Published April 1966 | Version v1
Book

Stability of Non-Uniform Plasma in a Magnetic Field Gradient

Creators

  • 1. United Kingdom Atomic Energy Authority, Culham Laboratory, Abingdon, Berks. (United Kingdom)

Description

pressure plasma having a density gradient Vn confined by a strong magnetic field. These waves can become unstable (either hydrodynamically, or because of resonance with electrons moving along field lines) when finite ion orbit size is taken into account. This paper considers additionally the effect of a gradient in the magnetic field B, which may form a magnetic well, for example with ∇n * ∇B < 0. Particular attention is paid to the situation where the ion temperature Ti much exceeds the electron temperature Te as with an injected plasma. In this case the magnetic well is shown to have a pronounced stabilizing effect on the above waves. The stability condition can be written 1+(Ti/Te)(n/∇n)(∇B/B)<0. In the unstable case ∇n * ∇B > 0 one recovers the well known flute instabilities (kII = 0) which may be stabilized by finite ion Larmor radius ai if k⊥ is quantized and thereby greater than a certain critical value. However, there arise additionally less rapidly growing instabilities whose growth rate γ tends to (∇n/n) (T/(miTi)½)){(k2⊥a2i)/2 + (Ti/Te) n/(∇n)(∇B)/B}½ for 1 > k2⊥a2i > βmi/me with finite, though small, kII. These predictions are compared with experiment. The stability conditions required in closed, toroidal systems in which the magnetic field gradient alternates in sign along a field line are considered in some detail. It is shown that the half length L of a region of unfavourable gradient should not exceed ∼(Ti/Te)(n/k2⊥a2⊥n). (author)

Abstract (French)

Les ondes croiséesd'Alfvén etlesondes électro-acoustiques sont fortement déformées aux très basses fréquences dans un plasma à basse pression possédant un gradient de densité ∇ et confiné par un champ magnétique puissant. Ces ondes peuvent devenir instables (soit hydrodynamiquement, soit à cause d'une résonance avec des électrons se déplaçant le long des lignes de force), lorsqu'on prend en considération la dimension finie des orbites des ions. Dans ce mémoire, l'auteur étudie en outre l'effet d'un gradient de champ magnétique B pouvant former un puits magnétique, par exemple avec ∇n * ∇B < 0. Il considère des distributions de vitesses des ions dans l'espacé des vitesses qui représentent de manière approchée la situation dans une machine à miroirs dans laquelle on injecte des ions dont l'énergie moyenne Ti dépasse largement Te. Dans ce cas, le puits magnétique a un effet stabilisateur marqué sur les ondes mentionnées plus haut. La condition de stabilité peut d'écrire 1+(Ti/Te)(n/∇n)(∇B/B)<0. Dans le cas où il n'y a pas de stabilité (∇n * ∇B > 0) on retrouve les instabilités en cannelures bien connues (kII = 0), qui peuvent être neutralisées au moyen d'une dimension finie rayon de Larmor ai, si k⊥ est quantifiée et par conséquent plus grand qu'une certaine valeur critique. Toutefois, il se produit des instabilités supplémentaires qui croissent moins rapidement, dont la vitesse de croissance γ tend vers (∇n/n) (T/(miTi)½)){(k2⊥a2i)/2 + (Ti/Te) n/(∇n)(∇B)/B}½ pour 1 > k2⊥a2i > βm ou kII est fini bien que petit. Les auteurs comparent ces prévisions aux résultats de l'expérience. Ils examinent en détail les conditions de stabilité nécessaires dans des systèmes toriques fermés où le gradient du champ magnétique change de signe le long d'une ligne de champ. Ils montrent que la demi-longueur d'une région de gradient défavorable ne devrait pas dépasser ≈(Ti/Te)(n/k2⊥a2⊥n). (author)

Abstract (Spanish)

Las ondas cruzadas de Alfvén y las ondas electroacústicas sufren una fuerte distorsión a frecuencias muy bajas, en un plasma a presión reducida con un gradiente de densidad ∇n, confinado por un campo magnético intenso. Estas ondas pueden convertirse en inestables (hidrodinámicamente, o por resonancia con electrones que se desplazan a lo largo de las lúteas de fuerza) cuando se tiene en cuenta el tamaño finito de las órbitas de los iones. El autor estudia además el efecto de un gradiente en el campo magnético B, que puede formar un pozo magnético, por ejemplo, con ∇n * ∇B < 0. Considera en particular el caso en que la temperatura iónica, Ti, es muy superior a la temperatura electrónica, Te , como suele ocurrir en un plasma inyectado. En este caso, demuestra que el pozo magnético ejerce un pronunciado efecto estabilizador sobre las ondas mencionadas. La condición de estabilidad puede exponerse en la forma 1+(Ti/Te)(n/∇n)(∇B/B)<0. En el caso inestable (∇n * ∇B > 0), se vuelven a encontrar las conocidas inestabilidades en estrías (kII = 0), que pueden ser estabilizadas por el radio iónico finito de Larmor ai si k⊥ está cuantificado siendo, por consiguiente mayor que cierto valor crítico. Sin embargo, surgen inestabilidades suplementarias que crecen más lentamente, cuya velocidad de crecimiento γ tiende a (∇n/n) (T/(miTi)½)){(k2⊥a2i)/2 + (Ti/Te) n/(∇n)(∇B)/B}½ para 1 > k2⊥a2i > βmi/me con kII finito, aunque pequeño. El autor compara estas predicciones con los resultados experimentales. Considera en particular las condiciones de estabilidad necesarias en los sistemas toroidales cenados, en que el gradiente del campo magnético cambia de signo a lo largo de una línea de fuerza. Demuestra que la semilongitud L de una región de gradiente desfavorable no debe exceder ≈(Ti/Te)(n/k2⊥a2⊥n). (author)

Abstract (Russian)

Al'fvenovskie volny sdviga i jelektroakusticheskie volny sil'no iskazhajutsja pri ochen' nizkih chastotah v plazme s nebol'shim davleniem, imejushhej gradient plotnosti . ∇ i uderzhivaemoj sil'nym magnitnym polem. Jeti volny mogut stat' neustojchivymi (libo gidrodinamichesk libo vvidu nalichija rezonansa s jelektronami, dvigajushhimisja vdol' linij polja), kogda uchityvaetsja konechnost' razmera orbity iona. Rassmatrivaetsja vlijanie gradienta magnitnogo polja V, sozdajushhego magnitnuju jamu, naprimer s ∇n * ∇B < 0. Rassmatrivaetsja raspredelenie ionov v prostranstve skorostej, approksimirujushhee to, kotoroe osushhestvljaetsja v zerkal'noj mashine s inzhekciej ionov, gde srednjaja'jenergija ionov Tj znachitel'no prevoshodit Te kak v sluchae inzhektirovannoj plazmy. V jetom sluchae magnitnaja jama' okazyvaet zametnoe stabilizirujushhee vozdejstvie na ukazannye vyshe volny. Uslovie ustojchivosti mozhno zapisat' kak 1+(Ti/Te)(n/∇n)(∇B/B)<0. V sluchae neustojchivosti (∇n * ∇B > 0) poluchajutsja horosho izvestnye zhelobkovye neustojchivosti (kII =0), kotorye mozhno stabilizirovat' pri konechnoj orbite ionov ai, esli k⊥. prinimaet diskretnye znachenija i tem samym prevoshodit nekotoroe kriticheskoe znachenie. Odnako pri jetom dopolnitel'no voznikajut menee bystro rastushhie neustojchivosti, skorost' rosta kotoryh stremitsja k (∇n/n) (T/(miTi)½)){(k2⊥a2i)/2 + (Ti/Te) n/(∇n)(∇B)/B}½ dlja 1 > k2⊥a2i > βm/me s konechnym, hotja i nebol'shim znacheniem kII. Dannye prognozy sravnivajutsja s jeksperimentom. Dovol'no detal'no rassmatrivajutsja uslovija ustojchivosti, neobhodimye dlja zamknutyh toroidal'nyh sistem, v kotoryh gradient magnitnogo polja chereduetsja po znaku vdol' linii polja . Pokazyvaetsja, chto polovinnaja dlina L oblasti neblagoprijatnogo gradienta ne dolzhna prevyshat' ≈(Ti/Te)(n/k2⊥a2⊥n). (author)
Part of:
Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research Vol. I. Proceedings of a Symposium on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research

Additional details

Additional titles

Original title (English)
Stabilite d'un Plasma Non Uniforme dans un Gradient de Champ Magnetique; Ustojchivost' neodnorodnoj plazmy pri nalichii gradienta magnitnogo polya; Estabilidad de un Plasma No Uniforme en un Gradiente de Campo Magnitico

Publishing Information

Publisher
IAEA
Imprint Place
Vienna (International Atomic Energy Agency (IAEA))
Imprint Title
Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research Vol. I. Proceedings of a Symposium on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research
Imprint Pagination
792 p.
Series
Proceedings Series
Journal Page Range
p. 643-657
ISSN
0074-1884

Conference

Title
Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research
Dates
6-10 Sep 1965
Place
Culham (United Kingdom)

INIS

Country of Publication
International Atomic Energy Agency (IAEA)
Country of Input or Organization
International Atomic Energy Agency (IAEA)
INIS RN
44073932
Subject category
S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Conference
Descriptors DEI
COMPARATIVE EVALUATIONS; ELECTRON TEMPERATURE; ELECTRONS; FLUTE INSTABILITY; IONS; LARMOR RADIUS; MAGNETIC FIELDS; MINIMUM-B CONFIGURATIONS; PLASMA DENSITY; PLASMA PRESSURE; STABILITY
Descriptors DEC
CHARGED PARTICLES; ELEMENTARY PARTICLES; EVALUATION; FERMIONS; INSTABILITY; LEPTONS; MAGNETIC FIELD CONFIGURATIONS; OPEN CONFIGURATIONS; PLASMA INSTABILITY; PLASMA MACROINSTABILITIES

Optional Information

Notes
11 refs. Imprint:In two volumes
Secondary number(s)
IAEA-CN--21/39