the density of the plasma. For densities of the order of 109 particles/cm3, instability occurs at the centre of the well at the cyclotron frequency (Ωi) and at its harmonics (2Ωi, 3Ωi, 4Ωi). For higher densities (∼ 109-1010 particles/cm3) the instability appears only at the first and third harmonics (2Ωi, 4Ω)i. The statistical width of each of the observed lines is remarkably narrow, being less than the resolution of the instruments (of the order of 3%). The azimuthal mode of the ion cyclotron frequency is m = 2; that of the first harmonic is m = 4. These modes become deformed as the plasma moves along the flux tube: the phase is maintained on a magnetic field line; the parallel wave length is at least twice the length of the plasma (λ‖≥ 14 cm). The measured growth rates are of the order of 5% of the cyclotron frequency. The main source of energy for feeding the instability appears to be the non-monotonic nature of the perpendicular energy distribution (distribution of the loss cone). Numerical study of the dispersion equation of a two-component plasma (a hot plasma having the experimental distribution as its distribution function, and a cold Maxwellian plasma corresponding to the plasma which may be produced by charge exchanges) shows that the latter reduces the density threshold above which the instability may be triggered sufficiently to explain the experimental results. This study also shows that the frequency ω = Ωi is stabilized when the proportion of cold plasma exceeds 10%, the most unstable frequency then being ω = 2Ωi. (author)

Abstract (French)

Un plasma de deuterium', d'une densité de 109 à 1010 particules/cm3, est confiné dans le puits magnétique de DEÇA II. L'étude des atomes neutres rapides émis par le plasma montre que la cause principale de perte de plasma est l'échange de charge sur le gaz neutre désorbé par les parois pendant l'injection. De cette étude, les auteurs déduisent la fonction de distribution en énergie perpendiculaire du plasma chaud, d'énergie moyenne Ti = 1,8 keV. Le plasma est le siège d'une instabilité à la fréquence cyclotronique ionique et a ses harmoniques, instabilité de faible amplitude qui ne contribue pas de façon mesurable aux pertes de plasma. Le spectre des fréquences instables varie avec la densité du plasma. Pour les densités de l'ordre de 109 particules/cm3, l'instabilité se produit â la fréquence cyclotronique au centre du puits (Ωi) et à ses harmoniques (2Ωi, 3Ωi, 4Ωi). Pour les densités supérieures (de quelque 109 particules/cm3 à quelque 1010 particules/cm3), l'instabilité n'apparaît que pour le premier et le troisième harmonique (2Ωi, 4Ωi). La largeur statistique de chacune des raies observées est remarquablement étroite, inférieure à la résolution instrumentale (de l'ordre de 3%). Le mode azimutabde la fréquence cyclotronique ionique est m = 2 ; celui du premier harmonique est m =4. Ces modes se déforment suivant le tube de flux: la phase se conserve sur une ligne de force; la longueur d'onde parallèle est au moins égale à deux fois la longueur du plasma (λ‖≥ 14 cm). Les taux de croissance mesurés sont de l'ordre de 5% de la fréquence cyclotronique. La source principale d'énergie susceptible de nourrir l'instabilité semble être le caractère non monotone de la distribution en énergie perpendiculaire (distribution du cône de pertes); l'étude numérique de l'équation de dispersion d'un plasma à deux composantes: un plasma chaud ayant pour fonction de distribution la distribution expérimentale, un plasma froid maxwellien correspondant au plasma qui peut être créé par échange de charge, montre que ce dernier abaisse suffisamment le seuil de densité au-dessus duquel l'instabilité peut se déclencher pour expliquer les résultats expérimentaux; cette étude montre aussi que la fréquence ω = Ωi est stabilisée lorsque la proportion de plasma froid excède 10%, la fréquence la plus instable étant alors ω = 2Ωi. (author)
Part of:
Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. Proceedings of the Third International Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. Vol. II

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Original title (French)
Instabilite Cyclotronique Ionique dans le Puits Magnetique de DECA II

Publishing Information

Publisher
IAEA
Imprint Place
Vienna (International Atomic Energy Agency (IAEA))
Imprint Title
Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. Proceedings of the Third International Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. Vol. II
Imprint Pagination
852 p.
Series
Proceedings Series
Journal Page Range
p. 299-309
ISSN
0074-1884

Conference

Title
3. international conference on plasma physics and controlled nuclear fusion research
Dates
1-7 Aug 1968
Place
Novosibirsk, USSR (Russian Federation)

Optional Information

Notes
8 refs., 6 figs., 1 tab. Imprint:In two volumes
Secondary number(s)
IAEA-CN--24/H-7