[论文解读] Effect of collisions on non-adiabatic electron dynamics in ITG-driven microturbulence

C J Ajay, S. Brunner+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 23被引用 4

一句话总结

本研究探讨了电子碰撞对离子温度梯度（ITG）微湍流中非绝热电子动力学的影响，表明随着碰撞性增强，电子响应在模态共振面（MRSs）以外趋于更绝热，从而降低了ITG本征模的线性增长率。碰撞使模态的径向结构变宽，并使本征模尾部的平行尺度长度与电子平均自由程相关联，而MRSs处的精细结构及其自驱动的环流流在真实碰撞性条件下依然存在。

ABSTRACT

Non-adiabatic electron response leads to significant changes in ion temperature gradient (ITG) eigenmodes, leading, in particular, to fine-structures that are significantly extended along the magnetic field lines at corresponding mode rational surfaces (MRSs). These eigenmodes can nonlinearly interact with themselves to drive zonal flows via the so-called self-interaction mechanism. In this paper, the effect of collisions on these processes are studied. In the presence of non-adiabatic electrons, the linear growth rate of ITG eigenmodes decreases with the increasing collisionality. Detailed velocity space analysis of the distribution function shows that this results from collisions leading to a more adiabatic-like response of electrons away from MRSs. In linear simulations, collisions are furthermore found to broaden the radial width of the fine-structures, which translates to narrower tails of the eigenmode in extended ballooning space. The characteristic parallel scale length associated with these tails is shown to scale with the mean free path of electrons. In nonlinear turbulence simulations accounting for physically relevant values of collisionality, the fine-structures located at MRSs, together with the associated drive of zonal flows via self-interaction, are shown to persist and play a significant role. Published under an exclusive license by AIP Publishing.

研究动机与目标

• 理解电子碰撞对ITG驱动微湍流中非绝热电子响应的影响。
• 分析碰撞性如何改变ITG本征模的线性增长率和径向结构。
• 研究在真实碰撞性条件下，模态共振面（MRSs）处的精细结构及其在环流流生成中的作用是否持续存在。
• 确定本征模尾部平行尺度长度与电子平均自由程之间的尺度关系。

提出的方法

• 采用线性和非线性磁流体动力学模拟，研究不同碰撞性下的ITG驱动微湍流。
• 对电子分布函数进行速度空间分析，以评估从非绝热响应向绝热响应过渡的过程。
• 采用环状模态表示法，研究本征模的径向和纵向结构。
• 在存在碰撞的条件下，分析环流流生成的自相互作用机制。
• 改变碰撞性，研究其对模态增长率、径向宽度和平行尺度长度的影响。
• 在非线性模拟中采用物理量级的碰撞性，以评估其在现实中的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着碰撞性增加，非绝热电子的ITG本征模的线性增长率如何变化？
• RQ2 碰撞在多大程度上改变了ITG本征模中精细结构的径向宽度和平行尺度长度？
• RQ3 碰撞如何影响在模态共振面以外非绝热向绝热电子响应的转变？
• RQ4 在真实碰撞性条件下，MRSs处的精细结构及其自相互作用机制在环流流生成中的作用在多大程度上仍然存在？
• RQ5 本征模尾部的平行尺度长度与电子平均自由程之间存在何种尺度关系？

主要发现

• 由于在模态共振面（MRSs）以外电子响应趋于更绝热，碰撞性增强导致ITG本征模的线性增长率降低。
• 碰撞使本征模中精细结构的径向宽度变宽，导致在扩展环状空间中尾部更窄。
• 本征模尾部的特征平行尺度长度与电子平均自由程成比例。
• 在物理上合理的碰撞性水平下，局域于MRSs的精细结构在非线性模拟中依然存在。
• 在碰撞存在的情况下，环流流生成的自相互作用机制依然活跃且具有重要意义。
• 向更绝热电子响应的转变在定量上与速度空间中的碰撞散射相关，从而降低了非绝热效应。