Experimental study of the zonal-flow dynamics in the magnetised plasmas of the stellarator experiment TJ-K

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Experimental study of the zonal-flow dynamics in the magnetised plasmas of the stellarator experiment TJ-K

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Die Einschlussqualität von Plasmen in toroidalen Magnetfeldern wird maßgeblich durch den turbulenten Transport senkrecht zum Magnetfeld limitiert. Zonalströmungen sind dabei für die Fusionsforschung von großer Bedeutung, da vermutet wird, dass sie mit der Bildung von Transportbarrieren in Zusammenhang stehen. Diese mesoskopischen Scherströmungen tragen auf Grund ihrer Symmetrie nicht zum turbulenten Transport bei und können durch Verscherung von Wirbeln den radialen Transport unterdrücken. Dabei werden Zonalströmungen in einem Selbstorganisationsprozess von der umgebenden Plasmaturbulenz generiert indem Wirbel durch die Zonalströmung verkippt werden, was die Scherströmung weiter antreibt. Ein Maß für die Verkippung ist der sogenannte Reynolds-Stress, wobei der radiale Gradient des Flussflächenmittels die Antriebskraft der Zonalströmung darstellt. Die Dynamik gleicht dabei einer Räuber-Beute-Beziehung, bei der die Driftwellen die Beute für die Zonalströmungen sind. In Fusionsexperimenten konnte beim spontanen Übergang in ein verbessertes Einschlussregime (H-Mode) ein verstärktes Auftreten von Zonalströmungen mit den charakteristischen Räuber-Beute-Oszillationen nachgewiesen werden. Die Rolle und die genaue Wirkungsweise der Zonalströmungen bei dieser Bifurkation des Plasmaeinschlusses sind jedoch ungeklärt. Ein tieferes Verständnis der Physik der Zonalströmungen, speziell in komplexen Magnetfeldgeometrien, ist daher wünschenswert.
Diese Arbeit beschäftigt sich vorwiegend mit der Untersuchung des Antriebsmechanismus von Zonalströmungen, im Speziellen mit der Abhängigkeit von der Magnetfeldgeometrie und dem Einfluss der Kollisionalität. Dazu wurden Messungen am Stellarator-Experiment TJ-K durchgeführt, in Plasmen, die dimensional ähnlich zu Randplasmen von Fusionsexperimenten sind. Die relativ geringen Plasmatemperaturen erlauben den Einsatz von Langmuir-Sonden im gesamten Einschlussgebiet. Mit einem poloidalen Sonden Array, bestehend aus 128 Sonden mit je 32 Sonden auf vier benachbarten Flussflächen, können Dichte- und Potentialfluktuationen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung gleichzeitig über den gesamten poloidalen Umfang aufgenommen werden.