The paper presents experiments and analysis of energy confinement on the CTX spheromak. Compared to previous published results from 0.4 m radius flux conservers, in a 0.67 m radius mesh flux conserver (with the current density kept constant), the magnetic field increases while the plasma density is kept the same. However, the electron temperature does not rise, and hence ⟨β⟩vol drops. The plasma resistivity remains constant (the resistance drops as the size increases), and the energy confinement time stays the same. Plasma energy content results from spheromaks during sustainment by helicity injection are also presented and show confinement equivalent to that during the decay phase. Increased magnetic field in the same size experiment produces very little improvement in electron temperature and a decrease in confinement time. The resistive decay time is found to be empirically independent of the core electron temperature. It is, instead, proportional to the strength of the magnetic field at constant plasma density, while the ratio of magnetic field to decay time depends on plasma density, consistently with ionization breakdown at the edge of the spheromak dominating helicity dissipation. The possible causes of this observed confinement are examined separately in detailed quantitative and qualitative studies. Absolutely calibrated multichord bolometry shows that impurity radiation is not the cause of the low electron temperatures. The particle confinement time has increased with size, but does not show an increase with increasing magnetic field. At the lower ⟨β⟩vol of the larger experiment, the particle replacement power cannot explain the unaccounted energy losses. Any important role of pressure driven modes in the CTX energy balance is shown to be inconsistent with the available CTX data. The possibility that rotating coherent current driven kink modes can seriously degrade energy confinement is evaluated and discounted owing to the lack of improvement when the modes are absent. The role of anomalous ion heating is examined, and the available data are presented. Finally, a hypothesis explaining these results is presented, suggestions for future work are made, and the results are summarized.
本論文は、CTXスフェロマックにおけるエネルギー閉じ込めに関する実験と解析について述べる。0.4m半径のフラックス・コンサーバーによる既発表の結果と比較して、0.67m半径のメッシュ・フラックス・コンサーバー（電流密度を一定に保った場合）では、プラズマ密度が同じに保たれる一方で、磁場は増加する。しかし、電子温度は上昇せず、したがって⟨β⟩volは低下する。プラズマ抵抗率は一定のままであり（サイズが大きくなると抵抗は低下する）、エネルギー閉じ込め時間は同じままである。ヘリシティ入射による維持中のスフェロマックのプラズマエネルギー収支の結果も示し、崩壊相と同等の閉じ込めを示すことを述べる。同じサイズの実験で磁場を増加させても、電子温度の改善はほとんど見られず、閉じ込め時間は減少する。抵抗性減衰時間は、コア電子温度に依存しないことが経験的に見出される。その代わりに、プラズマ密度が一定であれば磁場の強さに比例し、一方、磁場と減衰時間の比はプラズマ密度に依存し、スフェロマックの周縁部での電離による破壊がヘリシティ散逸を支配していることと整合する。観測されたこの閉じ込めの考えられる原因について、詳細な定量的・定性的研究で個別に検討する。絶対較正されたマルチコード・ボロメトリーは、不純物放射が低い電子温度の原因ではないことを示している。粒子閉じ込め時間はサイズとともに増加するが、磁場の増加に対しては増加を示さない。より大きな実験のより低い⟨β⟩volでは、粒子置換パワーは説明のつかないエネルギー損失を説明できない。CTXのエネルギー収支における圧力駆動モードの重要な役割は、利用可能なCTXデータと矛盾することが示される。回転するコヒーレントな電流駆動キンクモードがエネルギー閉じ込めを著しく劣化させる可能性は、モードが存在しない場合に改善が見られないことから評価され、棄却される。異常イオン加熱の役割を検討し、利用可能なデータを示す。最後に、これらの結果を説明する仮説を提示し、今後の研究への提案を行い、結果を要約する。