The first detailed experimental characterization of the physics of plasmas of arbitrary neutrality is reported. It is shown that the degree of neutralization of the plasma in the Columbia Non-Neutro Torus stellarator can be varied continuously from quasi-neutral to pure-electron plasma, and that the plasma can be sustained indefinitely at any degree of neutralization. The physical phenomena change significantly as the degree of neutralization is varied. Quasi-neutral plasmas exhibit a single mode low-frequency flute instability. This mode aligns almost perfectly with the magnetic field lines, presenting a resonant m = 3 poloidal structure. For weakly magnetized ions, and moderate degrees of neutralization, multi-mode behaviour is observed, in some cases fully turbulent. At the other extreme of the neutralization scale, electron-rich plasmas with a small but non-negligible amount of ions exhibit single mode fluctuations. Essentially identical phenomena were previously reported by Marksteiner et al (2008 Phys. Rev. Lett.100 065002). In addition to the already known poloidal mode number m = 1 of these fluctuations, the toroidal mode number is now known: n = 0. This not only confirms the previous observations that the electron fluid force balance appears to be broken, but the frozen-in flux condition is also violated.
任意の中性度を持つプラズマの物理に関する最初の詳細な実験的特徴付けが報告される。コロンビア非中性トーラス・ステラレータにおけるプラズマの中性度は、準中性から純電子プラズマまで連続的に変化させることができ、またプラズマは任意の中性度で無限に維持できることが示される。物理的現象は、中性度が変化するにつれて大きく変化する。準中性プラズマは、単一モードの低周波フルート不安定性を示す。このモードは磁力線とほぼ完全に整列し、共鳴的なm = 3ポロイダル構造を示す。弱く磁化されたイオンと中程度の中性度の場合には、多モード挙動が観測され、場合によっては完全に乱流的となる。中性度スケールのもう一方の極端では、少量ではあるが無視できない量のイオンを含む電子リッチプラズマが単一モードの変動を示す。本質的に同一の現象が、以前にMarksteinerら(2008 Phys. Rev. Lett.100 065002)によって報告されている。これらの変動の既知のポロイダルモード数m = 1に加えて、トロイダルモード数が現在明らかになっている：n = 0。これは、電子流体の力の釣り合いが破れているように見えるという以前の観測を確認するだけでなく、凍結磁束条件も破られていることを示している。