Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1982. / Typescript. Vita. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references.

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Turbulence is a major factor limiting the achievement of better tokamak performance as it enhances the transport of particles, momentum and heat which hinders the foremost objective of tokamaks. Hence, understanding and possibly being able to control turbulence in tokamaks is of paramount importance, not to mention our intellectual curiosity of it. We take the first step by making measurements of turbulence using the 2D ($8$ radial $imes$ $4$ poloidal channels) beam emission spectroscopy (BES) system on the Mega Amp Spherical Tokamak (MAST). Measured raw data are statistically processed, generating spatio-temporal correlation functions to obtain the physical characteristics of the turbulence such as spatial and temporal correlation lengths as well as its motion. The reliability of statistical techniques employed in this work is examined by generating and utilizing synthetic 2D BES data. The apparent poloidal velocity of fluctuating density patterns is estimated using the cross-correlation time delay method. The experimental results indicate that the poloidal motion of fluctuating density patterns in the lab frame arises because the patterns are advected by the strong toroidal plasma flows while the patterns are aligned with the background magnetic fields which are not parallel to the flows. Furthermore, various time scales associated with the turbulence are calculated using statistically estimated spatial correlation lengths and correlation times of turbulence. We find that turbulence correlation time, the drift time associated with ion temperature or density gradients, the ion streaming time along the magnetic field line and the magnetic drift time are comparable and possibly scale together suggesting that the turbulence, determined by the local equilibrium, is critically balanced. Finally, we argue that we have produced a critical manifold in the experimentally obtained local equilibrium parameter space separating dominant turbulent transport from a non-turbulent or weakly turbulent state. It shows that the inverse ion-temperature-gradient scale length is correlated inversely with $q/arepsilon$ (safety factor/inverse aspect ratio) and positively with the plasma rotational shear. Practically, this means that we can attain the stiffer ion-temperature-gradient, thus hotter plasma core, without increasing the rotational shear.

Ce travail a porté sur l'étude des instabilités de gradient de température ioniques (ITG) en géométrie cylindrique, le champ magnétique étant supposé constant et dirigé selon l'axe du cylindre. Une fonction de distribution discrète en forme de marche d'escalier est utilisée pour décrire la direction de vitesse parallèle au champ magnétique. L'équation de Vlasov se résume à un système de type multi fluides couplés par l'équation de quasi neutralité. Chaque fluide est décrit par un système fermé d'équations (continuité, Euler et fermeture adiabatique), caractéristiques d'un fluide incompressible, d'ou la dénomination de sac d'eau ou “water bag”. Le recours à cette description water bag est particulièrement intéressant dans le cas de problèmes à une seule dimension en vitesse. Ainsi, dans le cas des plasmas fortement magnétisés, un modèle water bag peut se combiner avantageusement aux modèles dits girocinétiques. Les paramètres associés a la représentation water bag ont pu être identifiés et reliés aux grandeurs macroscopiques par le biais d'une méthode originale d'équivalence au sens des moments. L'analyse water bag des ITG a permis de valider le modèle et les méthodes choisies. Ce travail a également permis de montrer que le concept de water bag peut sans problème prendre en compte des effets variés comme ceux liés a l'introduction d'un rayon de Larmor fini, tout comme à la description d'un plasma composé de plusieurs espèces d'ions.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des recherches visant à caractériser les structures turbulentes dans les plasmas et le transport que celles-ci peuvent engendrer. En complément des mesures par sondes de Langmuir, utilisées pour étudier localement le transport généré par les instabilités, une caractérisation spatiale des structures turbulentes est réalisée dans une section droite de la colonne de plasma grâce à l'utilisation de l'imagerie rapide. L'intensité lumineuse a été reliée à la densité électronique du plasma par la comparaison avec des mesures de sondes et l'utilisation conjointe de filtres interférentiels. Des outils de traitement de données ont été adaptés aux spécificités de l'imagerie (filtrage, extraction de séries temporelles, vélocimétrie). Il a été montré qu'une détection des couplages non-linéaires entre modes est possible à partir des données de caméra. Des couplages simultanés à différents rayons ont ainsi pu être étudiés et leur intensité a pu être reliée à l'évolution temporelle des spectres grâce au calcul de bicohérence en ondelettes / This work is devoted to the caracterization of turbulent structures and the induced transport in a magnetized plasma column. Complementary to Langmuir probe measurements, used for local investigation of instability induced turbulent transport, an accurate spatial caracterization of structures is achieved using fast imaging of the plasma column's cross-section. The fluctuating light intensity has been linked to density fluctuations of plasma electrons by comparisons with probe measurements and the combined use of interference filters. Processing techniques have been adapted to image data (filtering, extraction of time series, velocimetry). It could be shown that detection of non-linear mode couplings is possible via fast imaging. Simultaneous couplings could be studied at different radii and using wavelet bicoherence, the temporal evolution of power spectra could be linked with the coupling intensities

Il est maintenant accepté expérimentalement que les filaments de plasma alignés sur le champ magnétique, appelés “blobs”, jouent un rôle important dans le transport dans le plasma de bord. Dans cette thèse, les phénomènes fondamentaux du transport dans le plasma de bord sont étudiés en mettant l'accent sur le phénomène de filaments plasma. Dans un premier temps, les mécanismes de propagation de blobs uniques sont envisagés. Puis la génération de blobs par la turbulence de bord est étudiée, et le transport turbulent est discuté entant que phénomène collectif. Des particularités du transport turbulent, incluant les blobs auto-organisés, sont reliées à un transport de type Bohm (c'est à dire des perturbations avec des corrélations radiales longues, et un coefficient de transport effectif quisuit la dépendance Bohm). De plus, en prolongement de ce travail, un effort initial vers une transposition du transport non-local au plasmade bord est décrite. / Recently, it has been accepted that magnetic field aligned plasma filaments, referred to as "blobs" play important roles in the transport of Scrape-off Layer (SoL) plasmas. In this thesis, putting an emphasis on the plasma blob phenomenon, we study fundamental processes of SoL transport using numerical simulation. At first, weinvestigate the propagation mechanisms of single and isolated blobs.Next, we study the generation of blobs from edge turbulence, and discuss the SoL turbulent transport as a collective phenomenon. Features of turbulent transport, which includes the self-organized blobs in SoL, are identified as Bohm-like transport (i.e., the perturbation with long radial correlations and the effective transport coefficient that follows the dependence of Bohm-like transport). Additionally, as an advancement of study, we describe an initial effort to extend the view of non local transport to edge plasmas.