Plasma turbulence is the dominant transport mechanism for heat and particles in magnetised plasmas in linear devices and tokamaks, so the study of turbulence is important in limiting and controlling this transport. Linear devices provide an axial magnetic field that serves to confine a plasma in cylindrical geometry as it travels along the magnetic field from the source to the strike point. Due to perpendicular transport, the plasma density and temperature have a roughly Gaussian radial profile with gradients that drive instabilities, such as resistive drift-waves and Kelvin–Helmholtz. If unstable, these instabilities cause perturbations to grow resulting in saturated turbulence, increasing the cross-field transport of heat and particles. When the plasma emerges from the source, there is a time, , that describes the lifetime of the plasma based on parallel velocity and length of the device. As the plasma moves down the device, it also moves azimuthally according to E × B and diamagnetic velocities. There is a balance point in these parallel and perpendicular times that sets the stabilisation threshold. We simulate plasmas with a variety of parallel lengths and magnetic fields to vary the parallel and perpendicular lifetimes, respectively, and find that there is a clear correlation between the saturated RMS density perturbation level and the balance between these lifetimes. The threshold of marginal stability is seen to exist where . This is also associated with the product , where is the drift-wave linear growth rate, indicating that the instability must exist for roughly 100 times the growth time for the instability to enter the nonlinear growth phase. We explore the root of this correlation and the implications for linear device design.
プラズマ乱流は、線形装置やトカマクにおける磁化プラズマ中の熱と粒子の主要な輸送機構であるため、乱流の研究はこの輸送を制限し制御する上で重要である。線形装置は、プラズマが源から衝突点まで磁場に沿って移動する際に、円筒形状のプラズマを閉じ込める役割を果たす軸方向磁場を提供する。垂直輸送により、プラズマ密度と温度はほぼガウス分布の動径プロファイルを持ち、その勾配が抵抗性ドリフト波やケルビン・ヘルムホルツ不安定性などの不安定性を駆動する。不安定性が生じると、これらの擾乱は成長して飽和乱流をもたらし、熱と粒子の垂直輸送を増大させる。プラズマが源から現れるとき、平行速度と装置の長さに基づいてプラズマの寿命を記述する時間が存在する。プラズマが装置内を移動する際、E×B速度と反磁性速度に従って方位角方向にも移動する。これらの平行方向と垂直方向の時間には平衡点が存在し、それが安定化閾値を決定する。我々は、様々な平行長と磁場強度を持つプラズマをシミュレーションし、それぞれ平行方向と垂直方向の寿命を変化させたところ、飽和RMS密度擾乱レベルとこれらの寿命間の平衡との間に明確な相関関係があることを見出した。限界安定性の閾値は、不安定性が非線形成長段階に入るために、不安定性が成長時間の約100倍存在しなければならないことを示す場所に存在することが確認された。このことは、ドリフト波の線形成長率の積とも関連している。我々は、この相関関係の根源と線形装置設計への影響を探求する。