First principles gyrokinetic analysis of electromagnetic plasma instabilities
本文在回旋动力学理论的框架内对电磁堆芯托卡马克不稳定性进行了双重分析。第一原理的理论基础的gyrokinetic理论被用来解释和证明与全球电磁粒子在细胞的代码Orb5,其模型是来自拉格朗日形式主义的数值结果。对应于Orb5模型的能量守恒定律是从Noether定理推导出来的,并在代码中实现为能量平衡和守恒验证的诊断。一个额外的诺特定理为基础的诊断实施,以分析不稳定的机制,在托卡马克的核心区域的静电和电磁离子温度梯度(ITG)的不稳定性。研究了高电磁场$β$下向动力学振荡模(KBM)的转变。
2019-03-26 physics.plasm-ph
On the mutual effect of ion temperature gradient instabilities and impurity peaking in the reversed field pinch
在反场箍缩装置RFX-mod中,考虑了杂质的存在对离子温度梯度(ITG)不稳定性和湍流的回旋动力学计算的影响。该装置通常表现出中空的碳/氧分布,在外芯区域达到峰值。我们描述了杂质在ITG模式不稳定中的作用,并分析了ITG湍流是否与它们的实验梯度相容。
2011-10-21 physics.plasm-ph
Generation of sub-ion scale magnetic holes from electron shear flow instabilities in plasma turbulence
本研究通过全动力学二维等离子体湍流模拟,揭示了地球磁鞘环境中亚离子尺度磁洞由电子剪切流经电子开尔文-亥姆霍兹不稳定性生成的机制,其特征与观测及过往研究相符。
2023-06-09 physics.plasm-ph
Evidence of low-dimensional chaos in magnetized plasma turbulence
我们分析探头数据从环形磁化等离子体配置适合低频梯度驱动的不稳定性的研究。这些不稳定性会产生类似于中性流体中瑞利-贝纳德胞的场向对流卷,理论上可能会发展出类似的混沌路径。当使用平均场维数分析时,我们观察到低维,但这可能源于低维混沌,周期或准周期。因此,我们应用递归图分析以及最大李雅普诺夫指数的估计。这些分析提供了低维混沌的证据,与理论预测一致。
2008-03-10 physics.plasm-ph
Four-dimensional equations for the study of electromagnetic plasma turbulence in a drift kinetic limit
对于直磁引导场中的磁化等离子体,我们导出了一组四维动力学方程,它可以在漂移动力学极限下捕捉电磁湍流。为了做到这一点,我们从陀螺运动方程出发,在垂直速度方向上采用拉盖尔分解,只保留占主导地位的gyroaverage贡献和只有前两个拉盖尔矩的电磁波动源。该模型保存自由能,并可以描述电磁湍流的等离子体之间的过渡流体和gyrokinetic制度($k_\perp ρ_i\approx 1$范围内的尺度),占主导地位的有限拉莫尔半径(FLR)的影响被认为是。除了位置空间中的三维,我们保留了平行速度依赖性,我们通过厄米表示来描述。采用这个系统,但没有任何其他物理为基础的假设等离子体的物种,可以偏置的结果,将使我们能够调查流体的影响如何过渡到动力学范围,并分析电磁等离子体湍流的空间和速度空间混合之间的相互作用。
2021-09-07 physics.plasm-ph
Zonal Flows and Electromagnetic Drift Wave Turbulence
三维,全球一致的通量管几何形状的托卡马克边缘湍流的详细计算显示抑制的标准方案中,由湍流产生的纬向ExB流应导致运输障碍的形成。通过与平板几何形状的比较和能量分析发现,纬向流能量通过测地曲率与压力的环形耦合而耗尽。边缘输运势垒则取决于新古典平衡的物理性质。
2002-08-06 physics.plasm-ph
Instabilities and turbulence in stellarators from the perspective of global codes
本文通过全局回旋动理学代码 EUTERPE 和 GENE-3D 对比研究 LHD 与 W7-X 仿星器中的不稳定性和湍流,验证了两者在模数、增长率、热通量及局域化行为上的一致性,并揭示了径向电场的稳定化与输运减弱作用。
2022-10-11 physics.plasm-ph
Gyrokinetic particle-in-cell simulations of electromagnetic turbulence in the presence of fast particles and global modes
本文利用回旋粒子格子程序ORB 5(E. Lanti等人,Comp.Phys.Comm.,${\bf 251}$,107072(2020))和EUTERPE(V.Kornilov等人,Phys.Plasmas,${\bf 11}$,3196(2004))。模拟这种复杂的耦合系统的计算可行性证明。
2022-03-22 physics.plasm-ph
Numerics and computation in gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence with global particle-in-cell codes
本文用全球回旋动力学粒子格子程序ORB 5研究了托卡马克和仿星器等离子体中的电磁湍流。Lanti等人,Comp. Phys. Comm,第251卷,107072(2020)]和EUTERPE [V. Kornilov等人,Phys. Plasmas,第11卷,3196(2004)]。大纵横比托卡马克,缩小规模的ITER,和Wendelstein 7-X几何被认为是。主要目标是增加等离子体β,机器尺寸,离子与电子质量比,以及在这样的模拟中包括逼真的几何特征。研究了在部署大规模GPU的计算机系统上的相关数值要求和计算成本。这些都是必要的步骤,使电磁湍流模拟在未来的反应堆等离子体。
2021-05-04 physics.plasm-ph
Spectral analysis of multidimensional current-driven plasma instabilities and turbulence in hollow cathode plumes
空心阴极羽流中的大幅度电流驱动的不稳定性可以产生高能离子,导致阴极溅射和航天器退化。一个2D 2 V(两个维度,每个在配置[D]和速度[V]空间)基于网格的Vlasov-Poisson(直接动力学)求解器被用来研究他们的增长和饱和,这包括四个阶段:线性增长,准线性共振,非线性填充,饱和湍流。分析了湍流区离子的线性模增长率、非线性饱和过程以及离子速度和能量分布特征。回流离子产生大的电子漂移,几个离子声学周期后的势场成为湍流。分析了Vlasov方程的尺度间相空间转移和局域性。多维研究揭示了纵向和横向等离子体不稳定性之间的相互作用,以及等离子体湍流的开始。
2022-11-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph stat.AP
On seed island generation and the non-linear self-consistent interaction of the tearing mode with electromagnetic gyro-kinetic turbulence
在三维环形陀螺动力学框架下研究了自洽驱动磁岛与电磁湍流的多尺度相互作用。可以看出,即使在存在电磁湍流的情况下,模式的线性结构也被保留。湍流波动不会在岛屿发展的早期就摧毁岛屿,岛屿在成长过程中保持着连贯的形态。岛是播种的电磁湍流波动,这提供了一个初始的岛结构,通过非线性相互作用,并在一个速度显着快于线性撕裂的增长率增长。这些岛状结构在尺寸大约为$ρ_{i}$的宽度处饱和。在存在湍流的情况下,岛然后以线性速率生长,即使岛显著宽于谐振层宽度,岛预期以显著降低的非线性速率生长的状态。在分界线周围有很大程度的随机性,X点几乎完全崩溃。这显著减小了有效岛宽度。
2014-09-10 physics.plasm-ph
Electromagnetic turbulence suppression by energetic particle driven modes
近年来,在大量的磁约束实验和相应的回旋动力学模拟中,已经报道了高能粒子存在下等离子体湍流的强烈减少。虽然与燃烧等离子体的性能预测高度相关,但到目前为止,对这种主要非线性效应的解释仍然难以捉摸。一个彻底的分析发现,线性边缘稳定的高能粒子驱动模式被激发非线性,消耗湍流的能量含量,并作为一个额外的催化剂的能量转移到带状模式(占主导地位的湍流饱和通道)。相应的签名被发现在一些不同的JET和ASDEX升级放电与减少运输水平归因于高能离子效应的模拟。
2018-12-10 physics.plasm-ph
Statistical theory of intermittency in a multi-scale model of MHD and micro-turbulence
传统上,MHD不稳定性和微观不稳定性对等离子体约束的影响是分开研究的。然而,这两种不稳定性往往同时发生,在广泛的空间尺度上的动态重叠。因此,通过适当的多尺度建模来一致地纳入这些不稳定性是至关重要的。此外,有压倒性的证据表明,热量和粒子的整体传输受到相干结构引起的不稳定性(或突发事件)的显著影响。因此,在等离子体约束的一个关键问题是预测的概率分布函数(PDF)的运输由于这些结构和它们的形成。在本文中,我们研究了多尺度模型中的间歇输运,一致地将撕裂不稳定性和微观不稳定性,由于压力梯度。
2009-07-06 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Ion Kinetics and Neutron Generation Associated with Electromagnetic Turbulence in Laboratory-scale Counter-streaming Plasmas
本研究利用高阶隐式粒子模拟代码,定量揭示实验室尺度对撞等离子体中电磁湍流对离子动力学的影响机制,解释了非磁化实验结果,磁化场景结论可通过现有实验验证。
2024-03-12 physics.plasm-ph
Intrinsic parallel rotation drive by electromagnetic ion temperature gradient turbulence
利用电磁回旋理论,对平行流的准线性本征驱动(包括平行残余应力、动应力、交叉Maxwell应力以及由电磁离子温度梯度(ITG)湍流引起的平行湍流加速)进行了解析计算。与通常的残余应力一样,动应力和横向麦克斯韦应力也通过它们的发散进入平均平行流速方程。沿总磁场(包括平衡磁场和脉动径向磁场)的离子压力梯度驱动的湍流加速不能写成应力发散,而应视为局部源/汇。所有这些项都可以提供内在的平行旋转驱动。电磁效应使非共振静电应力减小甚至逆转,而共振静电应力增强。非共振和共振湍流加速项也被电磁效应增强。我们的实验观测结果的可能影响进行了讨论。
2016-11-17 physics.plasm-ph
Renormalized theory of the ion cyclotron turbulence in magnetic field--aligned plasma shear flow
本文给出了在磁场取向等离子体剪切流中剪切流修正电流驱动离子回旋不稳定性和剪切流驱动离子回旋动力学不稳定性的非线性演化的解析处理。基于非线性色散方程进行了分析,该方程考虑了等离子体湍流和剪切流的新组合效应。它包括在湍流散射的剪切流的离子与它们的对流剪切流,并在增强的非线性加宽的离子回旋共振的结果。这种效应导致离子回旋不稳定性的饱和以及非线性剪切流驱动的离子回旋不稳定性的发展。52.35.Ra
2008-10-02 physics.plasm-ph
The effect of variations in magnetic field direction from turbulence on kinetic-scale instabilities
在太阳风的动力学尺度上,不稳定性将能量从粒子转移到电磁场的波动,同时使等离子体条件恢复到热力学平衡。我们调查的背景湍流波动之间的相互作用,在小尺度端的惯性范围和动力学不稳定性,以减少质子温度各向异性。我们分析了太阳轨道飞行器任务的太阳风观测数据,以确定磁场方向的变化。我们发现,非平衡条件足以导致微观不稳定性的等离子体与高水平的可变性相一致。我们表明,我们的措施,在磁场的波动是非遍历的区域不稳定的温度各向异性驱动的不稳定性的增长。我们的结论是,湍流和不稳定性之间的竞争在太阳风质子尺度能量学的调节中起着重要的作用。这种竞争不仅取决于磁场的变化,而且在非平衡条件下的等离子体的空间持久性。
2023-03-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Transport of and Radiation Production by Trans-relativistic/Non-relativistic Particles Moving Through Sub-Larmor-Scale Electromagnetic Turbulence
具有亚拉莫尔尺度电磁场湍流的等离子体是各种高能量密度环境的特征,并且对于许多天体物理/实验室等离子体现象的描述至关重要。来自粒子的辐射,无论是相对论的还是非相对论的,通过小尺度磁湍流运动,具有与同步加速器和回旋加速器辐射不同的光谱特征。辐射携带着磁湍流统计特性的信息,也与粒子扩散输运密切相关。我们从理论和数值两个方面研究了非相对论和反相对论粒子在具有高振幅各向同性亚拉莫尔尺度磁湍流的等离子体中的输运,及其与这些粒子同时产生的辐射谱的关系。因此,亚拉莫尔尺度下湍流等离子体的扩散和辐射特性可以作为诊断实验室和天体物理等离子体的有力工具。
2015-09-02 physics.plasm-ph
Capturing Secondary Kinetic Instabilities in Three-Dimensional Dayside Reconnection Using an Improved Gradient-Based Closure
Princeton University(普林斯顿大学);Princeton Plasma Physics Laboratory(普林斯顿等离子体物理实验室)
本研究利用改进的梯度基闭合模型,通过模拟2015年MMS事件,提升了对三维日侧重联中二次动能不稳定性及湍流生成的捕捉能力。
2026-02-18 physics.plasm-ph
Flow Shear Suppression of Pedestal Turbulence--A First Principles Theoretical Framework
本文提出了一种分析和计算相结合的回旋动力学方法来解决任意水平的$E \times B$剪切作用下基座湍流输运的标度问题。由于基座中的强梯度和成形,感兴趣的不稳定性不像核心不稳定性那样是曲率驱动的。通过大量的数值模拟(gyrokinetic),它表明,基座模式响应剪切抑制非常像一个基本的解析解相关理论的预测。两者之间的定量协议为我们提供了一个新的可靠的,第一原理(基于物理学)的理论框架来预测剪切抑制的燃烧等离子体,在于在低剪切制度目前的实验没有访问的功效。
2017-06-26 physics.plasm-ph
Effects of multi-dimensionality and energy exchange on electrostatic current-driven plasma instabilities and turbulence
本文利用2D2V Vlasov–Poisson动理学模拟研究多维电流驱动静电不稳定性的饱和过程,揭示其四阶段演化及各向同性化特征,发现多维效应会限制纵向高能回流离子形成并促进横向高能离子产生。
2024-01-05 physics.comp-ph physics.plasm-ph stat.AP
The non-linear evolution of the tearing mode in electromagnetic turbulence using gyrokinetic simulations
利用Vlasov陀螺动力学程序GKW研究了磁岛的非线性演化。考虑了电磁湍流与撕裂不稳定$Δ' > 0$电流分布产生的自洽生长磁岛的相互作用。湍流能够通过产生宽度近似为离子回旋半径的结构来播种磁岛并绕过线性生长阶段。岛的宽度和它的旋转频率的非线性演化,在此播种阶段后,被发现被修改,并依赖于等离子体β和平衡压力梯度的值。在低的β值的岛屿演变很大程度上独立的湍流,而在较高的值的相互作用有一个显着的影响岛屿的增长,导致岛屿的增长率呈指数增长的线性阶段,即使岛是大于线性理论的有效性。湍流迫使岛在离子反磁方向上旋转,而不是在没有湍流时旋转的电子反磁方向。此外,它被发现,模式旋转减慢,岛的大小的增长。
2015-07-10 physics.plasm-ph
Nonlinear evolution of electron shear flow instabilities in the presence of an external guide magnetic field
在主电流方向存在外部(引导)磁场的情况下,磁场重新连接的耗散机制尚未得到很好的理解。在无碰撞磁重联中形成的薄电子流片(ECS)(厚度~电子惯性长度)中,电子剪切流不稳定性(ESFI)是提供异常耗散机制的潜在候选者,它可以打破影响重联结构和速率的磁场冻结条件。我们研究了引导场磁重联中ESFI的演化。由此产生的等离子体湍流的属性和它们的依赖于引导场的强度进行了研究。利用3-D电子-磁流体动力学模拟的ECS,我们表明,不同于ECS自洽嵌入在反平行磁场的情况下,薄ECS的演化中存在的引导场(等于或更大的渐近值的重连磁场)是由高波数非撕裂模不稳定性。后者导致发展,首先,一个波浪形结构的ECS。后来发展起来的湍流由电流丝和电子流涡旋组成。由于不稳定性的非线性演化,ECS加宽的同时,其在中心区域的扁平模仿粘性湍流耗散。后来,扁平的ECS分叉。在分叉的时间期间,平均电子流速度的变化率与流速的大小成比例,这表明连续性耗散。湍流能量优选地在垂直于引导磁场的方向上级联到较短的波长。湍流的各向异性的程度被发现增加与引导场的强度的增加。
2016-08-08 physics.plasm-ph
The gyrokinetic field invariant and electromagnetic temperature-gradient instabilities in `good-curvature' plasmas
本研究通过回旋动理学场不变量解释了曲率驱动不稳定性的局域特性,证明良曲率区不稳定模式必为电磁性,提出新型磁漂移模式并探讨其在高β聚变等离子体中的意义。
2025-01-20 physics.plasm-ph
Exact law for compressible pressure-anisotropic magnetohydrodynamic turbulence: toward linking energy cascade and instabilities
本文导出了可压缩压力各向异性磁流体动力学湍流的第一精确定律。对于一个gyrotropic压力张量,我们研究了双绝热的情况下,并显示存在新的通量和源项的确切法律,让人想起的等离子体不稳定条件,由于压力各向异性。霍尔长期示出,使离子尺度修正的确切法律,而不明确影响的压力项。在压力各向同性的限制,我们恢复所有已知的等温和多方封闭的结果。不可压缩极限的回旋系统导致的推广的Politano和Pouquet的法律,其中一个新的{ \it不可压缩}源项被发现,并反映了交流的磁场和动能与不再保守的内能。我们强调了新的法律提供的可能性,以调查湍流级联和不稳定性之间的潜在联系广泛观察到的实验室和天体物理等离子体。
2022-03-24 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
The electromagnetic instabilities propagation in weak relativistic quantum plasmas
温度各向异性激发的电磁不稳定性一直是高密度物理系统中的重要问题之一,其中自旋引起的相对论效应和量子效应是重要的。本文讨论的情况下,等离子体不是强耦合,但仍然是在一个经典的等离子体描述是不充分的制度。等离子体的长度尺度可以大于德布罗意长度,使得与自旋相关的量子效应可以是显著的。此外,唯一的相对论效应是由于电子自旋,例如自旋-轨道耦合效应(弱(半)相对论效应)。结果表明,这些效应在ICF实验中可能不重要,但在天体物理实验中,由于强磁场的存在,这些效应可能会产生重要的结果。结果表明,弱相对论效应可以覆盖磁偶极力和自旋旋进效应,从而使不稳定性的增长率比非相对论自旋极化情形有所增加.实际上,预期背景磁场中的电子俘获和粒子能量耗散的概率将降低,使得系统中将存在高部分的自由能。
2017-11-20 physics.plasm-ph
Multiscale Equatorial Electrojet Turbulence: Energy Conservation, Coupling, and Cascades in a Baseline 2-D Fluid Model
报道了在统一流体模型基础上对赤道电射流中等离子体不稳定性耦合的研究进展。通过研究密度梯度标度长度(Ln)和交叉场(E?B)在等离子体湍流上漂移。阐明了这些多尺度不稳定性的能量传递机制和途径。能量的统一模型进行检查,包括注入,保守的重新分配(场和尺度之间),和最终耗散。能量学中涉及的各种物理机制被分类为源、汇、非线性传递和耦合,以表明系统满足能量守恒基本定律。研究了非线性转移项的物理学,以确定它们在产生能量级联中的作用(从主导不稳定波数转移能量和驱动不同尺度长度的不规则性)。验证了两步能量级联产生赤道电射流中3米等离子体不规则体的理论。此外,系统的非线性允许反向能量级联的可能性,负责在电射流的顶部产生大规模的等离子体结构。
2016-02-29 physics.plasm-ph
Electromagnetic pressure-gradient-driven instabilities with moderate high mode numbers in tokamak plasmas
Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP(马克斯·普朗克等离子体物理研究所);Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT(CIEMAT国家聚变实验室)
该研究用EUTERPE代码分析托卡马克中等离子体压强梯度驱动的不稳定性,发现ITG与KBM的转变依赖平衡一致性,且非MHD贡献在特定条件下影响稳定性,为托卡马克不稳定性研究提供了新的参考。
2026-08-31 physics.plasm-ph
Gyrokinetic ion and drift kinetic electron model for electromagnetic simulation in the toroidal geometry
电子的动力学效应对长波长磁流体动力学(MHD)不稳定性和短波长漂移Alfvenic不稳定性都很重要,因为非绝热电子可以与低频不稳定性相互作用,改变和驱动低频不稳定性。提出了一种新的守恒分裂权方法,用于托卡马克等离子体中漂移动力学电子的电磁场模拟,该方法在不牺牲物理特性的前提下,不受垂直网格尺寸对电子趋肤深度的数值约束,具有很大的计算优势.利用该模型验证了动力学Alfven波和无碰撞撕裂模的存在,并已将其应用于GTC程序中。该模型将用于微撕裂模和基于第一性原理的新经典撕裂模的模拟。
2017-02-05 physics.plasm-ph
Generation of powerful terahertz emission in a beam-driven strong plasma turbulence
研究了强流相对论电子束驱动磁化等离子体中强湍流长波区上混杂波的聚并产生太赫兹电磁辐射。本文利用一个简单的理论模型,计算了不同等离子体密度和湍流能量下的束流-等离子体实验的频谱宽度和角度特性。结果表明,在这些实验室的实验中,在等离子体频率的二次谐波的电磁发射的功率密度可以达到1 ${MW/cm}^3$的水平与1%的转换效率的光束能量损失的电磁发射。
2012-05-18 physics.plasm-ph
High-beta runaway transitions in a fluid model of electromagnetic ion-temperature-gradient turbulence
Princeton Plasma Physics Laboratory(普林斯顿等离子体物理实验室)
基于回旋动理学推导出最小流体模型,研究等离子体beta超过临界值时湍流从带状流主导转变为径向细长流管态的机制,发现雷诺应力被麦克斯韦应力和抗磁应力压倒时发生转变,并得到应力比与beta和ITG的幂律标度。
2026-06-03 physics.plasm-ph
Multi-scale analysis of global electromagnetic instabilities in ITER Pre-Fusion-Power Operation plasmas
全球电磁陀螺动力学模拟与粒子在细胞代码ORB 5的ITER预聚变功率运行(PFPO)等离子体的情况下,与半场(2.65 T)和半电流(7.5 MA)。我们报告的“多尺度”分析的放电,考虑本征模和不稳定性跨越三个尺度的长度。虽然该方案名义上将有中性束加热与粒子注入1 MeV,阿尔文本征模式进行了研究,在没有这样的源,和反向剪切(RSAE),环形(TAE)和椭圆(EAE)阿尔文本征模式被发现与弱阻尼适度低的环形模式数($10 \leq n \leq 35$)。在更高的环形模数($40 \leq n \leq 70$),不稳定的阿尔芬模式已被观察到接近合理的表面,并被标记为β诱导阿尔芬本征模式(BAE)/阿尔芬离子温度梯度(AITG)模式,因为它们的频率与BAE间隙相关,它们是由阿尔芬连续体上的体等离子体驱动的。这些模式在没有高能粒子的情况下是不稳定的,并且添加一种高能粒子(具有各向同性的1 MeV减速分布)对其生长速率的影响可以忽略不计。在较高的环模数($150 \lessapprox n < 220$),低频微尺度不稳定性观察。
2022-03-03 physics.plasm-ph
Topological characterization of flow structures in resistive pressure-gradient-driven turbulence
湍流的可视化是理解湍流动力学和诱导输运的有力工具。然而,它没有提供所观察到的结构的定量描述。本文给出了流的拓扑的一种定量刻画方法。该技术,它可以应用于任何类型的湍流动力学,说明通过电阻气球不稳定性的例子。
2008-11-21 physics.plasm-ph
Spectral Properties of Electromagnetic Turbulence in Plasmas
本文报道了等离子体中与电磁波有关的非线性湍流过程。我们专注于低频(与电子陀螺频率相比)非线性相互作用的电子哨声和非线性相互作用的霍尔磁流体动力学(H-MHD)波动在磁化等离子体。
2009-03-05 physics.plasm-ph physics.space-ph
Intrinsic current drive by electromagnetic electron temperature gradient turbulence in tokamak plasmas
利用电磁回旋动力学方程建立了平均平行电流密度演化方程。由电子温度梯度(ETG)湍流引起的本征电流驱动机制有两种。第一类是包含类残余应力项和类动应力项的残余湍流通量发散。第二类是由密度和平行电场起伏之间的相关性驱动的剩余湍流源。由残余湍流源驱动的本征电流密度与由残余湍流通量驱动的本征电流密度相比可以忽略不计。估计了由EM ETG湍流驱动的本征电流密度与背景自举电流密度的比值。在ITER标准情景下,由剩余湍流通量驱动的湍流通量中尺度变化的局部本征电流密度可以达到核心区自举电流密度的80%左右,但在全球尺度上不存在净本征电流。在此基础上,在未来的高β e(电子压与磁压之比)器件中,可能需要仔细考虑由电磁微湍流驱动的局部本征电流及其对安全因子分布的局部修改的影响。
2020-06-27 physics.plasm-ph
Drift-Alfven instabilities of a finite beta plasma sheared flow along a magnetic field with inhomogeneous ion temperature
本文研究了具有可比的非均匀离子温度和均匀电子温度的有限β等离子体在磁场排列(平行)剪切流中的漂移-阿尔芬不稳定性。在数值求解静电势和电磁势方程组的基础上,定量地讨论了不稳定性的发展。结果发现,占电磁离子动力学响应,这通常被忽略了在现有的讨论中的漂移阿尔芬不稳定性的稳定等离子体,揭示了新的漂移阿尔芬不稳定性驱动的离子温度梯度,流速剪切,和离子朗道阻尼的耦合作用。激发的不稳定波具有沿磁场方向的相速度和离子的热速度,以及与频率相当的增长率。
2020-05-19 physics.plasm-ph
Analysis of Winske-Daughton 3D Electromagnetic Particle Simulation of Ion Ring Generated Lower Hybrid Turbulence
使用电磁粒子-单元模拟,Winske和Daughton [Phys Plasmas,19,072109,2012]最近证明了由冷离子环束引发的波湍流的非线性演化在三维中与二维中有很大不同。我们进一步分析了Winske-Daughton三维模拟数据,表明热等离子体粒子的非线性诱导散射对于理解模拟中描述的低混杂波/哨声波湍流的演化至关重要。
2012-11-27 physics.plasm-ph physics.space-ph
Towards enhanced performance in fusion plasmas via turbulence suppression by MeV ions
兆电子伏(MeV)α粒子将是磁约束聚变反应堆中等离子体加热的主要来源。然而,α粒子的大部分能量不是加热燃料离子,而是转移到电子上。此外,α粒子也可以激发Alfvenic不稳定性,以前被认为是有害的。与预期相反,我们证明了有效的离子加热MeV离子和强快离子驱动的Alfvenic不稳定性在最近的实验中的联合欧洲环(JET)的存在。这些实验与国家的最先进的建模工具的详细运输分析解释了观察。在这里,我们展示了一种新型的湍流抑制和改进的能量绝缘等离子体与MeV离子和充分发展的Alfvenic活动,通过一个复杂的多尺度机制,产生大规模的带状流。这种机制有望使α粒子加热占主导地位的聚变反应堆更经济地运行,并最终降低聚变电力的成本。
2020-11-02 physics.plasm-ph
Instabilities and Turbulence in Low-$β$ Guide Field Reconnection Exhausts with Kinetic Riemann Simulations
在低$β$,引导场重联排气中的湍流的作用进行了探讨,在二维重联和二维和三维黎曼模拟。排气和相关湍流的结构由排气边界处的一对旋转不连续性(RD)和由逆流离子束产生的一对慢激波(SS)控制。在2D的排气开发大振幅条纹在离子拉莫尔半径尺度,由电子束驱动的离子回旋波。驱动不稳定性的电子束从其中一个RD注入排气中。然而,在3D黎曼模拟中,额外的维度(在面外方向上)导致RD处的强布尼曼和电子-电子流不稳定性,其抑制电子束形成并因此抑制排气中的条纹。RD处的流动不稳定性的强度由电子热速度与阿尔文速度的比率控制,较低的热速度更不稳定。在3D模拟中,离子-离子流不稳定性用于部分热化SS处的逆流离子束。这种不稳定性受声速与阿尔文速度之比的控制,预计在低$β$日冕中是稳定的。结果表明,在引导场重联排气与$1 \gg β> m_e/m_i$,发展的动力学尺度的湍流将是太弱,在能量转换和粒子加速中发挥重要作用。因此,能量转换将主要由层流物理或多x线重联控制。
2019-10-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Intrinsic current drive by electromagnetic electron drift wave turbulence in tokamak pedestal region
研究了考虑电磁效应的电子漂移波湍流驱动的局域本征平行电流密度。由剩余湍流通量和湍流源驱动的本征电流密度与自举电流密度之比随电子密度和温度的变化分别为$T_e^{3/4}T_i/n_e$和$T_eT_i/n_e$。基于DIII-D基座区的典型参数,由剩余湍流通量和湍流源共同驱动的局部本征电流密度可以忽略。然而,尽管可以忽略的湍流源驱动的电流,剩余的湍流通量驱动的局部本征电流密度的EM DW湍流可以达到约66%的自举电流密度的ITER基座参数,由于在ITER比DIII-D低得多的碰撞。分析了等离子体对电磁涨落响应中绝热ES部分、非绝热ES部分和非绝热EM部分的贡献。结果表明,在ITER基座情况下,非绝热ES响应与非绝热EM响应之间存在很强的抵消作用,平行电子压的绝热ES响应贡献的动应力主导了本征电流驱动.这与ES电子DW情况不同。因此,在未来的高电子压磁压比和陡压力分布的反应堆中,应仔细考虑电磁场对湍流驱动本征电流密度的影响。
2020-06-27 physics.plasm-ph
Excitation of low-n TAE instabilities by energetic particles in global gyrokinetic tokamak plasmas
首次对高能粒子激发超环面Alfven本征模(TAE)进行了线性全局电磁回旋粒子模拟。随着高能粒子压力的增加,TAE频率向下移动到较低的连续谱中。
2008-12-22 physics.plasm-ph
Laguerre-Hermite Pseudo-Spectral Velocity Formulation of Gyrokinetics
近几十年来,托卡马克湍流的第一性原理模拟已被证明具有重要价值。我们开发了一个伪谱速度制定的湍流方程,平滑插值之间的高效,但分辨率较低的3D gyrofluid表示和传统的,但更昂贵的5D gyrokinetic表示。我们的提法是一个投影的非线性gyrokinetic方程的Laguerre-Hermite速度空间的基础上。我们将讨论与碰撞、闭包和熵有关的问题。虽然任何碰撞算子都可以用于制定,我们强调一个模型算子,具有特别稀疏的拉盖尔-厄米特表示,同时满足守恒定律和H定理。自由流,磁漂移,和非线性相位混合每个引起的封闭问题,我们讨论的利益和自由能守恒的不稳定性。我们表明,该模型是能够再现线性不稳定性和纬向流动力学的陀螺动力学结果。因此,最终的模型是适当的不稳定性,湍流和运输的研究在广泛的几何形状,包括托卡马克和仿星器。
2017-08-14 physics.plasm-ph
Oblique electromagnetic instabilities for an ultra relativistic electron beam passing through a plasma
本文研究了超相对论电子束通过等离子体时产生的电磁不稳定性。线性增长率计算的不稳定模式的传播的每一个方向,和温度建模使用简单的水袋分布函数。超相对论不稳定谱位于一个以临界角为中心的很窄的谱带附近,临界角的值是解析给出的。在这个方向上传播的模式的增长率像k^(-1/3)那样减小。
2006-04-07 astro-ph gr-qc physics.plasm-ph
Excitation of Flow Instabilities due to Nonlinear Scale Invariance
本文提出了一种新的研究流体和等离子体流动不稳定性和湍流的方法。新型的流动不稳定性的出现是由于新的动能源,这是在传统的治疗缺席。本方法是基于一个尺度不变的非线性分析形式主义开发,以解决不规则运动的混沌吸引子或湍流中更连贯的方式。我们已经研究了这种湍流产生机制的两个具体应用。温暖的等离子体朗缪尔波色散关系的存在下,这些多重分形措施变得不稳定。在第二个应用程序中,这些多重分形的措施,以诱导自然非高斯,即拉伸高斯分布和异常的示踪剂粒子从湍流对流扩散输运方程中的弗拉索夫等离子体流的运输。
2014-05-20 nlin.CD physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Features of collisionless turbulence in the intracluster medium from simulated Faraday rotation maps II: the effects of instabilities feedback
对星系团团内介质(ICM)的法拉第旋转测量(RM)图进行统计分析,为评价ICM内磁场的某些空间特征提供了一个独特的工具。它与磁流体动力学(MHD)湍流的数值模拟相结合,可以诊断ICM湍流。由于ICM等离子体是弱碰撞的,粒子的热速度分布由于大尺度运动和带电粒子的磁矩守恒而自然地呈现各向异性。以前的一项研究(论文I)分析了大尺度热各向异性对湍流模拟合成的RM地图统计数据的影响;这些模拟采用了无碰撞MHD模型,该模型考虑了具有均匀各向异性的张量压力。在目前的工作中,我们扩展到一个无碰撞的MHD模型的分析,其中的热各向异性的发展,根据守恒的热粒子的磁矩。我们还考虑了微尺度镜和消防水龙带不稳定性引起的各向异性弛豫效应。我们表明,如果弛豫速率足够快,以保持各向异性限制的阈值的不稳定性,RM映射的色散和功率谱是不可区分的从碰撞MHD。否则,有一个减少的分散和陡峭的RM地图的功率谱(碰撞的情况下相比)。考虑到第一种情况,在ICM中使用碰撞MHD模拟来模拟RM统计变得更合理。
2016-11-27 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A thermally stable heating mechanism for the intracluster medium: turbulence, magnetic fields and plasma instabilities
我们考虑的问题,自我调节加热和冷却的星系团和集群磁场和湍流的影响。弱碰撞磁化等离子体的粘性加热由相对于局部磁场方向的压力各向异性来调节。团内介质是高β等离子体,其中由湍流应力引起的压力各向异性以及随之而来的磁场的局部变化将触发非常快速的微尺度不稳定性。我们认为,这些不稳定性的净效应将是钉在一个边际水平的压力各向异性,控制等离子体β参数。这就产生了与辐射冷却率相当的局部加热率。此外,我们表明,这种加热和韧致辐射冷却之间的平衡是热稳定的,不像冷却和热传导之间的平衡经常被破坏。如果有足够的(可能是自我调节的)湍流能量供应,这就提供了一种减轻冷却流和防止集群核心崩溃的物理机制。对于观测到的密度和温度分布,假设的粘性加热和辐射冷却的平衡使我们能够预测磁场强度,湍流速度和湍流尺度的函数,从中心的距离。具体的预测和观察比较给出了几个不同的集群。我们的预测可以通过未来对星团磁场和湍流速度的观测来进一步检验。
2010-08-21 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Nonlinear Development of Streaming Instabilities In Strongly Magnetized Plasmas
本文研究了在有引导场的磁重联中形成的电流层中流动不稳定性的非线性发展。理论和三维粒子模拟揭示了两个不同的阶段。首先,平行布尼曼不稳定性增长并捕获低速电子。剩余的电子驱动两种形式的湍流:平行电子-电子双流不稳定性和近垂直的低混杂不稳定性。高速电子与湍流共振,并将动量传递给离子和低速电子。
2009-03-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Beaming electromagnetic (or heat-flux) instabilities from the interplay with the electron temperature anisotropies
在空间等离子体动力学不稳定性是由带电粒子的聚束(漂移)分量和/或温度各向异性驱动的。热通量不稳定性在文献中被称为电磁模式不稳定的电子束(或strahls)对准行星际磁场。本文提出了一种新的动力学方法,以提供一个现实的表征温度各向异性的电子的影响下的热通量不稳定性。数值分析是基于两个电子逆流(核心和光束)人口与温度各向异性,和固定,各向同性质子的动力学弗拉索夫-麦克斯韦理论。发现电子束$A_b = T_\perp / T_\parallel \ne 1$的温度各向异性显著改变了电磁热流不稳定性的主要性质,导致对$A_b > 1$的哨声分支或对$A_b<1$的消防水管分支的刺激。对于高温各向异性哨声开关从热通量的标准制度,当他们的不稳定性被抑制的光束。
2018-07-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Fluctuations in Gyrokinetic Simulations of Tokamak Scrape-Off Layer Turbulence
理解托卡马克边缘和刮削层(SOL)中的湍流输运物理是研制成功聚变堆的关键。在这些区域中的动态起着关键作用,在实现高融合性能,通过确定边缘基座,抑制H模式中的湍流。此外,反应堆的存活率由容器壁的热负荷决定,因此了解热量沿SOL中的开放磁场线流动时的湍流扩散非常重要。大幅波动、磁X点几何形状以及等离子体与材料壁的相互作用使得模拟边缘/SOL中的湍流比核心区域更具挑战性,需要专门的陀螺动力学代码。此外,包括在陀螺运动模拟,可以处理边界等离子体的独特挑战的电磁效应是至关重要的理解的现象,如基座和ELMs,电磁动力学预计是重要的。在这篇论文中,我们开发了第一个能力来模拟开放磁场线上的电磁回旋湍流。这是一个重要的一步,全面的电磁陀螺运动模拟的耦合边缘/SOL系统。通过使用一个连续的全f的方法,通过一个节能的不连续Galerkin(DG)离散方案,避免了安培抵消问题,我们表明,电磁波动可以处理在一个强大的,稳定的,和有效的方式在Gkeyll代码的gyrokinetic模块。然后,我们提出的结果,大致模拟刮落层的国家球形环面实验(NSTX),并表明电磁效应可以影响斑点的动力学和运输。我们还制定了gyrokinetic系统在现场对齐的坐标建模现实的边缘和刮落层的几何形状在实验中。
2021-03-30 physics.plasm-ph
Phase-space structures in quantum-plasma wave turbulence
研究一维Wigner-Poisson系统的拟线性理论。守恒律和性质的固定的解决方案被确定。量子效应表现在速度空间中的平均维格纳函数的瞬态周期振荡。量子准线性理论检查对碰撞尾部和双流不稳定性的数值模拟。在速度空间中预测的振荡波长与数值结果吻合得很好。
2008-09-19 physics.plasm-ph
Kelvin-Helmholtz versus Tearing Instability: What Drives Turbulence in Stochastic Reconnection?
在过去的几年里,很明显,湍流磁重联和磁化湍流是不可分割的。结果表明,不仅重联是破坏湍流冻结条件的原因,而且三维随机重联本身也会产生湍流。负责这种驱动的实际机制仍然未知。撕裂模式或开尔文-亥姆霍兹等离子体不稳定性等过程可能会从不规则的电流片中产生湍流。我们解决这个过程的驱动机制的性质,并考虑撕裂和开尔文-亥姆霍兹不稳定性的湍流生成过程中的相对作用。特别是,我们分析了这两个不稳定性的三维重联区域内的发展条件。我们发现,这两种不稳定性可以激发湍流的波动在重联区。然而,撕裂模式具有相对缓慢的增长速率,并且在稍后的时间,它变得部分地被横向于湍流波动的增长期间产生的磁场的电流片分量抑制。相反,Kelvin-Helmholtz不稳定性在流出区域迅速建立,并且与撕裂模的贡献相比,在稍后的时间内,Kelvin-Helmholtz不稳定性主导湍流的产生。我们的研究结果表明,撕裂不稳定性是次主导的Kelvin-Helmholtz不稳定性相比,在三维重联层的湍流的产生,因此,自驱动重联是湍流重联与撕裂不稳定性是重要的,只有在初始阶段的重联。
2020-01-20 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Global Gyrokinetic Simulations of Electromagnetic Turbulence in STEP
York Plasma Institute, University of York(约克等离子体研究所,约克大学)
本文通过GENE的长波δB∥求解器开展STEP的全局电磁gyrokinetic模拟,揭示有限β下电磁湍流非线性饱和特性,确立全局gyrokinetics捕捉类STEP等离子体动力学的能力。
2026-09-03 physics.plasm-ph
The ion cyclotron parametric turbulence and anomalous convective transport of the inhomogeneous plasma in front of the fast wave antenna
建立了快波天线前非均匀电场驱动的非均匀等离子体离子回旋(IC)静电参数不稳定性理论。据发现,参数IC湍流和漂移湍流的空间不均匀性是在流动的起源,其中运输的大部分FW功率,沉积到基座等离子体,刮除层,后来的偏滤器主要沿场线。
2021-03-03 physics.plasm-ph
Electromagnetic gyrokinetic instabilities in STEP
本文对反应堆规模托卡马克STEP进行了局部线性回旋动理学分析,发现其平衡态主要由混合KBM不稳定性主导且伴随次主导的MTMs,通过三代码基准测试验证了结果并为非线性研究奠定基础。
2023-10-05 physics.plasm-ph