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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000609-9

Active control of drift wave turbulence

  • Turbulence is a state of a physical system characterized by a high degree of spatiotemporal disorder. Turbulent processes are driven by instabilities exhibiting complex nonlinear dynamics, which span over several spatial as well as temporal scales. Apart from fluids and gases, turbulence is observed in plasmas. While turbulent mixing of a system is sometimes a desired effect, often turbulence is an undesired state. In hot, magnetically confined plasmas, envisaged for energy generation by thermonuclear fusion, plasma turbulence is clearly a problem, since the magnetic confinement time is drastically deteriorated by turbulent transport. Hence, a control mechanism to influence and to suppress turbulence is of significance for future fusion power devices. An important area of plasma turbulence is drift wave turbulence. Drift waves are characterized by currents parallel to the ambient magnetic field, that are tightly coupled to a coherent mode structure rotating in the perpendicular plane. In the present work, the control of drift waves and drift wave turbulence is experimentally investigated in the linear magnetized helicon experiment VINETA. Two different open-loop control systems - electrostatic and electromagnetic - are used to drive dynamically parallel currents. It is observed that the dynamics of the drift waves can be significantly influenced by both control schemes. If the imposed mode number as well as the rotation direction match those of the drift waves, classical synchronization effects like, e.g., frequency locking, frequency pulling, and Arnold tongues are observed. These confirm the nonlinear interaction between the control signal and the drift wave dynamics. Finally, the broadband drift wave turbulence, and thereby turbulent transport, is considerably reduced if the applied control signal is sufficiently large in amplitude.
  • Turbulenz ist ein Zustand eines physikalischen Systems geprägt von einem hohen Maß an raumzeitlicher Unordnung. Turbulente Prozesse werden durch Instabilitätsmechanismen angetrieben und weisen eine komplexe nichtlineare Dynamik auf, die sich über weite räumliche und zeitliche Skalen erstreckt. Neben Flüssigkeiten und Gasen wird Turbulenz in Plasmen beobachtet. Turbulente Durchmischung eines Systems ist manchmal ein erwünschter Effekt, aber in vielen Fällen ist Turbulenz störend. In heißen, magnetisch eingeschlossenen Plasmen, wie sie für die Energiegewinnung durch Kernfusion entwickelt werden, ist die auftretende Plasmaturbulenz ganz klar ein nachteiliger Effekt. Der magnetische Einschluss des heißen Plasmas wird nämlich durch turbulente Transportvorgänge drastisch verschlechtert. Für die Zukunft der Kernfusion ist daher ein Kontrollmechanismus zur Beeinflussung und Unterdrückung der Turbulenz von einiger Bedeutung. Ein wesentliches Feld der Plasmaturbulenz ist die Driftwellenturbulenz. Driftwellen sind charakterisiert durch Ströme parallel zum Magnetfeld, die an Modenstrukturen in der dazu senkrechten Ebene starr gekoppelt sind. In dieser Arbeit wird die Kontrolle kohärenter Driftwellen und von Driftwellenturbulenz im linear magnetisierten Plasma des Helikonexperiments VINETA experimentell untersucht. Mit zwei unterschiedlichen "open-loop" Kontrollsystemen - elektrostatisch und elektromagnetisch - werden parallele Ströme angetrieben. Es stellt sich heraus, dass sich die Dynamik der Driftwellen wesentlich mit beiden Kontrollsystemen beeinflussen lässt. Stimmen die aufgeprägte Modenzahl sowie die Rotationsrichtung mit denen der Driftwellen überein, so werden klassische Synchronisationseffekte wie "frequency-locking", "frequency-pulling" und Arnold-Zungen beobachtet, welche die nichtlineare Wechselwirkung der Kontrolle mit der Driftwellendynamik nachweisen. Mit einem ausreichend starken Kontrollsignal wird die breitbandige Driftwellenturbulenz und somit der turbulente Transport wesentlich reduziert.

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Metadaten
Author: Christian Brandt
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000609-9
Title Additional (German):Aktive Kontrolle von Driftwellenturbulenz
Advisor:Prof. Dr. Thomas Klinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/05/06
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2009/03/25
Release Date:2009/05/06
Tag:Driftwellen, Kontrolle, anomaler Transport, nichtlinear
anomal transport, control, drift waves, nichtlinear
GND Keyword:Plasmaphysik, Turbulenz
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.Fi Transport properties
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.Kt Drift 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) / 52.35.-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.Ra Plasma turbulence