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Finite Larmor radius wave equations in Tokamak plasmas in the ion cyclotron frequency range

M Brambilla1989年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

The constitutive relation of a non-homogeneous plasma for h.f. waves in the ion cyclotron frequency domain is derived by integrating the Vlasov equation along the unperturbed particle orbits in the drift approximation. The integro-differential wave equations and the corresponding power balance equation in Tokamak geometry are obtained by expanding the h.f. current to second order in the ratio of the ion Larmor radius to the typical perpendicular wavelength; terms proportional to the much smaller ratio of Larmor radius to the length characterizing equilibrium gradients are neglected. This allows the author to cast the FLR wave equations into an explicitly vector form, and to identify clearly the physical meaning of each term. By specializing to a plane stratified model of the Tokamak, the author compared the complete set of FLR wave equations with a considerably simpler set previously derived by Swanson (1981) and by Colestock and Kashuba (1983), which has been extensively used for analytic and numerical studies of ICR heating. The author concludes that at least in the important scenario of a hydrogen minority in a deuterium plasma (and of pure first harmonic heating as a particular case), the use of the reduced set of equations is well justified, provided that finite Larmor radius contributions to electron absorption are taken into account.

日本語訳

非一様プラズマにおけるイオンサイクロトロン周波数領域の高周波波に対する構成関係は、ドリフト近似における非摂動粒子軌道に沿ってブラゾフ方程式を積分することにより導出される。トカマク幾何学における積分微分波動方程式および対応するパワーバランス方程式は、イオンラーモア半径と典型的な垂直波長の比の2次まで高周波電流を展開することにより得られ、平衡勾配を特徴づける長さに対するラーモア半径の比に比例するはるかに小さい項は無視される。これにより、著者はFLR波動方程式を明示的なベクトル形式で表現し、各項の物理的意味を明確に特定することができる。トカマクの平面成層モデルに特化することにより、著者は完全なFLR波動方程式群を、スワンソン(1981年)およびコルストックとキャッシュバ(1983年)によって以前に導出されたかなり単純な方程式群と比較した。この簡約方程式群はICR加熱の解析的および数値的研究に広く使用されてきた。著者は、重水素プラズマ中の水素少数成分という重要なシナリオ(および純粋な第一次高調波加熱を特別な場合として)において、電子吸収への有限ラーモア半径の寄与を考慮に入れるならば、簡約方程式群の使用は十分に正当化されると結論づけている。

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Larmor radiusFinite Larmor radius
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