Minimum energy states of the plasma pinch in standard and Hall magnetohydrodynamics

Axisymmetric relaxed states of a cylindrical plasma column are found analytically in both standard and Hall magnetohydrodynamics (MHD) by complete minimization of energy with constraints imposed by invariants inherent in corresponding models. It is shown that the relaxed state in Hall MHD is the force-free magnetic field with uniform axial flow and/or rigid azimuthal rotation. The relaxed states in standard MHD are more complex due to the coupling between velocity and magnetic field. Application of these states for reversed-field pinches (RFP) is discussed

Particle-in-cell simulation study of the scaling of asymmetric magnetic reconnection with in-plane flow shear

We investigate magnetic reconnection in systems simultaneously containing asymmetric (anti-parallel) magnetic fields, asymmetric plasma densities and temperatures, and arbitrary in-plane bulk flow of plasma in the upstream regions. Such configurations are common in the high-latitudes of Earth's magnetopause and in tokamaks. We investigate the convection speed of the X-line, the scaling of the reconnection rate, and the condition for which the flow suppresses reconnection as a function of upstream flow speeds. We use two-dimensional particle-in-cell simulations to capture the mixing of plasma in the outflow regions better than is possible in fluid modeling. We perform simulations with asymmetric magnetic fields, simulations with asymmetric densities, and simulations with magnetopause-like parameters where both are asymmetric. For flow speeds below the predicted cutoff velocity, we find good scaling agreement with the theory presented in Doss et al., J.~Geophys.~Res., 120, 7748 (2015). Applications to planetary magnetospheres, tokamaks, and the solar wind are discussed.Comment: 17 pages, 4 figures, submitted to Physics of Plasma

Auxiliary ECR heating system for the gas dynamic trap

Physics aspects of a new system for electron cyclotron resonance heating (ECRH) at the magnetic mirror device Gas Dynamic Trap (GDT, Budker Institute, Novosibirsk) are discussed. This system based on two 400 kW / 54.5 GHz gyrotrons is aimed at increasing the electron temperature up to the range 250…350 eV for improved confinement. The key issue of the GDT conditions is that conventional ECRH geometries are not accessible. The proposed solution is based on a peculiar effect of radiation trapping in inhomogeneous magnetized plasma. Under specific conditions oblique launch of gyrotron radiation results in right-hand-polarized electromagnetic waves propagating with high n|| in the vicinity of the cyclotron resonance, what provides effective single-pass absorption of the injected microwave power.Обсуждаются физические аспекты и возможные параметры новой системы дополнительного ЭЦР-нагрева для газодинамической магнитной ловушки ГДЛ (ИЯФ, Новосибирск). При использовании излучения двух 400 кВт / 54.5 ГГц гиротронов можно ожидать повышения температуры электронов до 250…350 эВ и улучшения времени удержания ионов. Трудности, связанные с невозможностью использования традиционных схем ЭЦР-нагрева в геометрии ГДЛ, предлагается преодолеть за счет эффекта захвата излучения, вводимого из вакуума в виде необыкновенной волны под определенным углом, в трехмерно-неоднородной магнитоактивной плазме.Обговорюються фізичні аспекти і можливі параметри нової системи додаткового ЕЦР-нагріву для газодинамічної магнітної пастки ГДП (ІЯФ, Новосибірськ). При використанні випромінювання двох 400 кВт/54.5 ГГц гіротронів можна чекати підвищення температури електронів до 250…350 еВ і поліпшення часу утримання іонів. Труднощі, пов'язані з неможливістю використання традиційних схем ЕЦР-нагрівання в геометрії ГДП, пропонується подолати за рахунок ефекту захоплення випромінювання, що вводиться з вакууму у вигляді незвичайною хвилі під певним кутом, в тривимірно-неоднорідній магнітоактивній плазмі