TY  - THES
U1  - Dissertation / Habilitation
A1  - Stark, Albrecht
T1  - Ion dynamics in magnetized plasmas
N2  - In magnetized plasmas the understanding of the plasma dynamics in response to magnetic fluctuations is of particular interest. These fluctuations appear in form of linear and nonlinear wave phenomena and also as a change of the magnetic field topology. In the context of the present thesis the influence of low-frequency electromagnetic waves and topological changes of magnetic fields caused by magnetic reconnection on the ion dynamics was experimentally investigated. In the linear magnetized laboratory experiment VINETA kinetic Alfvén waves were excited and identified via detailed measurements of the waves dispersion by means of magnetic fluctuation diagnostics. For the understanding of the dispersion behavior boundary effects and the influence of collisions must be taken into account. The ion velocity distribution function (IVDF) was measured with laser-induced fluorescence (LIF). The standard LIF scheme was extended to obtain phase-resolved IVDFs in case of periodic perturbations. The electrical fields of the linear Alfvén waves, which are driven by small amplitude magnetic perturbations, are however usually too small, to significantly influence the ion dynamics. A different situation emerges for a strongly nonlinear excitation scheme: Strong indications for wave particle interaction was found in LIF measurements made on nonlinear Alfvénic waves in amplitude modulated helicon plasmas. In the toroidal experiment VTF magnetic reconnection can be driven periodically and under reproducible conditions. These precondition facilitates systematic investigations of magnetic reconnection and its influence on the ion dynamics with LIF. For the first time it was proven that ion heating is a direct consequence of reconnection. Furthermore, it could be shown that this heating is strongly localized at the magnetic X-point, which is the location where reconnection occurs. With time-resolved measurements of the IVDF a causal connection between the reconnection rate and the ion heating could be established. Furthermore, strong non-thermal components of the IVDF were detected, which correlate with the observed ion heating. Numeric simulations, based on a kinetic single particle picture, show a transfer from magnetic energy to kinetic energy of the ions, which is consistent with the experimentally observed rise of the ion temperature.
N2  - In magnetisierten Plasmen kommt dem Verständnis von magnetischen Fluktuationen eine tragende Rolle hinsichtlich der Plasmadynamik zu. Diese Fluktuationen treten in Form linearer und nichtlinearer Wellenphänomene oder auch als Änderung der magnetischen Topologie auf. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluß von niederfrequenten elektromagnetischen Wellen und der von topologischen Magnetfeldänderungen durch magnetische Rekonnektion auf die Dynamik der Ionen experimentell untersucht. In dem linearen magnetisierten Laborexperiment VINETA wurden kinetische Alfvénwellen angeregt und durch detaillierte Messung der Dispersion mittels magnetischer Fluktuationsdiagnostiken eindeutig identifiziert. Für das Verständnis des Dispersionsverhaltens müssen die Berandung der Wellen und der Einfluß von Stößen einbezogen werden. Mittels laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) wurde die Ionenenergieverteilungsfunktion (IEVF) gemessen. Dabei wurde das Schema dahingehend erweitert, daß bei periodischen Störungen des Plasmas phasenaufgelöste Messungen der IEVF durchgeführt werden können. Die elektrischen Felder der durch vergleichsweise kleine magnetische Störungen angeregten linearen Alfvénwellen sind jedoch in der Regel zu klein, um einen signifikanten Einfluß auf die Ionendynamik zu nehmen. Anders verhält es sich jedoch bei einem stark nicht-linearem Anregungssschema: Die Welle-Teilchen Wechselwirkung konnte für nichtlineare Anregung Alfvénischer Wellen durch amplitudenmodulierte Helikoneigenmoden mittels LIF nachgewiesen werden. In dem toroidalen Experiment VTF kann magnetische Rekonnektion periodisch und unter reproduzierbaren Bedingungen angetrieben werden. Diese Voraussetzungen ermöglichen systematische Untersuchungen der Rückwirkung magnetischer Rekonnektion auf die Ionendynamik mittels LIF. Dabei ist es zum ersten Mal gelungen, eine Ionenheizung als Folge von Rekonnektion direkt nachzuweisen. Ferner konnte gezeigt werden, daß diese Heizung stark lokalisiert ist und nur am magnetischen X-Punkt, dem Ort der Rekonnektion, auftritt. Mittels zeitaufgelöster Messungen konnte ein kausaler Zusammenhang zwischen der Rekonnektionsrate und der Ionenheizung gezeigt werden. Desweiteren wurden starke nicht-thermische Komponenten der IEVF diagnostiziert, die mit der beobachteten Ionenheizung korrelieren. Numerische Simulationen, basierend auf einem kinetischen Einteilchenbild, zeigen einen Transfer von magnetischer Energie zu kinetischer Energie der Ionen, der konsistent mit dem experimentell beobachteten Anstieg der Ionentemperatur ist.
KW  - Feldlinienverschmelzung
Y2  - 2006
U6  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000080-9
UN  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000080-9
ER  -