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Electromagnetic Drift Waves

  • In the rf-plasma of the linear magnetized VINETA experiment, different types of low-frequency waves are observed. The emphasis in this work is on the interaction mechanism between drift waves on the one and kinetic Alfven waves on the other hand. In the peaked density profile of the plasma column drift waves occur as modulation of the plasma density. As gradient driven instability, they draw their energy from the radial density gradients. Alfven waves as magnetic field fluctuations are stable in the present configuration. They are launched by a magnetic excitation antenna. Parallel conduction currents in the plasma are common to both wave phenoma. A B-dot probe as standard diagnostic tool is used to detect the fluctuating magnetic fields of both wave types. The challenge are the small induced voltages due to the low wave frequency. The probe design with an integrated amplifier close to the probe head takes this into acount. The developed B-dot probe is mounted to different positioning systems to characterize both wave phenomena. For Alfven waves, the dispersion relation is recorded experimentally. It is found to be in good agreement with the prediction of the Hall-MHD theory with included resistive term, accounting for the cold collisional plasma. The fluctuating magnetic field pattern is recorded with azimuthal scans. The current density is obained by Amperes law. It is concentrated in helically twisted current filaments. For the unstable drift waves, similar investigations are done with simultaneously recorded density fluctuations. In the azimuthal plane, the locations of the parallel current filaments and the fluctuating density are found to be in phase, supporting the predicted drive of parallel currents by pressure gradients. A mutual influence of the two wave types is observed in an interaction experiment. Assuming parallel currents as coupling quantity, an interpretation of the experimental findings is given based on the linear theory of drift waves.
  • Im rf-Plasma des linear magnetisierten VINETA -Experiments werden neben anderen Wellenarten instabile Driftwellen und stabile Alfvenwellen beobachtet. Die Plasmadichte der Helikonentladung ist axialsymmetrisch konzentriert. Driftwellen beziehen ihre Energie aus dem resultierenden radialen Dichtegradienten. Alfvenwellen, angeregt durch eine magnetische Antenne, werden als Fluktuationen des Magnetfeldes beobachtet. Beide Wellenphänomene sind durch parallele Elektronenströme charakterisiert. Das assoziierte fluktuierende Magnetfeld wird verwendet, um beide Wellenarten zu diagnostizieren. Dies geschieht mit einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten B-Punkt-Sonde. Eine Herausforderung sind die kleinen induzierten Spannungen aufgrund der niedrigen Wellenfrequenzen. Ein Sondendesign mit integriertem Verstärker nahe am Sondenkopf erlaubt die rauscharme Aufnahme der Wellen-Fluktuationssignale. Mittels eines Positionierungssystem können räumlich aufgelöste Wellenfelder vermessen werden. Für Alfvenwellen ist die Dispersionsrelation bestimmt worden. Es wurde eine gute Übereinstimmung mit der resistiven Hall-MHD-Theorie gefunden. Der Widerstandsterm ist essentiell für die Beschreibung des kalten stoßbehafteten Plasmas. Aus dem Wellenmagnetfeld wurde mittels Ampereschen Gesetzes der Parallelstrom berechnet. Es resultieren zwei Stromfilamente, die helikal verdrillt sind. Für Driftwellen wurden ähnliche Untersuchungen durchgeführt mit zusätzlich aufgezeichneten Dichtefluktuationen. Die Phase zwischen den parallelen Stromfilamenten und den Dichtemaxima in der azimuthalen Ebene ist nahe Null, was den vorhergesagten Stromtrieb durch parallele Dichtegradienten stützt. In einem Wechselwirkungsexperiment konnte die gegenseitige Beeinflussung beider Wellentypen beobachtet werden. Als Kopplungsgröße werden die parallelen Ströme vorgeschlagen, die mit beiden Wellentypen einhergehen. Die präsentierte Interpretation der experimentellen Resultate basiert auf der linearen Driftwellentheorie.

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Metadaten
Author: Stefan Ullrich
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001065-7
Title Additional (German):Elektromagnetische Driftwellen
Advisor:Prof. Dr. Olaf Grulke, Prof. Dr. Thomas Klinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/09/12
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2011/04/27
Release Date:2011/09/12
Tag:Parallelstrom, Plasmastrom, Wellenmagnetfeld, Wellenwechselwirkung
parallel current, plasma current, wave interaction, wave magnetic field
GND Keyword:Alfvén-Welle, Driftwelle, Magnetischer Sensor, Plasma, Plasmadynamik
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.25.-b Plasma properties (for chemical reactions in plasma, see 82.33.Xj) / 52.25.Xz Magnetized plasmas
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.30.-q Plasma dynamics and flow / 52.30.Ex Two-fluid and multi-fluid plasmas
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.35.-g Waves, oscillations, and instabilities in plasmas and intense beams (see also 94.20.wf Plasma waves and instabilities in physics of the ionosphere; 94.30.cq MHD waves, plasma waves, and instabilities in physics of the magnetosphere; 96.50.Tf MHD waves, pl / 52.35.Bj Magnetohydrodynamic waves (e.g., Alfven waves)
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.70.-m Plasma diagnostic techniques and instrumentation / 52.70.Ds Electric and magnetic measurements