Non-Linear Instabilities in an Inhomogeneous Plasma
Creators
- 1. Institute for Advanced Study, Princeton, NJ (United States)
- 2. Association EURATOM-CEA, Fontenay-Aux-Roses (France)
- 3. Laboratoire de physique des plasmas, Faculté des sciences d'Orsay (France)
Description
The low-frequency drift modes of a low-pressure isothermal inhomogeneous plasma can be stabilized if the shear of the magnetic field lines exceeds a critical value given by the expression r/Ls = (1/2 √2) (a/r), where Ls is the shear length, r the characteristic length of density variation, and a the ion Larmor radius. The authors first show that, even if r/Ls <(1/2 √2) (a/r), it is possible to achieve a substantial reduction in the rate of growth of the modes and thereby satisfy the conditions for applying the theory of weak turbulence. If a/r « 1 , the normal modes are very easily stabilized, but convective perturbations are known to persist and these can become amplified by propagating in the direction of the density gradient. These perturbations can be excited only by thermal fluctuations, which are explicitly calculated. The maximum amplitude of the relative density fluctuations are then deduced. If the plasma is fairly dense, weak shear is sufficient to maintain these fluctuations at a level at which the resulting diffusion is negligible. In both these cases of weak turbulence, however, non-linear instability may arise and cause diffusion that is far more substantial than the linear theories predict. On the one hand, the authors note that the energy of the drift waves is negative if their phase velocity parallel to the magnetic field is greater than the thermal velocity of the electrons, and discuss the development of the non-linear instability which results as a function of shear. On the other hand, they show that non-linear reflection of the convective perturbations may occur before they reach the region where they would be absorbed by the ion Landau effect. They estimate the threshold which the amplitude of the initial perturbations must pass for a non-linear instability to develop. (author)
Abstract (French)
Les modes de dérive B.F. d'un plasma inhomogène, isotherme et à faible pression peuvent être stabilisés si le cisaillement des lignes du champ magnétique dépasse une valeur critique donnée par r/Ls = (1/2 √2) (a/r) où Ls est la distance du cisaillement, r la longueur caractéristique de variation de la densité et a le rayon de Larmor des ions. Les auteurs montrent d'abord que même si r/Ls <(1/2 √2) (a/r), on peut obtenir une réduction notable du taux de croissance des modes et remplir ainsi les conditions d'application de la théorie de la turbulence faible. Si a/r « 1 , les modes normaux seront très facilement stabilisés, mais on sait qu'il subsistera des perturbations convectives qui pourront s'amplifier en se propageant dans la direction du gradient de densité. Ces perturbations ae peuvent être excitées que par les fluctuations thermiques que les auteurs calculent explicitement. Ils en déduisent l'amplitude maximale des fluctuations relatives de la densité. Si le plasma est assez dense, un faible cisaillement suffit alors à les maintenir à un niveau tel que la diffusion résultante soit négligeable. Toutefois, dans ces deux cas de turbulence faible, il peut apparaître une instabilité non linéaire qui entraîne une diffusion beaucoup plus importante que ne le laissent prévoir Ies théories linéaires. En effet, les auteurs constatent d'abord que l'énergie des ondes de dérive est négative si leur vitesse de phase parallèle au champ magnétique est supérieure à la vitesse thermique électronique. Us discutent le développement de l'instabilité non linéaire qui en résultera en fonction du cisaillement. D'autre part, ils montrent qu'il peut y avoir réflexion non linéaire des perturbations convectives avant qu'elles n'atteignent la région où elles seront absorbées par effet Landau des ions. Ils estiment le seuil que doit dépasser l'amplitude des perturbations initiales pour qu'une instabilité non linéaire se développe. (author)Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Instabilites Non Lineaires dans un Plasma Inhomogene
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. I
- Imprint Pagination
- 1011 p.
- Series
- Proceedings Series
- Journal Page Range
- p. 795-810
- 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)
INIS
- Country of Publication
- International Atomic Energy Agency (IAEA)
- Country of Input or Organization
- International Atomic Energy Agency (IAEA)
- INIS RN
- 44064080
- Subject category
- S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Conference
- Descriptors DEI
- AMPLITUDES; DIFFUSION; DISTURBANCES; FLUCTUATIONS; INHOMOGENEOUS PLASMA; IONS; LARMOR RADIUS; MAGNETIC FIELDS; NONLINEAR PROBLEMS; PHASE VELOCITY; PLASMA INSTABILITY; SHEAR; TURBULENCE; WAVE PROPAGATION
- Descriptors DEC
- CHARGED PARTICLES; INSTABILITY; PLASMA; VARIATIONS; VELOCITY
Optional Information
- Notes
- 12 refs. Imprint:In two volumes
- Secondary number(s)
- IAEA-CN--24/E-14