Intermittent events and structure propagation in plasma turbulence

Turbulence is an omnipresent phenomenon in nature. Its main characteristics, fluctuations under a wide spread of spatial and temporal scales, are observed in neutral fluid or gaseous systems as well as in plasmas. Although the electromagnetic character of a plasma makes plasma turbulence more complex, the basic features of turbulence are universal. In magnetically confined plasmas, fluctuating plasma parameters give rise to turbulent transport of plasma particles and energy, which degrades the confinement and affects key issues of future fusion devices. The intermittent character of this convective particle flux is associated with high-amplitude turbulent structures, called "blobs", propagating radially outwards across the magnetic field. Also the intermittent fluctuations observed in the plasma edge of devices with linear magnetic field geometry seem to be related to propagating turbulent structures. The mechanism of the radial propagation is however poorly understood. The present thesis reports on the formation and radial propagation of turbulent structures in the linearly magnetized Vineta helicon device. By imaging the fluctuations in the azimuthal plane with multi-dimensional probe arrays, it is demonstrated that turbulent structures develop out of drift-wave turbulence in the maximum plasma density gradient region. The turbulent structures propagate mainly azimuthally in direction of the background ExB-drift but they exhibit also a strong radial velocity component. The radial propagation is caused by the self-consistent potential of the turbulent structures. They are the main contributors to fluctuation-induced radial transport. In the plasma edge the turbulent structures occur as intermittent density bursts with high amplitudes. A comparison of the experimental findings with numerical three-dimensional fluid simulations with appropriate geometry and boundary conditions reveals consistency, i.e., the formation of the turbulent structures is causally connected with a quasi-coherent drift mode and their radial propagation is caused by the self-consistent electric field that develops due to their three-dimensional dynamics. For a comparison with a fusion plasma, the propagation properties of turbulent structures in the edge plasma of the National Spherical Torus Experiment (NSTX) are investigated and compared with the common propagation models.Turbulenz ist allgegenwärtig in der Natur. Ein wichtiges Charakteristikum sind Fluktuationen auf einer Vielzahl von räumlichen und zeitlichen Skalen, die sowohl in neutralen Fluiden und gasförmigen Systemen, als auch in Plasmen beobachtet werden. Obwohl der elektromagnetische Charakter von Plasmen eine erhöhte Komplexität von Plasmaturbulenz bedingt, sind die grundlegenden Eigenschaften universell. In magnetisch eingeschlossenen Plasmen führen fluktuierende Plasmaparameter zu turbulentem Transport von Plasmateilchen und Energie, der die Einschlusszeit verringert und wichtige Aspekte zukünftiger Fusionskraftwerke beeinflusst. Der intermittente Charakter dieses konvektiven Teilchenflusses ist verbunden mit turbulenten Strukturen mit großen Amplituden, auch "blobs" genannt, die radial durch das Magnetfeld propagieren. Intermittente Fluktuationen im Randplasma von Experimenten mit linearer Magnetfeldgeometrie werden ebenfalls propagierenden turbulenten Strukturen zugeschrieben. Dabei ist der Mechanismus der radialen Propagation kaum verstanden. In dieser Arbeit wird die Bildung und Propagation von turbulenten Strukturen im linear magnetisierten Helikonexperiment Vineta untersucht. Durch Messungen der Fluktuationen in der azimuthalen Ebene mit multi-dimensionalen Sonden wird gezeigt, dass turbulente Strukturen in Driftwellenturbulenz im Gebiet des maximalen Dichtegradienten entstehen. Die turbulenten Strukturen propagieren hauptsächlich azimuthal in Richtung der Hintergrund ExB-Drift, aber sie besitzen auch eine starke radiale Geschwindigkeitskomponente. Die radiale Propagation wird durch das selbstkonsistente Potential der turbulenten Struktur verursacht, dass zu einem fluktuations-induzierten radialen Transport führt. Im Plasmarand werden die turbulenten Strukturen als intermittente Dichteeruptionen mit großen Amplituden beobachtet. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit numerischen dreidimensionalen Fluid-Simulationen mit abgestimmten Geometrie- und Randbedingungen zeigt Übereinstimmung. Die Bildung der turbulenten Strukturen ist kausal mit einer quasi-kohärenten Driftmode verbunden und ihre radiale Propagation wird durch das selbstkonsistente elektrische Feld verursacht, dass aus der dreidimensionalen Dynamik resultiert. Zum Vergleich wird die Propagation von turbulenten Strukturen im Randplasma vom National Spherical Torus Experiment (NSTX) untersucht und mit theoretischen Propagationsmodellen verglichen