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Stability of a Magnetically Confined 20-KeV Steady-State Plasma; Stabilite d'un Plasma Stationnaire de 20 KeV Confine par un Champ Magnetique; Ustojchivost' 20 KehV-statsionarnoj plazmy, uderzhivaemoj magnitnym polem; Estabilidad en Regimen Estacionario de un Plasma de 20 KeV Confinado Magneticamente

Conference:

Abstract

The stability of the steady-state 20-keV hydrogen plasma of the Livermore neutral-injection experiment ''Alice'' has been investigated in various confining magnetic fields. In a simple mirror field, observations of low-frequency oscillations and of a limitation on trapped- ion density are interpreted in terms of a low-frequency drift instability. A theoretical treatment of this instability has been made which includes the effects resulting from the finite size of the ion orbits, effects of a zero-order electric field and of unequal ion and electron densities. In the present treatment both the electric field and the magnetic field may be arbitrary functions of the spatial coordinater. As it is not in general possible to obtain analytical solutions to the resulting differential equations, the basic equations were solved numerically by finite-difference methods. These results, which agree with analytical solutions obtained in the limiting case of no zero-order electric field, are successful in explaining density and drift-frequency variations observed experimentally under conditions of finite zero-order electric field. Since the present theoretical treatment assumes the magnetic field to be an arbitrary function of r, it is possible to obtain results for fields with an initially negative gradient, which then becomes positive as the coordinate r increases.  More>>
Authors:
Futch, Jr., A. H.; Damm, C. C.; Foote, J. H.; Freis, R.; Gordon, F. J.; Hunt, A. L.; Killeen, J.; Moses, K. G.; Post, R. F.; Steinhaus, J. F. [1] 
  1. Lawrence Radiation Laboratory, Livermore, CA (United States)
Publication Date:
Apr 15, 1966
Product Type:
Conference
Report Number:
IAEA-CN-21/234
Resource Relation:
Conference: Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, Culham (United Kingdom), 6-10 Sep 1965; Other Information: 17 Refs., 10 figs.; Related Information: In: Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. Vol. II. Proceedings of a Conference on Plasma Physics and Controlled Physics Research| 1017 p.
Subject:
70 PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY; ANALYTICAL SOLUTION; CHARGE EXCHANGE; CUSPED GEOMETRIES; DIFFERENTIAL EQUATIONS; DRIFT INSTABILITY; ELECTRIC FIELDS; ELECTRON DENSITY; ELECTRON EMISSION; FINITE DIFFERENCE METHOD; GYROFREQUENCY; HYDROGEN; ION DENSITY; MAGNETIC CONFINEMENT; MAGNETIC FIELDS; NEUTRAL ATOM BEAM INJECTION; OSCILLATIONS; PLASMA; PLASMA POTENTIAL; STEADY-STATE CONDITIONS
OSTI ID:
22178027
Research Organizations:
International Atomic Energy Agency, Vienna (Austria)
Country of Origin:
IAEA
Language:
English
Other Identifying Numbers:
Other: ISSN 0074-1884; TRN: XA13M2247002471
Submitting Site:
INIS
Size:
page(s) 3-21
Announcement Date:
Jan 09, 2014

Conference:

Citation Formats

Futch, Jr., A. H., Damm, C. C., Foote, J. H., Freis, R., Gordon, F. J., Hunt, A. L., Killeen, J., Moses, K. G., Post, R. F., and Steinhaus, J. F. Stability of a Magnetically Confined 20-KeV Steady-State Plasma; Stabilite d'un Plasma Stationnaire de 20 KeV Confine par un Champ Magnetique; Ustojchivost' 20 KehV-statsionarnoj plazmy, uderzhivaemoj magnitnym polem; Estabilidad en Regimen Estacionario de un Plasma de 20 KeV Confinado Magneticamente. IAEA: N. p., 1966. Web.
Futch, Jr., A. H., Damm, C. C., Foote, J. H., Freis, R., Gordon, F. J., Hunt, A. L., Killeen, J., Moses, K. G., Post, R. F., & Steinhaus, J. F. Stability of a Magnetically Confined 20-KeV Steady-State Plasma; Stabilite d'un Plasma Stationnaire de 20 KeV Confine par un Champ Magnetique; Ustojchivost' 20 KehV-statsionarnoj plazmy, uderzhivaemoj magnitnym polem; Estabilidad en Regimen Estacionario de un Plasma de 20 KeV Confinado Magneticamente. IAEA.
Futch, Jr., A. H., Damm, C. C., Foote, J. H., Freis, R., Gordon, F. J., Hunt, A. L., Killeen, J., Moses, K. G., Post, R. F., and Steinhaus, J. F. 1966. "Stability of a Magnetically Confined 20-KeV Steady-State Plasma; Stabilite d'un Plasma Stationnaire de 20 KeV Confine par un Champ Magnetique; Ustojchivost' 20 KehV-statsionarnoj plazmy, uderzhivaemoj magnitnym polem; Estabilidad en Regimen Estacionario de un Plasma de 20 KeV Confinado Magneticamente." IAEA.
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title = {Stability of a Magnetically Confined 20-KeV Steady-State Plasma; Stabilite d'un Plasma Stationnaire de 20 KeV Confine par un Champ Magnetique; Ustojchivost' 20 KehV-statsionarnoj plazmy, uderzhivaemoj magnitnym polem; Estabilidad en Regimen Estacionario de un Plasma de 20 KeV Confinado Magneticamente}
author = {Futch, Jr., A. H., Damm, C. C., Foote, J. H., Freis, R., Gordon, F. J., Hunt, A. L., Killeen, J., Moses, K. G., Post, R. F., and Steinhaus, J. F.}
abstractNote = {The stability of the steady-state 20-keV hydrogen plasma of the Livermore neutral-injection experiment ''Alice'' has been investigated in various confining magnetic fields. In a simple mirror field, observations of low-frequency oscillations and of a limitation on trapped- ion density are interpreted in terms of a low-frequency drift instability. A theoretical treatment of this instability has been made which includes the effects resulting from the finite size of the ion orbits, effects of a zero-order electric field and of unequal ion and electron densities. In the present treatment both the electric field and the magnetic field may be arbitrary functions of the spatial coordinater. As it is not in general possible to obtain analytical solutions to the resulting differential equations, the basic equations were solved numerically by finite-difference methods. These results, which agree with analytical solutions obtained in the limiting case of no zero-order electric field, are successful in explaining density and drift-frequency variations observed experimentally under conditions of finite zero-order electric field. Since the present theoretical treatment assumes the magnetic field to be an arbitrary function of r, it is possible to obtain results for fields with an initially negative gradient, which then becomes positive as the coordinate r increases. Results of such calculations are compared with experimental observations of drift stabilization achieved when line cusp fields are added to the simple mirror field. Experimentally, both dodecapole and octopole line cusps have been shown to be effective in suppressing ion losses due to the drift instability. Remaining ion losses arise solely from charge exchange with residual gas over most of the accessible density range. However, anomalous losses appear under some conditions at the highest density ({approx} 2 x 10{sup 8} ions cm{sup -3}). Correlation of small decreases in ion density with the detection of oscillations at the ion gyrofrequency and with pulsed emission of electrons through the mirror region accompanied by increases in the plasma potential suggests the presence of an electrostatic resonance instability. Differences in gyrofrequency activity among simple mirror, dodecapole and octopole cases are described but specific mode identification is not yet possible. (author) [French] Les auteurs ont etudie la stabilite d'un plasma d'hydrogene stationnaire de 20 keV dans l'appareil a injection d'atomes neutres 'Alice ' de Livermore, dans differents champs magnetiques de confinement. Dans un champ simple a miroirs, l'observation d'oscillations a basse frequence et d'une limite de la densite des ions pieges fait l'objet d'une interpretation en fonction de l'instabilite de derive a basse frequence. Les auteurs ont effectue un traitement theorique de cette instabilite qui porte sur les effets de la dimension finie des orbites des ions, les effets d'un champ electrique d'ordre zero et les effets de la difference entre la densite des ions et celle des electrons. Le champ electrique et le champ magnetique peuvent etre des fonctions arbitraires de la coordonnee spatiale r. Comme il n'est pas possible en general de resoudre analytiquement les equations differentielles ainsi calculees, les auteurs ont resolu numeriquement les equations fondamentales par la methode des differences finies. Ces resultats, qui concordent avec les solutions analytiques obtenues dans le cas limite d'un champ electrique qui n'est pas d'ordre zero, permettent d'expliquer les variations de la densite et de la frequence de la derive observees experimentalement en presence d'un champ electrique fini d'ordre zero. Comme ce traitement theorique part de l'hypothese que le champ magnetique est une fonction arbitraire de r, il est possible d'obtenir des resultats pour des champs ayant un gradient d'abord negatif qui devient ensuite positif lorsque r augmente. Les auteurs comparent les resultats de ces calculs aux observations experimentales de stabilisation de la derive faites en ajoutant des champs cuspides lineaires au champ simple a miroirs. Ils ont constate experimentalement que les champs cuspides lineaires dodecapolaire et octopolaire suppriment les pertes d'ions dues a l'instabilite de la derive. Il ne reste que les pertes d'ions provenant de l'echange de charge avec le gaz residuel dans la plus grande partie de l'intervalle de densites accessible. Toutefois, des pertes anormales apparaissent dans certaines conditions pour la densite d'ions la plus elevee ( Tilde-Operator 2 x 10{sup 8} cm{sup -3}). La correlation de petites diminutions de la densite d'ions avec la detection d'oscillations a la gyrofrequence des ions et avec l'emission puisee d'electrons a travers la region du miroir accompagnee d'accroissements du potentiel du plasma suggere la presence d'une instabilite par resonance electrostatique. Les auteurs decrivent les differences d'activite de gyrofrequence dans le cas des champs simples a miroirs, dbdecapolaire et octopolaire, mais il n'est pas encore possible de les identifier par le mode specifique. (author) [Spanish] Los autores estudiaron la estabilidad del plasma de hidrogeno de 20 keV en regimen estacionario, correspondiente al experimento 'Alice' de inyeccion neutra realizado en Livermore. Usaron diversos campos magneticos para el confinamiento. En un campo de espejo simple observaron oscilaciones de baja frecuencia y una limitacion en cuanto a la densidad de iones atrapados; estas observaciones se interpretan en funcion de una inestabilidad en forma de deriva de baja frecuencia. Los autores han estudiado esta inestabilidad en su aspecto teorico, teniendo en cuenta los efectos resultantes del tamano finito de las orbitas ionicas, de la existencia de un campo electrico de orden cero y de densidades electronicas y ionicas desiguales. En este planteo, tanto el campo electrico como el campo magnetico pueden ser funciones arbitrarias de la coordenada especial r. Como en general no es posible obtener soluciones analiticas de las ecuaciones diferenciales resultantes, las ecuaciones basicas se resolvieron numericamente mediante el metodo de las diferencias finitas. Estos resultados, que concuerdan con las soluciones analiticas obtenidas en el caso limite de un campo electrico de orden cero, permiten explicar las variaciones de densidad y de frecuencia de la deriva, observadas experimentalmente en condiciones de campo electrico finito de orden cero. Como el planteo teorico presentado en la memoria supone que el campo magnetico es una funcion arbitraria de r, resulta posible obtener resultados para campos con un gradiente inicialmente negativo, que luego se torna positivo a medida que aumenta la coordenada r. Los autores comparan los resultados de dichos calculos con las observaciones experimentales de estabilizacion de la deriva, alcanzada cuando se superponen campos lineales en forma de cuspide al campo especular simple. Experimentalmente se ha demostrado que tanto las cuspides octopolares como las dodecapolares de caracter lineal suprimen eficazmente las perdidas ionicas debidas a la deriva. Las restantes perdidas ionicas se deben exclusivamente al intercambio de cargas con el gas residual en la mayor parte del intervalo de densidad asequible. Con todo, en algunas condiciones aparecen perdidas anomalas a la maxima densidad ( Tilde-Operator 2 x 10{sup 8} iones cm{sup -3}). La correlacion de pequenas disminuciones de la densidad ionica con la deteccion de oscilaciones a la frecuencia de giro de los iones y con. la emision pulsada de electrones a traves del espejo, acompanada de aumentos en el potencial del plasma, sugieren la presencia de una inestabilidad de tipo resonancia electrostatica. Los autores describen en la memoria las diferencias de actividad a la frecuencia de giro entre los casos de espejo simple, dodecapolar y octopolar, pero todavia no es posible identificar los modos especificos. (author) [Russian] Na ustanovke ''Alisa'' (Livermor) issledovalas' ustojchivost' 20-kilovol'tovoj stacionarnoj vodorodnoj plazmy pri razlichnyh konfiguracijah uderzhivajushhih magnitnyh polej. Dlja sozdanija plazmy ispol'zovalsja metod inzhekcii nejtral'nyh chastic v lovushku. V magnitnom pole prostoj probochnoj konfiguracii nabljudalis' kolebanija nizkoj chastoty, i plotnost' zahvachennyh chastic byla ogranichennoj. Jeti fakty ob{sup j}asnjajutsja dejstviem mehanizma nizkochastotnoj drejfovoj neustojchivosti. Teoreticheskoe izuchenie jetoj neustojchivosti provodilos' s uchetom jeffektov, svjazannyh s konechnym razmerom ionnyh orbit, s jelektricheskim polem nulevogo priblizhenija i s neravnymi znachenijami ionnyh i jelektronnyh plotnostej. V nastojashhem issledovanii kak jelektricheskoe, tak i magnitnoe pole mogut byt' proizvol'nymi funkcijami prostranstvennoj koordinaty g. Poskol'ku poluchit' analiticheskoe reshenie dlja poluchennyh differencial'nyh uravnenij voobshhe nevozmozhno, to osnovnye uravnenija byli resheny chislenno metodom konechnyh raznostej. Rezul'taty soglasujutsja s analiticheskimi reshenijami, poluchennymi dlja chastnogo sluchaja jelektricheskogo polja ne nulevogo priblizhenija i uspeshno ob{sup j}asnjajut variacii plotnosti i drejfa, nabljudavshiesja jeksperimental'no v uslovijah slabogo jelektricheskogo polja. Poskol'ku dannoe teoreticheskoe issledovanie polagaet, chto magnitnoe pole dolzhno javljat'sja proizvol'noj funkciej g, mozhno poluchit' reshenija dlja polej s pervonachal'no otricatel'nym gradientom, kotoryj potom stanovitsja polozhitel'nym po mere uvelichenija koordinaty g. Rezul'taty jetih raschetov sravnivajutsja s jeksperimental'nymi nabljudenijami stabilizacii, poluchennymi pri dobavlenii k prostomu probkovomu polju giperbolicheskih polej. Jeksperimental'no pokazano, chto dobavlenie kak dodekapol'nyh, tak i oktupol'nyh polej jeffektivno podavljaet poteri ionov, vyzvannyh drejfovoj neustojchivost'ju. Ostavshiesja ionnye poteri voznikajut iskljuchitel'no za schet ih perezarjadki na ostatochnom gaze v bol'shej chasti diapazona dostupnyh plotnostej. Odnako v uslovijah bolee vysokoj plotnosti ( Tilde-Operator 2 x 10{sup 8} ionov/sm{sup -3}) voznikajut anomal'nye poteri. Nebol'shie umen'shenija plotnosti ionov korrelirujut s voznikajushhimi kolebanijami na ionno-ciklotronnoj chastote i s impul'snym uhodom jelektronov cherez magnitnye probki. Nabljudaemyj jeffekt soprovozhdaetsja uvelicheniem potenciala plazmy, chto ukazyvaet na nalichie jelektrostaticheskoj rezonansnoj neustojchivosti . Opisyvajutsja razlichija v vozmozhnostjah vozniknovenija kolebanij na ciklotronnoj chastote v prostoj probochnoj, dodekapol'noj i oktupol'noj geometrijah magnitnogo polja, no identificirovat' ih k nastojashhemu vremeni ne udaetsja. (author)}
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