Intermittent events and structure propagation in plasma turbulence [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Thomas Windisch

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• Publié par: ernst-moritz-arndt-universitat_greifswald
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 7
• Langue: English
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Extrait

Intermittent events and structure propagation
in plasma turbulence
I N A U G U R A L D I S S E R T A T I O N
zur
ErlangungdesakademischenGradeseines
doctorrerumnaturalium(Dr. rer. nat.)
anderMathematisch NaturwissenschaftlichenFakult at¨
der
Ernst Moritz Arndt Universit at¨ Greifswald
vorgelegtvon
ThomasWindisch
geborenam15.04.1978
inBerlin
Greifswald,imMarz¨ 2007Dekan: Prof. Dr. K.Fesser
1. Gutachter: Prof. Dr. T.Klinger
2. Gutachter: Prof. Dr. U.Stroth
TagderPromotion: 4. Mai2007Abstract
Turbulenceisanomnipresentphenomenoninnature. Itsmaincharacteristics,fluctuations
underawidespreadofspatialandtemporalscales,areobservedinneutralfluidorgaseous
systemsaswellasinplasmas. Althoughtheelectromagneticcharacterofaplasmamakes
plasma turbulence more complex, the basic features of turbulence are universal. In mag
netically confined plasmas, fluctuating plasma parameters give rise to turbulent transport
ofplasmaparticlesandenergy,whichdegradestheconfinementandaffectskeyissuesof
future fusion devices. The intermittent character of this convective particle flux is asso
ciated with high amplitude turbulent structures, called ”blobs”, propagating radially out
wardsacrossthemagneticfield. Alsotheintermittentfluctuationsobservedintheplasma
edge of devices with linear magnetic field geometry seem to be related to propagating
turbulent structures. The mechanism of the radial propagation is however poorly under-
stood. The present thesis reports on the formation and radial propagation of turbulent
structures in the linearly magnetized VINETA helicon device. By imaging the fluctua
tions in the azimuthal plane with multi dimensional probe arrays, it is demonstrated that
turbulentstructuresdevelopoutofdrift waveturbulenceinthemaximumplasmadensity
gradientregion. Theturbulentstructurespropagatemainlyazimuthallyindirectionofthe
background E×B drift but they exhibit also a strong radial velocity component. The
radial propagation is caused by the self consistent potential of the turbulent structures.
Theyarethemaincontributorstofluctuation inducedradialtransport. Intheplasmaedge
theturbulentstructuresoccurasintermittentdensityburstswithhighamplitudes. Acom
parison of the experimental findings with numerical three dimensional fluid simulations
with appropriate geometry and boundary conditions reveals consistency, i.e., the forma
tionoftheturbulentstructuresiscausallyconnectedwithaquasi coherentdriftmodeand
their radial propagation is caused by the self consistent electric field that develops due
to their three dimensional dynamics. For a comparison with a fusion plasma, the prop
agation properties of turbulent structures in the edge plasma of the National Spherical
Torus Experiment (NSTX) are investigated and compared with the common propagation
models.Zusammenfassung
Turbulenz ist allgegenwartig¨ in der Natur. Ein wichtiges Charakteristikum sind Fluk
tuationen auf einer Vielzahl von raumlichen¨ und zeitlichen Skalen, die sowohl in neu
tralen Fluiden und gasformigen¨ Systemen, als auch in Plasmen beobachtet werden. Ob
wohl der elektromagnetische Charakter von Plasmen eine erhohte¨ Komplexitat¨ von Plas
maturbulenz bedingt, sind die grundlegenden Eigenschaften universell. In magnetisch
eingeschlossenen Plasmen fuhren¨ fluktuierende Plasmaparameter zu turbulentem Trans
port von Plasmateilchen und Energie, der die Einschlusszeit verringert und wichtige As
pektezukunftiger¨ Fusionskraftwerkebeeinflusst. DerintermittenteCharakterdieseskon
vektivenTeilchenflussesistverbundenmitturbulentenStrukturenmitgroßenAmplituden,
auch ”blobs” genannt, die radial durch das Magnetfeld propagieren. Intermittente Fluk
tuationen im Randplasma von Experimenten mit linearer Magnetfeldgeometrie werden
ebenfalls propagierenden turbulenten Strukturen zugeschrieben. Dabei ist der Mecha
nismus der radialen Propagation kaum verstanden. In dieser Arbeit wird die Bildung
und Propagation von turbulentenStrukturen imlinear magnetisierten Helikonexperiment
VINETA untersucht. Durch Messungen der Fluktuationen in der azimuthalen Ebene mit
multi dimensionalen Sonden wird gezeigt, dass turbulente Strukturen in Driftwellentur-
bulenz im Gebiet des maximalen Dichtegradienten entstehen. Die turbulenten Struk
turen propagieren hauptsachlich¨ azimuthal in Richtung der Hintergrund E×B Drift,
abersiebesitzenaucheinestarkeradialeGeschwindigkeitskomponente. DieradialePro
pagation wird durch das selbstkonsistente Potential der turbulenten Struktur verursacht,
dass zu einem fluktuations induzierten radialen Transport f uhrt.¨ Im Plasmarand wer-
dendieturbulentenStrukturenalsintermittenteDichteeruptionenmitgroßenAmplituden
beobachtet. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit numerischen dreidimen
sionalen Fluid Simulationen mit abgestimmten Geometrie und Randbedingungen zeigt
¨Ubereinstimmung. Die Bildung der turbulenten Strukturen ist kausal mit einer quasi
koharenten¨ Driftmode verbunden und ihre radiale Propagation wird durch das selbstkon
sistente elektrische Feld verursacht, dass aus der dreidimensionalen Dynamik resultiert.
Zum Vergleich wird die Propagation von turbulenten Strukturen im Randplasma vom
NationalSphericalTorusExperiment(NSTX)untersuchtundmittheoretischenPropaga
tionsmodellenverglichen.Contents
Abstract
Zusammenfassung
1 Introduction-aprimertotheturbulenceproblem 1
2 Theoryofdriftwavesanddrift waveturbulence 9
2.1 Physicalpicture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Basicplasmaequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Hasegawa Mimamodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Hasegawa Wakatanimodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 ModeloftheCYTOcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 Linearproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.2 Nonlinearproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Plasmadiagnosticsandsignalprocessing 27
3.1 Plasmadiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Electrostaticprobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 Microwaveinterferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.3 Thomsonscattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.4 Gaspuffimaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Signalprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Wavelettransform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Probabilitydistributionfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3 Bicoherenceanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.4 Cross correlationandconditional averagingtechniques . . . . . 44ii
4 TheVINETAdevice 47
4.0.5 Heliconwaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1 Operationandplasmaparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Time averagedprofiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3 Basiccharacterizationoffluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4 Transitiontoweaklydevelopedturbulence . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5 Intermittenttransportevents 61
5.1 Formationandpropagationofspatiotemporalturbulentstructures . . . . 63
5.1.1 Time averagedprofilesandtemporalevolutionofplasmadensity
fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.1.2 Spatiotemporalevolutionofplasmadensityfluctuations . . . . 67
5.2 Limiteroperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.1 Temporalevolutionofplasmadensityfluctuations . . . . . . . 74
5.2.2 Spatiotemporalevolutionofplasmadensityfluctuations . . . . 75
6 Numericalsimulations 77
6.1 Simulationinitializationandbasicfluctuationcharacteristics . . . . . . 77
6.1.1 Temporalevolutionofplasmadensityfluctuations . . . . . . . 80
6.1.2 Space timeanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2 Comparativediscussionofexperimentalandnumericalsimulationresults 88
7 Intermittenttransporteventsintheedgeplasmaoffusiondevices 91
7.1 Interchangeinstability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.2 Scalingofradialblobvelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.3 TurbulentstructurepropagationintheedgeandSOLofNSTX . . . . . 98
7.3.1 TemporalevolutionoffluctuationsacrosstheSOL . . . . . . . 99
7.3.2 SpatiotemporalevolutionoffluctuationsacrosstheSOL . . . . 100
7.3.3 Propagationofindividualstructures . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.4 Statisticalanalysisoftheradialstructurevelocities . . . . . . . . . . . 104
7.5 DiscussionofNSTXresults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8 Summaryandconclusion 109iii
Bibliography 113
ListofPublications 125
CurriculumVitae 127
Acknowledgements 129