MHD-stability of collisionless anisotropic-pressure plasmas confined by high-curvature magnetic field

Abstract

Magnetohydrodynamic (MHD) stability of finite-beta collisionless plasmas with anisotropic pressure is investigated. For simplicity we analyze Z-pinch-like magnetic configuration with internal conducting rod at the axis. This configuration corresponds to cylindrical model of dipole magnetic configuration, has important features inherent in magnetic systems with high field-line curvature, and is very convenient for an initial theoretical analysis. Axisymmetric flute-like modes are analyzed in the frame of one fluid anisotropic magnetohydrodynamics of Chew-Goldberger-Low (CGL). The stability criterion of flute-like modes and the corresponding families of marginally-stable (MS) pressure profiles are calculated and analyzed. Contrary to the flute-like modes, stability of non-axisymmetric Alfven modes strongly depends on redistribution of plasma energy along the field-lines. Therefore, perturbations of longitudinal and transversal plasma pressures are calculated from kinetic equation using path-integral method.

Досліджена магнітогідродинамічна (МГД) стійкість беззіштовхувальної плазми з анізотропним тиском і кінцевою β. Для простоти ми аналізували систему типу Z-пінча з внутрішнім провідником на осі, що відповідає циліндричній моделі дипольної магнітної конфігурації, має важливі риси, властиві магнітним системам з полем великої кривизни, і дуже зручна для початкового теоретичного дослідження. Вісесиметричні жолобкові моди розглядалися нами в рамках однорідинної анізотропної гідродинаміки Чу-Голдбергера-Лоу (ЧГЛ). Отримано критерій стійкості жолобкових мод і розраховані і проаналізовані відповідні сімейства гранично-стійких (ГУ) профілів тиску. На противагу жолобковим модам, стійкість невісесиметричних альфвенівських мод істотно залежить від перерозподілу енергії плазми уздовж магнітних силових ліній. Тому збурювання подовжнього і поперечного тиску плазми обчислюються із кінетичного рівняння за допомогою методу інтегрування по траєкторіях.

Исследована магнитогидродинамическая (МГД) устойчивость бесстолкновительной плазмы с анизотропным давлением и конечной β. Для простоты мы анализировали систему типа Z-пинча с внутренним проводником на оси, которая соответствует цилиндрической модели дипольной магнитной конфигурации, обладает важными чертами, присущими магнитным системам с полем большой кривизны, и очень удобна для начального теоретического исследования. Осесимметричные желобковые моды рассматривались нами в рамках одножидкостной анизотропной гидродинамики Чу-Голдбергера-Лоу (ЧГЛ). Получен критерий устойчивости желобковых мод и рассчитаны и проанализированы соответствующие семейства гранично-устойчивых (ГУ) профилей давления. В противоположность желобковым модам, устойчивость неосесимметричных альфвеновских мод существенно зависит от перераспределения энергии плазмы вдоль магнитных силовых линий. Поэтому возмущения продольного и поперечного давления плазмы вычисляются из кинетического уравнения с помощью метода интегрирования по траекториям.