テイラー州

プラズマ物理学において、テイラー状態とは、プラズマが磁束を保存している間のプラズマの最小エネルギー状態である。^{[1]これは1974年に}ジョン・ブライアン・テイラーによって初めて提案され、彼はZETAマシンのデータを使用してこの主張を裏付けた。^[2]

テイラー状態は、ダイノマックと逆磁場ピンチの両方を動作させる上で重要です。両方ともテイラー状態で動作します。

1974年、ジョン・B・テイラー博士は、ループプラズマに磁束を誘導することでスフェロマックを形成できると提唱しました。するとプラズマは自然に緩和してスフェロマックとなり、テイラー状態とも呼ばれます。^{[3] [4]} このプロセスは、プラズマが以下の場合に機能します。

• 全磁束を保存した
• 総エネルギーを最小化

これらの主張は、後に1979年にマーシャル・ローゼンブルースによって検証されました。^[5] 1974年、テイラー博士はこれらの主張を裏付けるためにゼータピンチ装置の結果しか使用できませんでした。しかし、それ以来、テイラー状態は次のような複数の装置で形成されています。

• ロスアラモスのコンパクトトーラス実験（CTX）。CTXはロスアラモスで1979年から1987年まで稼働した。電子温度は460万ケルビンに達し^[6]、動作時間は3マイクロ秒^[7]、プラズマ対磁気圧力比は0.2であった^{[8] 。}
• リバモアの持続スフェロマック物理実験（SSPX）は、テイラー状態に至る緩和過程を測定するために使用されたCTXのより高度なバージョンでした。SSPXは1999年から2007年までリバモアで稼働していました。^[9]
• カリフォルニア工科大学スフェロマック実験は、カリフォルニア工科大学のポール・ベランズ博士の研究室で 2000 年から 2010 年にかけて実施された小規模な実験です。
• ワシントン大学のヘリシティ注入トーラス定常誘導装置（HIT-SI）は、2004年から2012年までジャーボー博士によって運営され、ダイノマックの前身となった。この装置は、数（<2）マイクロ秒にわたって90キロアンペアの安定したプラズマ電流を生成した。 ^[10]この装置は、2011年に強制ダイナモ電流駆動（IDCD）の最初の実証も行った。^[11] IDCDのブレークスルーにより、ジャーボー博士のグループは、この装置の初の原子炉スケールバージョンであるダイノマックを構想することができた。

熱エネルギーが無視できるプラズマ( )を囲む、閉じた、単連結の、磁束保存の、完全伝導面を考える。 ${\displaystyle S}$${\displaystyle \beta \rightarrow 0}$

以降、 となります。これは、 を意味します。 ${\displaystyle {\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}=0}$${\displaystyle S}$${\displaystyle {\vec {A}}_{||}=0}$

上で述べたように、プラズマは磁気ヘリシティを保存しながら最小エネルギー状態に向かって緩和します。境界は完全に導電性であるため、関連するフラックスに変化はありません。これは、およびが成り立つことを意味します。 ${\displaystyle \delta {\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}=0}$${\displaystyle \delta {\vec {A}}_{||}=0}$${\displaystyle S}$

磁気ヘリシティを保存しながらプラズマエネルギーを最小化する変分問題を定式化します。 ${\displaystyle W=\int d^{3}rB^{2}/2\mu _{\circ}}$${\displaystyle K=\int d^{3}r{\vec {A}}\cdot {\vec {B}}}$

変分問題は です 。 ${\displaystyle \delta W-\lambda \delta K=0}$

いくつかの代数計算の後、最小エネルギー状態に対する次の制約が導かれます 。 ${\displaystyle \nabla \times {\vec {B}}=\lambda {\vec {B}}}$