The generation mechanisms of three-dimensional large-scale coherent structures (LSCSs) along magnetic field lines in the edge plasmas of the HL-2A tokamak are investigated using 10-tip poloidal and 8-tip radial probe arrays toroidally separated by 2100 mm. The LSCSs with radial and poloidal sizes of about (20–30)ρs (hybrid Larmor radius) ∼10–15 mm and a finite parallel wave vector are experimentally observed with high spatial and temporal resolutions. The turbulence energy from 30 to 60 kHz is found to contribute significantly to the growth of the turbulent eddies of the broad spectrum. The latter gradually increase, following an increase in turbulence energy at 30–60 kHz, and then break up into LSCSs with dipolar floating potential fluctuations at the inner side of the last closed flux surface (LCFS), where the Reynolds stress driven E × B flow is strong, the flow shearing rate has a maximum and the time scale is close to the LSCS generation time. The LSCSs are then disconnected by the E × B flow shear, move across the LCFS and enter into the scrape-off layer. The back-reaction of the LSCS on turbulence is also observed and may result in LSCS intermittent behaviours. Thus, the increasing turbulent energy and the spontaneous E × B flow shear are identified to be responsible for the generation of LSCSs, which is in agreement with the theoretical prediction and provides unambiguous experimental evidence for the LSCS generation mechanism in tokamak edge plasmas. The correlation between the sheared flow and Reynolds stress is demonstrated. The evidence for the back-reaction of LSCS on turbulence is also presented.
HL-2Aトカマクの周辺プラズマにおける磁力線に沿った三次元大規模コヒーレント構造(LSCS)の生成メカニズムを、2100 mm離れたトロイダル方向に分離された10チップ・ポロイダルおよび8チップ・ラジアルプローブアレイを用いて調査した。ラジアルおよびポロイダル方向のサイズが約(20–30)ρs(ハイブリッド・ラーモア半径)〜10–15 mmであり、有限な平行波数ベクトルを有するLSCSが、高い空間的・時間的分解能で実験的に観測された。30〜60 kHzの乱流エネルギーが、広帯域スペクトルの乱流渦の成長に大きく寄与することが見出された。後者は、30〜60 kHzでの乱流エネルギーの増加に続いて徐々に増大し、その後、最後閉磁気面(LCFS)の内側において、双極子状の浮遊電位変動を伴うLSCSに分裂する。そこでは、レイノルズ応力駆動のE×B流が強く、流れのシア率が最大値を有し、その時間スケールはLSCS生成時間に近い。LSCSはその後、E×B流シアによって切断され、LCFSを横切ってスクレイプオフ層へ進入する。LSCSの乱流への反作用も観測され、LSCSの間欠的挙動をもたらす可能性がある。したがって、増大する乱流エネルギーと自発的なE×B流シアがLSCSの生成に関与していることが特定され、これは理論的予測と一致し、トカマク周辺プラズマにおけるLSCS生成メカニズムに対する明確な実験的証拠を提供する。シア流とレイノルズ応力との間の相関が実証された。LSCSの乱流への反作用の証拠も提示される。