Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field

Slow wave propagation in 1D non-uniform plasma with tilted magnetic field with respect of direction of non-uniformity is considered. The second order differential equation describing the slow wave is derived from the Maxwell’s equations. The analysis of this equation reveals a singular point for the...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2019
1. Verfasser: Moiseenko, V.E.
Format: Artikel
Sprache:English
Veröffentlicht: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2019
Schriftenreihe:Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/194593
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field / V.E. Moiseenko // Problems of atomic science and technology. — 2019. — № 1. — С. 67-69. — Бібліогр.: 3 назв. — англ.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-194593
record_format dspace
spelling irk-123456789-1945932023-11-27T18:11:48Z Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field Moiseenko, V.E. Basic plasma physics Slow wave propagation in 1D non-uniform plasma with tilted magnetic field with respect of direction of non-uniformity is considered. The second order differential equation describing the slow wave is derived from the Maxwell’s equations. The analysis of this equation reveals a singular point for the solutions, which could be associated with the Lower Hybrid Resonance. The condition of the resonance is found to be dependent on the tilting angle. Among two WKB solutions only one is singular. The wave vector behaves as 1/x in LHR point for the singular solution. The amplitude diverges only for x-component of the electric field. The solution describes propagating wave both to the left and to the right of the LHR point. The analytical solution obtained in the vicinity of the LHR has a special feature of having drop of its amplitude in the LHR point because of residual damping of the wave inside the LHR location. The energy flux also makes drop down there. Розглянуто поширення повільних хвиль в одновимірній неоднорідній плазмі з похилим магнітним полем щодо направлення неоднорідності. Диференціальне рівняння другого порядку, що описує повільну хвилю, виводиться з рівнянь Максвелла. Аналіз цього рівняння виявляє особливу точку для рішень, яка може бути пов'язана з нижнім гібридним резонансом (LHR). Виявлено, що умова резонансу залежить від кута нахилу. Серед двох рішень ВКБ тільки одне є сингулярним. Хвильовий вектор поводиться як 1/x в точці LHR для сингулярного рішення. Амплітуда розходиться тільки для x-компоненти електричного поля. Рішення описує хвилю, що біжить як зліва, так і праворуч від точки LHR. Аналітичне рішення, отримане в околиці LHR, має особливість, яка полягає в падінні його амплітуди в точці LHR за рахунок залишкового загасання хвилі усередині розташування LHR. Потік енергії також падає в цій зоні. Рассмотрено распространение медленных волн в одномерной неоднородной плазме с наклонным магнитным полем относительно направления неоднородности. Дифференциальное уравнение второго порядка, описывающее медленную волну, выводится из уравнений Максвелла. Анализ этого уравнения выявляет особую точку для решений, которая может быть связана с нижним гибридным резонансом (LHR). Обнаружено, что условие резонанса зависит от угла наклона. Среди двух решений ВКБ только одно является сингулярным. Волновой вектор ведет себя как 1/x в точке LHR для сингулярного решения. Амплитуда расходится только для x-составляющей электрического поля. Решение описывает бегущую волну как слева, так и справа от точки LHR. Аналитическое решение, полученное в окрестности LHR, имеет особенность, заключающуюся в падении его амплитуды в точке LHR из-за остаточного затухания волны внутри местоположения LHR. Поток энергии также падает в этой зоне. 2019 Article Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field / V.E. Moiseenko // Problems of atomic science and technology. — 2019. — № 1. — С. 67-69. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.35.Hr http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/194593 en Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language English
topic Basic plasma physics
Basic plasma physics
spellingShingle Basic plasma physics
Basic plasma physics
Moiseenko, V.E.
Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field
Вопросы атомной науки и техники
description Slow wave propagation in 1D non-uniform plasma with tilted magnetic field with respect of direction of non-uniformity is considered. The second order differential equation describing the slow wave is derived from the Maxwell’s equations. The analysis of this equation reveals a singular point for the solutions, which could be associated with the Lower Hybrid Resonance. The condition of the resonance is found to be dependent on the tilting angle. Among two WKB solutions only one is singular. The wave vector behaves as 1/x in LHR point for the singular solution. The amplitude diverges only for x-component of the electric field. The solution describes propagating wave both to the left and to the right of the LHR point. The analytical solution obtained in the vicinity of the LHR has a special feature of having drop of its amplitude in the LHR point because of residual damping of the wave inside the LHR location. The energy flux also makes drop down there.
format Article
author Moiseenko, V.E.
author_facet Moiseenko, V.E.
author_sort Moiseenko, V.E.
title Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field
title_short Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field
title_full Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field
title_fullStr Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field
title_full_unstemmed Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field
title_sort slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate 2019
topic_facet Basic plasma physics
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/194593
citation_txt Slow wave propagation in plasma with non-uniformity not perpendicular to the magnetic field / V.E. Moiseenko // Problems of atomic science and technology. — 2019. — № 1. — С. 67-69. — Бібліогр.: 3 назв. — англ.
series Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv AT moiseenkove slowwavepropagationinplasmawithnonuniformitynotperpendiculartothemagneticfield
first_indexed 2025-07-16T21:58:34Z
last_indexed 2025-07-16T21:58:34Z
_version_ 1837842423329325056
fulltext ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2019. №1(119) PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2019, № 1. Series: Plasma Physics (25), p. 67-69. 67 SLOW WAVE PROPAGATION IN PLASMA WITH NON-UNIFORMITY NOT PERPENDICULAR TO THE MAGNETIC FIELD V.E. Moiseenko National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Institute of Plasma Physics, Kharkiv, Ukraine Slow wave propagation in 1D non-uniform plasma with tilted magnetic field with respect of direction of non- uniformity is considered. The second order differential equation describing the slow wave is derived from the Maxwell’s equations. The analysis of this equation reveals a singular point for the solutions, which could be associated with the Lower Hybrid Resonance. The condition of the resonance is found to be dependent on the tilting angle. Among two WKB solutions only one is singular. The wave vector behaves as 1/x in LHR point for the singular solution. The amplitude diverges only for x-component of the electric field. The solution describes propagating wave both to the left and to the right of the LHR point. The analytical solution obtained in the vicinity of the LHR has a special feature of having drop of its amplitude in the LHR point because of residual damping of the wave inside the LHR location. The energy flux also makes drop down there. PACS: 52.35.Hr INTRODUCTION The slow wave (SW) plays an important role in certain scenarios of plasma heating and current drive, and also in wall conditioning discharge sustaining. Its field structure is studied well within one-dimensional model including the zone of lower hybrid resonance (LHR) [1-3]. The LHR phenomenon is a base for the lower hybrid heating and current drive concepts. The mode conversion scenario of the minority heating also includes the LHR mechanism for the wave absorption. In a standard minority heating scenario the LHR appears at the plasma periphery, and its role in wave propagation and power balance is not yet studied sufficiently. In hot plasma in a LHR zone, the slow wave converts into the ion Bernstein wave. In cases of radio- frequency discharge start-up or a wall conditioning discharge the ions are cold and the wavelength of ion Bernstein wave becomes extremely short. Under such conditions, it is expedient to treat LHR without account of wave conversion. The previous theoretical considerations it was assumed that plasma gradients are oriented perpendicular to the steady magnetic field. This is almost true for fusion machines because the plasma density is approximately constant at the magnetic surface. However, the magnetic field module has some variations, and the plasma dielectric tensor follows them. For such reason it is of interest to consider a case when the magnetic field is not perpendicular to plasma gradients. In this paper, a 1D non-uniform plasma with a tilted magnetic field is considered. The second order differential equation describing the slow wave is derived from the Maxwell’s equations. The analysis of this equation reveals a singular point for the solutions. However, the point located aside of the lower hybrid resonance found using earlier theoretical results. The solutions obtained are also different. These solutions and location of the singular point are discussed in this paper. SLOW WAVE EQUATION AT LHR VICINITY The problem is considered in slab geometry with non-uniformity of plasma along the x coordinate. Time- harmonic Maxwells equations read: 02 0  DE k . (1) The electric displacement field in cold plasma is EhhEhEEεD   )(ˆ ||  ig . (2) Where h is the unitary vector along the magnetic field: )cos,0,(sin h . (3) Uniformity of plasma and magnetic field in y and z directions allows one to represent the electric field through Fourier harmonics )exp()(),,( zikyikxzyx zy EE . (4) Closeness to the LHR means that zy kk dx d , . Using this and formulas (1-4), one can obtain the following equation for the slow wave: 0 zzz cEE dx d bE dx d a dx d . (5) Here 0 *2 0 / dka  , 0|| 2 0 /)(cossin2 dkikb z   , (6) 2 2 4 2 0 || 0 2 2 2 0 || 2 0 || 0 sin cos ( ) / ( sin cos ) [ sin cos ( )],z c k d k ik d k d dx                      and *2 0 2 0 kkd z  ,  2 || 2* sincos   , k0=/c. 68 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2019. №1(119) WKB ANALYSIS In the WKB analysis x ik dx d  , and one can obtain the dispersion equation for the equation (5). As it is expected, it could be written in the form standard for the slow wave: )( 2 0 2 || ||2        kkk . (7) In the particular case under consideration  222222 sincos zyx kkkk  , (8)  22222 || cossin zx kkk  . (9) In our problem only kx is allowed to vary, and if the LHR resonance point is reached, then 2 x k . In this case both k and k|| diverge. The dispersion equation permits this if    // || 2 || 2 kk . (10) When 2 x k , from formulas (8), (9) one can obtain 22 || 2 tan/   kk (11) and with account of this, the condition (10) could be written as 0*  , (12) if * is real. If it is complex, the condition is 0Re *  . (13) It is interesting to note that xx eεe  ˆ* . (14) This indicates that the LHR point occurs when the diagonal component of the dielectric tensor in the direction of plasma non-uniformity nullifies. The singular solution has the wave vector component aibkx / (15) and the regular one has bickx / . (16) Note here that the quantity a nullifies if the LHR condition (12) is met. In WKB approximation the singular solution is           )exp( ' ' exp dxikdx ab cb E xz . (17) Here the derivative over x is denoted by prime. The phase of the solution logarithmically increases on approach to the singular point. The amplitude remains regular. The Ex component of the field 0|| 2 0 /])(cossin[ dEkE dx d ikE zzzx   (18) has the singularity both in the phase and amplitude. ANALYTICAL SOLUTIONS OF SLOW WAVE EQUATION AT LHR VICINITY Near the LHR point two solutions of equation (5) could be found analytically using smallness of the coefficient before the leading derivative, a<<bL, where L is the characteristic spatial scale of the non-uniformity of plasma. The approximate solution of the differential equation (5) can be obtained neglecting its last term. The solution reads:   a dx a dx bEz )exp( . (19) Keeping lowest terms in Taylor series, xaa 1  and 0 bb  the integrals above can be taken using analytical continuation around point x=0.       .0)],ln(/exp[ 0),ln//exp( 10 1010 0 xforxab xforxabaib EEz  (20) The solutions (20) fit well to the WKB solution (17) even in the vicinity of the LHR point since the first exponent in (17) does not vary rapidly there. There is a drop in the amplitude of solutions (20). The tunneling factor is )/Imexp( 10 abS  . (21) The drop in amplitude indicates the residual damping of the wave in the LHR point. The x component of the Pointing vector is 2 00 2 Im 16 3 Eb c x   (22) for negative x, and for positive x the energy flux density is smaller by the square of the tunneling factor   xx S 2 . (23) This is so if Imb0>0. In the opposite case, the picture reverses. Note here that the tunneling factor decreases with |kz|, sin2 and the non-uniformity space scale. CONCLUSIONS Slow wave propagation in 1D non-uniform plasma with tilted magnetic field with respect of direction of non-uniformity is considered. The second order differential equation describing the slow wave is derived from the Maxwell’s equations. The analysis of this equation reveals a singular point for the solutions, which could be associated with the Lower Hybrid Resonance. The condition of the resonance can be written as 0)ˆRe(  xx eεe (ex here is the direction of plasma non-uniformity). This condition gives the conventional LHR condition when the non-uniformity direction is perpendicular to the magnetic field. When the magnetic field is tilted, the condition reveals the dependence on tilting angle. Among two WKB solutions only one is singular. The wave vector behaves as 1/x in LHR point for the singular solution. The amplitude diverges only for x- component of the electric field. The solution describes propagating wave both to the left and to the right of the LHR point. The analytical solution obtained in the vicinity of the LHR is written in terms of the exponential functions and fits well to the WKB solution. The special feature of it ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2019. №1(119) 69 is dropping of its amplitude in the LHR point because of residual damping of the wave inside the LHR location. The energy flux also makes droping there. ACKNOWLEDGEMENTS The work is supported in part by the National Academy of Sciences of Ukraine, grants П-3-22, X-4-3 and ЦВ-5-20. This work has been carried out within the framework of the EUROfusion Consortium and has received funding from the Euratom research and training programme 2014-2018 under grant agreement No 633053. The views and opinions expressed herein do not necessarily reflect those of the European Commission. REFERENCES 1. D.L. Grekov and K.N. Stepanov // Ukrainskiy fizicheskiy zhurnal. 1980, v. 25, p. 1281 (in Russian). 2. I. Fidone, G. Granata // Nucl. Fusion. 1971, v. 11, p. 133. 3. V.E. Moiseenko, T. Wauters, A. Lyssoivan // Problems of Atomic Science and Technology. Series “Plasma Physics” (22). 2016, № 6, p. 44. Article received 15.01.2018 РАСПРОСТРАНЕНИЕ МЕДЛЕННЫХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ С НЕОДНОРОДНОСТЬЮ, НЕ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОЙ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ В.Е. Моисеенко Рассмотрено распространение медленных волн в одномерной неоднородной плазме с наклонным магнитным полем относительно направления неоднородности. Дифференциальное уравнение второго порядка, описывающее медленную волну, выводится из уравнений Максвелла. Анализ этого уравнения выявляет особую точку для решений, которая может быть связана с нижним гибридным резонансом (LHR). Обнаружено, что условие резонанса зависит от угла наклона. Среди двух решений ВКБ только одно является сингулярным. Волновой вектор ведет себя как 1/x в точке LHR для сингулярного решения. Амплитуда расходится только для x-составляющей электрического поля. Решение описывает бегущую волну как слева, так и справа от точки LHR. Аналитическое решение, полученное в окрестности LHR, имеет особенность, заключающуюся в падении его амплитуды в точке LHR из-за остаточного затухания волны внутри местоположения LHR. Поток энергии также падает в этой зоне. ПОШИРЕННЯ ПОВІЛЬНИХ ХВИЛЬ У ПЛАЗМІ З НЕОДНОРІДНІСТЮ, НЕ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОЮ ДО МАГНІТНОГО ПОЛЯ В.Є. Моісeєнко Розглянуто поширення повільних хвиль в одновимірній неоднорідній плазмі з похилим магнітним полем щодо направлення неоднорідності. Диференціальне рівняння другого порядку, що описує повільну хвилю, виводиться з рівнянь Максвелла. Аналіз цього рівняння виявляє особливу точку для рішень, яка може бути пов'язана з нижнім гібридним резонансом (LHR). Виявлено, що умова резонансу залежить від кута нахилу. Серед двох рішень ВКБ тільки одне є сингулярним. Хвильовий вектор поводиться як 1/x в точці LHR для сингулярного рішення. Амплітуда розходиться тільки для x-компоненти електричного поля. Рішення описує хвилю, що біжить як зліва, так і праворуч від точки LHR. Аналітичне рішення, отримане в околиці LHR, має особливість, яка полягає в падінні його амплітуди в точці LHR за рахунок залишкового загасання хвилі усередині розташування LHR. Потік енергії також падає в цій зоні.