反磁剪切托卡马克等离子体中低频剪切阿尔芬波的理论研究

位于动理学热离子带隙附近的低频阿尔芬扰动因可以与高能量粒子或背景热粒子发生相互作用而引起了广泛的关注.本文在一般鱼骨模色散关系的理论框架下,针对反磁剪切托卡马克等离子体中观测到的由高能量粒子或者背景热粒子激发的低频剪切阿尔芬波的线性特性进行了一系列的理论研究.由于这些低频剪切阿尔芬波与2019年DⅢ-D开展的专门研究高能量离子驱动低频不稳定的实验密切相关,因此本文通过采用DⅢ-D具有代表性实验的平衡参数,证明了实验上观测的低频模和比压阿尔芬本征模分别是以阿尔芬极化为主的反应型和耗散型不稳定模,因此,将前者称为低频阿尔芬模更准确.由于受逆磁和捕获粒子动理学效应的影响,低频阿尔芬模既可以在低频区(频率小于热离子的渡越或反弹频率)与比压阿尔芬声模耦合,又可以在高频区(频率大于或近似等于热离子的渡越频率)与比压阿尔芬本征模耦合,此外,由于受到不同激发机制的影响,与局域在安全因子最小值有理面附近的低频阿尔芬模相比,驱动比压阿尔芬本征模的高能量离子的压强梯度在偏离安全因子最小值的有理面时达到最大值,相应的比压阿尔芬本征模的本征函数在高能量离子驱动最大的径向位置处出现峰值.通过改变安全因子最小值理论上重现了实验上观测的比压阿尔芬本征模和低频阿尔芬模的上升频谱特征.研究还表明,比压阿尔芬声模由于受到强烈的朗道阻尼,因而很难被高能量粒子激发,这与基于第一性原理的理论预测和模拟结果一致.本文证明了一般鱼骨模色散关系在解释和预测实验和数值模拟结果方面的强大能力.

载流磁化等离子体中剪切阿尔芬涡旋

研究低β_■(0<β_■《m_c/m_i)载流磁化等离子体中非线性剪切阿尔芬波,导出了描述非线性剪切阿尔芬波的方程组,求出该方程组的阿尔芬涡旋(Vortex)解。该解属于本性电磁涡旋,扰动势在远离涡旋中心处按1/r衰减。对结果的分析表明,载流等离子体中涡旋具有新的特点。它除了具有与无电流时涡旋所允许的传播速度区外(u<—αV_A,u>αV_A),还有一个新的传播速度区(0<u<αV_0),对应于一些慢速运动的涡旋,这将可能导致较之无电流时更大的反常输运。

托卡马克理想磁流体不稳定性的统一描述(I)

在与平衡磁面相联系的坐标系下 ,用剪切阿尔芬波近似给出了统一描述托卡马克等离子体理想磁流体线性运动的本征模方程。利用此方程 ,可以进一步给出大尺度扰动 (扭曲摸、低模数气球模、阿尔芬模 )和小尺度扰动 (高模数气球模、Mercier模 )的本征模方程。