Non-local gyrokinetic model of linear ion-temperature-gradient modes

A theory of non-local linear ion-temperature-gradient (ITG) drift modes while retaining non-adiabatic electrons is presented, extending the previous work [S. Moradi, et al {\em Phys. Plasmas} {\bf 18}, 062106 (2011)]. A dispersion relation is derived to quantify the effects of the fractional velocity operator in the Fokker-Planck equation modified by temperature gradients and non-adiabatic electrons on the real frequency and growth rate. Solving the dispersion relation, it is shown here that as the plasma becomes more turbulent, it deviates from a Maxwellian distribution and becomes L\'{e}vy distributed. The resulting L\'{e}vy distribution of the plasma may thus significantly alter the transport. The relative effect of the fractional derivative is larger on the real frequency than on the growth rate of the ITG mode.Comment: 14pages 1 Figure submitted to Phys. Rev.

A theory of non-local linear drift wave transport

Transport events in turbulent tokamak plasmas often exhibit non-local or non-diffusive action at a distance features that so far have eluded a conclusive theoretical description. In this paper a theory of non-local transport is investigated through a Fokker-Planck equation with fractional velocity derivatives. A dispersion relation for density gradient driven linear drift modes is derived including the effects of the fractional velocity derivative in the Fokker-Planck equation. It is found that a small deviation (a few percent) from the Maxwellian distribution function alters the dispersion relation such that the growth rates are substantially increased and thereby may cause enhanced levels of transport.Comment: 22 pages, 2 figures. Manuscript submitted to Physics of Plasma

Impurity ion transport under the effect of drift-wave-like electrostatic field

Heavy impurity ion transport is considered in the vicinity of adjacent rational magnetic surfaces under the drift-wave-like potential. Analytical study is done for the simplified magnetic field in the toroidal magnetic trap with the rotational transform of the magnetic field lines. The numerical study is carried out for the helical plasma. The test particle orbits are followed by the numerical integration of Newton-Lorentz equation system for the charged particle in the magnetic field and quasi-static electric field. As the test particle the tungsten ion is taken. Перенос тяжелых ионов примеси рассмотрен вблизи смежных рациональных магнитных поверхностей при наличии электрического потенциала дрейфовой волны. Аналитическое исследование проделано для упрощенной модели магнитного поля в тороидальной магнитной ловушке с вращательным преобразованием магнитных силовых линий. Исследование с помощью численных методов проведено для винтовой плазмы. Орбиты пробных частиц построены путем численного интегрирования системы уравнений Ньютона для заряженной частицы в магнитном поле и квазистатическом электрическом поле. В качестве пробной частицы взят ион вольфрама

Noble internal transport barriers and radial subdiffusion of toroidal magnetic lines

Single trajectories of magnetic line motion indicate the persistence of a central protected plasma core, surrounded by a chaotic shell enclosed in a double-sided transport barrier : the latter is identified as being composed of two Cantori located on two successive "most-noble" numbers values of the perturbed safety factor, and forming an internal transport barrier (ITB). Magnetic lines which succeed to escape across this barrier begin to wander in a wide chaotic sea extending up to a very robust barrier (as long as L<1) which is identified mathematically as a robust KAM surface at the plasma edge. In this case the motion is shown to be intermittent, with long stages of pseudo-trapping in the chaotic shell, or of sticking around island remnants, as expected for a continuous time random walk.Comment: TEX file, 84 pages including 32 color figures. Higher quality figures can be seen on the PDF file at http://membres.lycos.fr/fusionbfr/JHM/Tokamap/JSP.pd

Fast wave mode conversion in multicomponent nonuniform plasmas

The ICRF mode conversion heating scenario relevant to the start-up phase of ITER operation is studied. The 1D theory of fast wave (FW) propagation in fusion plasmas is applied to study the inverted ICRF (³He)H scenario with two ion-ion hybrid resonances for the typical conditions of the tokamak JET. The role of the intrinsic impurity C⁶⁺ ions in the mode conversion for the considered heating scenario is discussed. It is shown that for the modest concentrations of carbon impurity (above ~ 1.5%) the corresponding evanescence layer is enough wide to reflect the FW and produce the interference pattern which, in turn, determines the mode conversion efficiency and subsequent local electron heating.Досліджується сценарій високочастотного нагрівання плазми в режимі конверсії мод, який має відношення до початкової фази роботи токамака ITER. Одновимірна модель поширення швидких магнітозвукових хвиль (ШХ) в плазмі була застосована для вивчення (³He)H сценарія нагрівання з двома іон-іонними гібридними резонансами для типових умов токамака JET. Розглядається вплив іонів домішки вуглецю C⁶ на процес конверсії для даного сценарію нагрівання. Показано, що для помірних значень концентрації вуглецю (більше за ~1.5%) відповідний шар непрозорості є достатньо широким для того, щоб відбити ШХ та створити інтерференційну структуру, яка, в свою чергу, визначає ефективність конверсії та подальшого локального нагрівання електронів.Изучается сценарий высокочастотного нагрева плазмы в режиме конверсии мод, имеющий отношение к начальной стадии работы токамака ITER. Одномерная модель распространения быстрых магнитозвуковых волн (БВ) в плазме была применена для изучения (³He)H сценария нагрева с двумя ион-ионными гибридными резонансами для типичных условий токамака JET. Рассматривается влияние C⁶⁺ ионов примеси на процесс конверсии для данного сценария нагрева. Показано, что для умеренных значений концентрации углерода (больше ~1.5%) соответствующий слой непрозрачности является достаточно широким для того, чтобы отразить БВ и создать интерференционную структуру, которая, в свою очередь, определяет эффективность конверсии и последующего локального нагрева электронов

Fast Alfvén wave propagation in milticomponent nonuniform plasmas

The problem of the conversion, reflection and transmission of the fast Alfvén wave propagating in multicomponent nonuniform plasmas is studied. The dependences of the wave scattering characteristics on the plasma composition and parallel wave number have been obtained. The results can be used to control the part of the launched power converted to the slow short wavelength mode and to prevent the essential reflection of the wave power back to the antenna.Вивчається задача конверсії, відбиття та проходження швидкої магнітозвукової хвилі, яка поширюється у багатокомпонентній неоднорідній плазмі. Отримано залежності характеристик проходження хвилі від складу плазми та від паралельного хвильового вектора. Отримані результати можуть бути використані для керування частиною енергії хвилі, яка конвертується у короткохвильову моду, та для запобігання суттєвого відбиття енергії хвилі назад до антени.Изучается задача конверсии, отражения и прохождения быстрой магнитозвуковой волны, распространяющейся в многокомпонентной неоднородной плазме. Получены зависимости характеристик прохождения волны от состава плазмы и от параллельного волнового вектора. Полученные результаты могут быть использованы для управления частью энергии волны, которая конвертируется в коротковолновую моду, и для предотвращения существенного отражения энергии волны назад к антенне

Product rule for gauge invariant Weyl symbols and its application to the semiclassical description of guiding center motion

We derive a product rule for gauge invariant Weyl symbols which provides a generalization of the well-known Moyal formula to the case of non-vanishing electromagnetic fields. Applying our result to the guiding center problem we expand the guiding center Hamiltonian into an asymptotic power series with respect to both Planck's constant $\hbar$ and an adiabaticity parameter already present in the classical theory. This expansion is used to determine the influence of quantum mechanical effects on guiding center motion.Comment: 24 pages, RevTeX, no figures; shortened version will be published in J.Phys.

Relativistic ponderomotive force, uphill acceleration, and transition to chaos

Starting from a covariant cycle-averaged Lagrangian the relativistic oscillation center equation of motion of a point charge is deduced and analytical formulae for the ponderomotive force in a travelling wave of arbitrary strength are presented. It is further shown that the ponderomotive forces for transverse and longitudinal waves are different; in the latter, uphill acceleration can occur. In a standing wave there exists a threshold intensity above which, owing to transition to chaos, the secular motion can no longer be described by a regular ponderomotive force. PACS number(s): 52.20.Dq,05.45.+b,52.35.Mw,52.60.+hComment: 8 pages, RevTeX, 3 figures in PostScript, see also http://www.physik.th-darmstadt.de/tqe

Contribution of a time-dependent metric on the dynamics of an interface between two immiscible electro-magnetically controllable Fluids

We consider the case of a deformable material interface between two immiscible moving media, both of them being magnetiable. The time dependence of the metric at the interface introduces a non linear term, proportional to the mean curvature, in the surface dynamical equations of mass momentum and angular momentum. We take into account the effects of that term also in the singular magnetic and electric fields inside the interface which lead to the existence of currents and charges densities through the interface, from the derivation of the Maxwell equations inside both bulks and the interface. Also, we give the expression for the entropy production and of the different thermo-dynamical fluxes. Our results enlarge previous results from other theories where the specific role of the time dependent surface metric was insufficiently stressed.Comment: 25 page