Propõe-se analisar teoricamente a instabilidade disruptora que ocorre em plasmas confinados em Tokamaks, investigando-se a influencia de campos helicoidais ressonantes em seu equilíbrio. Para isso, considerou-se a superposição do campo magnético do plasma em equilíbrio MHD estático com o campo associado às ressonâncias, levando-se em conta a geometria toroidal do Tokamak. Devido a falta de simetria, as linhas do campo magnético total resultante desta superposição devem formar superfícies magnéticas apenas em algumas regiões do plasma. Usando o método da media, foram obtidas (analiticamente) funções de superfícies aproximadas que contem, em torno das regiões de ressonância do plasma, as linhas deste campo magnético total. Verificou-se que estas superfícies aproximadas têm estruturas de ilhas magnéticas. / It is proposed to analyse theoretically the disruptive instability that occurs in confined plasmas in Tokamaks, through investigation of the influence of resonant helical fields on their equilibrium. With this aim, a superposition of the magnetic field of the plasma in static MHD equilibrium with the field associated with the resonances is considered, taking into account the toroidal geometry of the tokamak. Due to the lack of symmetry, the lines of the total magnetic field resulting from this superposition must form magnetic surfaces only around some regions of the plasma. Using the averaging method, functions of approximate magnetic surfaces are obtained (analitically) around the regions of resonances of the plasma (they contain the lines of this total magnetic field). It was verified that these approximate surfaces have structures of magnetic islands.

Os campos magnéticos estáticos interferem com o sistema nervoso central lesado, modificando a atividade de diferentes estruturas e recuperando o comportamento afetado pela lesão. Esse trabalho tem por objetivo investigar os efeitos dos polos magnéticos em ratos Wistar saudáveis e as repercussões comportamentais no Labirinto em Cruz Elevado (LCE) induzidas por pentilenotetrazol (PTZ) e por Alprazolam (ALP) sob o efeito da estimulação magnética. EXPERIMENTO I - Foram utilizados 107 ratos albinos Wistar, machos, pesando entre 270 - 300g. Após quatro dias da implantação de um magneto (3200 Gauss) no crânio dos animais, esses foram submetidos à avaliação comportamental no LCE. Grupos injetados receberam, via intraperitoneal, 30 mg/kg de PTZ ou salina. Os dados obtidos foram analisados por ANOVA, as significâncias foram evidenciadas pelo pós-teste de Holm Sidak com valor de P significativo<0,05. Observamos diminuição no número de entradas nos braços abertos nos grupos PN, PTZ e SMPTZ em relação ao grupo C, e um aumento nas entradas do grupo PSPTZ sobre os grupos PTZ e SMPTZ (F6, 158= 1,91). Análise etológica revelou um aumento da apresentação do comportamento espreitar nos grupos PTZ, SMPTZ, PNPTZ, PSPTZ (F6, 79= 3,51), diminuição na apresentação dos comportamentos mergulho de cabeça (F6, 79= 2,40) e levantamentos (F6, 79= 17,64) nos grupos PN, PS, PTZ, SMPTZ, PNPTZ e PSPTZ em relação ao C. EXPERIMENTO II - Participaram 79 animais mantidos nas mesmas condições experimentais que no experimento I, injetados com Alprazolam (1mg/kg - intraperitoneal) ou salina. Observamos um aumento no número de entradas nos braços abertos nos grupos ALP e SMALP em relação ao grupo C (F6, 144= 3,53). A porcentagem de entradas nos braços abertos foi maior nos grupos ALP e SMALP em relação ao C (F6, 72= 2,41), e a porcentagem de tempo nos braços abertos foi maior no PNALP, comparado com o C (F6, 72= 3,95). A análise etológica revelou um aumento na frequência dos comportamentos mergulho de cabeça (F6, 72= 10,79) e exploração da extremidade final (F6, 72= 6,00) nos grupos ALP, SMALP e PNALP em relação ao C. Para o comportamento de levantamentos (F6, 72= 4,71) também observamos um aumento da frequência desse comportamento para os grupos ALP, SMALP e PSALP em relação ao C. No experimento I, o polo Sul conseguiu antagonizar o efeito do PTZ, na variável espaço-temporal entradas nos braços abertos, além disso, a estimulação magnética polo Norte, mimetizou o efeito do PTZ. No experimento II, ambos os polos magnéticos antagonizaram o efeito ALP na variável espaço-temporal entradas nos braços abertos. As variáveis etológicas também revelaram um antagonismo da resposta ALP, pelo polo Norte e pelo polo Sul. Dessa maneira, esse trabalho mostra através da análise comportamental no LCE que os campos magnéticos podem interferir de maneira distinta com as modificações no comportamento de ratos injetados com PTZ ou ALP / Static magnetic fields interfere with the injured central nervous system, modifying the activity of different structures and recovering the behavior affected by the lesion. The objective of this study was to investigate the effects of magnetic poles on healthy Wistar rats and the behavioral repercussions of the Penzolenotetrazole (PTZ) and Alprazolam (ALP) induction on the Elevated Plus-Maze (EPM) under the effect of magnetic stimulation. EXPERIMENT I - 107 male Wistar rats weighing between 270 and 300 g were used. After four days of implantation of a magneto (3200 Gauss) in the cranium of the animals, they were submitted to behavioral evaluation in the EPM. Injected groups received intraperitoneally 30 mg / kg of PTZ or saline. The data were analyzed by ANOVA, the significance was evidenced by the Holm Sidak post-hoc with a significant P value <0.05. We observed a decrease in the number of entrance open arms in the PN, PTZ and SMPTZ groups compared to group C, and an increase in the PSPTZ group on PTZ and SMPTZ groups (F6, 158 = 1.91). Ethological analysis showed an increase in the peeking out behavior in the PTZ, SMPTZ, PNPTZ, PSPTZ groups (F6, 79 = 3.51) and a decrease in the performance of the head dipping behavior (F6, 79= 2.40), and of rearing in PS, PTZ, SMPTZ, PNPTZ and PSPTZ in relation to C (F6, 79= 17.64). EXPERIMENT II - Participated 79 animals maintained in the same experimental conditions as in experiment I, injected with Alprazolam (1mg / kg - intraperitoneal) or saline. We observed an increase in the number of entrance into open arms in the ALP and SMALP groups compared to group C (F6, 144 = 3.53). And the percentage of open arms entries was higher in the ALP and SMALP groups than C (F6, 72 = 2.41), and the percentage of open arms time spented was higher in PNALP, compared to C (F6, 72 = 3.95). The ethological analysis revealed an increase in the frequency of head dipping behaviors (F6, 72 = 10.79) and end-arm activity (F6, 72 = 6.00) in the groups ALP, SMALP and PNALP in relation to C. Already for the rearing (F6, 72 = 4.71), we also observed an increase in the frequency of this behavior for the ALP, SMALP and PSALP groups in relation to C. In the experiment I, the South pole was able to antagonize the PTZ effect, as reported for the space-time variable in the open arms, besides the North pole magnetic stimulation, mimics the PTZ effect. In the experiment II, both magnetic poles antagonize the ALP effect in the space-time variable in the open arms. The ethological variables also revealed an antagonism of the ALP response, by the North and South poles. Thus, this work shows through the behavioral analysis in the EPM that the magnetic fields can interfere in a different way with the modifications in the behavior of injected rats with PTZ or ALP

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T15:55:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Selmi-Dei_DanielPakk_D.pdf: 9650136 bytes, checksum: a6af22f88f369a8903480bc20071c354 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Esta tese apresenta um estudo das deflexões nas trajetórias de raios cósmicos com energia ultra-alta (> 1018 eV) devido à sua propagação pelo campo magnético da Via Láctea. Partindo de dados coletados no Observatório Pierre Auger, localizado na Argentina, a técnica do backtracking foi aplicada sob diversas hipóteses relativas à carga elétrica do núcleo primário. Uma situação histórica é feita desde a época da descoberta da radiação cósmica até as últimas técnicas de detecção desenvolvidas por Pierre Auger, descobridor dos chuveiros atmosféricos extensos. A natureza das cascatas é descrita para o entendimento de como direções de chegada e energias são inferidas através dos experimentos de hoje. Alguns detalhes do espectro do uxo de raios cósmicos nas energias mais altas são expostos. As metodologias relativas aos telescópios de uorescência e ao arranjo de superfície, empregados no Observatório Auger, são introduzidas. É estabelecida uma relação entre ambas as técnicas de detecção e alguns resultados importantes, obtidos nos últimos anos pela Colaboração Auger, são apresentados. É feita uma descrição da dinâmica de campos magnéticos em plasmas astrofísicos e de dados observacionais da rotação de Faraday para embasar a escolha dos modelos de campo magnético galácticos. A magnetohidrodinâmica também é usada para explicar por que é interessante considerar certos objetos aceleradores candidatos a fontes de raios cósmicos. A distribuição de matéria na Via Láctea é então caracterizada em relação aos dados de evolução estelar e passa a ser assumida a hipótese de que a nucleossíntese elementar ocorre de modo semelhante em outras galáxias. Em seguida, são definidos os modelos utilizados para a descrição dos campos magnéticos nas regiões do bojo, disco e halo da galáxia. A superposição de um modelo da componente irregular também é considerada. A técnica do backtracking de antipartículas (e, equivalentemente, o forwardtracking de partículas) é descrita segundo um novo método numérico de passos adaptativos introduzido neste trabalho. Algumas ferramentas de análise são propostas a partir dos dados de reconstrução das trajetórias. Em última análise, é demonstrado que esse método desenvolvido concorda com o método numérico de Runge e Kutta de quarta ordem. Os resultados apresentados nesta tese levam à conclusão de que se os modelos presentes descrevem aproximadamente o campo magnético de larga escala da Via Láctea, então raios cósmicos com energia ultra-alta são signicantemente de etidos durante a propagação. Para um evento real detectado no Observatório Auger, a escolha da composição química compatível com núcleos produzidos nas reações de nucleossíntese estelar permitiu indicar regiões da Via Láctea que podem abrigar objetos astrofísicos candidatos a fonte. Assumindo que um magnetar galáctico ativo conhecido radie partículas com E > 1019 eV, foi possível prever excessos do uxo bem localizados em certas direções do céu. Já a depleção desse uxo na direção do Aglomerado de Virgem pode ser explicada através da imposição de limites na composição química da radiação cósmica com incidência normal ao plano galáctico. Por último, sob a hipótese de que AGNs sejam as fontes dos núcleos atômicos ultra-energéticos observados, uma relação entre composição química e energia da partícula primária é derivada / Abstract: This thesis presents a study of the deflections of ultra-high energy (> 1018 eV) cosmic rays caused by its propagation through the large scale magnetic field of the Milky Way. From data collected by the Pierre Auger Observatory, in Argentina, the backtracking technique was applied under several hypotheses relative to the electric charge of the primary nucleus. A historical review is given since the discovery of the cosmic radiation until the last detection techniques developed by Pierre Auger, who was the discoverer of extensive air showers. The nature of the cascades is described for an understanding about how the arrival directions and energies are inferred from experiments performed today. Some details regarding the spectrum of the cosmic ray flux at the highest energies are exposed. The methodologies relative to the fluorescence telescopes and the surface array, employed at the Auger Observatory, are introduced. A relation is established between both techniques of detection and some important results obtained in the last years by the Auger Collaboration are presented. A description of the magnetic field dynamics in astrophysical plasmas and the observational data of Faraday rotation serve as a basis for the choice of galactic magnetic field models. Magnetohydrodynamics is also used to explain why it is interesting to consider certain objects as candidates for the source and acceleration of cosmic rays. The Milky Way is then characterized in respect to stellar evolution data and the hypotheses that the nucleosynthesis of the elements occurs in a similar way in other galaxies is assumed. Finally, models to describe the magnetic fields in the bulge, disk and halo regions are defined. The superposition of a model for the irregular component is also considered. The backtracking technique of antiparticles (and equivalently, the forwardtracking of particles) is described according to a new numerical adaptive stepsize method introduced in this work. Some analysis tools are proposed based on data from the reconstructed trajectories. Lastly, it is shown that the method developed here agrees with the fourth-order Runge-Kutta numerical method. The results presented is this thesis lead to the conclusion that if the present models describe approximately the large scale magnetic field of the Milky Way, then ultra-high energy cosmic rays are significantly de ected during propagation. For a real event detected at the Auger Observatory, the choice for a chemical composition compatible with the nuclei produced in stellar nucleosynthesis reactions allowed to pinpoint regions inside the MilkyWay that can house astrophysical objects as candidate sources. Assuming that a known active galactic magnetar radiates particles with E >1019 eV, it was possible to predict well localized ux excesses in certain directions of the sky. The depletion of that flux in the direction of the Virgo Cluster can be explained by the imposition of limits on the chemical composition of cosmic radiation with incidence normal to the galactic plane. In the last place, under the hypothesis that AGN are sources of the observed ultra-high energy atomic nuclei, a relation between chemical composition and particle energy is derived / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

A Pequena Nuvem de Magalhães (PNM) é uma galáxia irregular e rica em gás, que juntamente com a Grande Nuvem de Magalhães (GNM) orbita a Via Láctea (VL). Elas formam um sistema triplo em constante interação. A PNM possui metalicidade baixa, e consequentemente seu meio interestelar (MI) apresenta propriedades particularmente diferentes das observadas para o MI da Galáxia. Mais do que isso, a importância do campo magnético em escalas galácticas vem sendo evidenciada cada vez mais. Então, o objetivo desta dissertação foi estudar a estrutura do campo magnético na PNM, e sua relação com componentes do MI desta galáxia. Para este fim, utilizamos dados de polarimetria no óptico, obtidos no Cerro Tololo Inter American Observatory. Construímos um catálogo polarimétrico que contém 7.207 estrelas em 28 campos distribuídos nas secções Nordeste e da Asa da PNM. Os mapas de polarização traçam o campo magnético no plano do céu diretamente, e pode-se obter sua intensidade utilizando o método de Chandrasekhar & Fermi. A partir do catálogo polarimétrico gerado neste trabalho, conseguimos observar que o campo magnético na PNM possui direção bastante irregular, porém é provável a existência de dois padrões em larga escala o primeiro alinhado com a Ponte pan-Magelânica e o segundo alinhado com a Barra da PNM. Obtivemos para o campo magnético regular Bcéu = (1,84 ± 0,11) uG e para o campo turbulento dB = (2,920 ± 0,098) uG. Esse resultado evidencia que na PNM o campo aleatório domina com relação ao de larga escala, justificando a observação de uma configuração tão irregular para os vetores de polarização. Correlacionando os mapas de polarização com estruturas presentes no MI da PNM, pudemos verificar a presença de diversos shells que podem possuir campos magnéticos da ordem de algumas dezenas de uG. Também foi possível observar ambientes onde o campo regular parece ter sido destruído pela turbulência e outros onde ele pode ainda não ter tido tempo de se formar. Derivamos a relação entre polarização e avermelhamento, e obtivemos como resultado que ela é da ordem de P/Av ~ 2, o que indica que na PNM a eficiência para polarização pode ser menor do que na Galáxia, talvez devido a alta turbulência e/ou ao fato de que nela o campo regular é muito baixo. Por fim, a partir da estimativa para as densidades de energia do campo magnético e para o movimento de rotação e de turbulência do gás, pudemos mostrar que o campo magnético possui importância dinâmica para PNM, sendo a componente turbulenta a maior responsável pela pressão magnética. / The Small Magellanic Cloud (SMC) is a gas rich irregular galaxy which, together with the Large Magellanic Cloud (LMC), orbit the Milky Way (MW). They form a triple system in constant interaction. The SMC is a metal poor galaxy and, due to this, its interstellar medium (ISM) presents different properties from the Galaxy\'s ISM. In addition to that, the importance of magnetic fields on galactic scales is being recognized nowadays. Therefore, the aim of this project was to study the magnetic field structure of the SMC and its relationship with other components of SMC\'s ISM. For this purpose we have used starlight optical polarimetric data, obtained at Cerro Tololo Inter-American Observatory. We have constructed a polarization catalog containing a total of 7,207 stars in 28 fields in the Northeast/Wing sections of the SMC. The polarimetric vector maps trace the ISM magnetic field component in the plane of the sky and one can estimate its intensity towards a given region using the Chandrasekhar & Fermi method. Making use of the polarimetric catalog from this work, we have found that the magnetic field in the SMC, although varying from region to region, nevertheless shows two large scale patterns - the first one aligned with the Magellanic Bridge and a second one aligned with the SMC\'s Bar. We derived for the regular sky-projected magnetic field a value of Bsky = (1.84 ± 0.11) uG, and for the turbulent magnetic field dB = (2.920 ± 0.098) uG. These results evidence that in the SMC the random field prevails over the large scale field, which explains the irregular configuration of the polarization vectors often seen. Correlating the polarization maps with structures present on the SMC\'s ISM, we could identify the presence of several shells which may have magnetic fields up to a few tens uG. It was also possible to observe environments where the regular field seems to have been destroyed due to turbulence, and others where it seems that the large scale magnetic field has not enough time to be formed. Studying the relationship with polarization and reddening, we have obtained a value for P/Av ~ 2, which may indicate that the polarization efficiency in the SMC is smaller than in the Galaxy, perhaps due to a higher turbulence and/or because of a smaller regular magnetic field. Lastly, we have estimated the energy density for the magnetic field and for the rotation and turbulent gas motions. We showed that the magnetic field is dynamically important in the SMC\'s ISM, and that the turbulent component is the largest contributor to the magnetic pressure.

Las actividades de mantenimiento y puesta en servicio de equipos en subestaciones eléctricas están clasificadas con carácter de alto riesgo debido a las altas corrientes y voltajes que se emplean en estas instalaciones. Sin embargo, la actividad de supervisión para detectar fallas en equipos por ser una actividad de no contacto y realizarse con cámaras termográficas no se considera como peligrosa. No obstante, existe un peligro invisible e imperceptible para el ser humano a través de los sentidos: los campos electromagnéticos. La sobreexposición a esta radiación no ionizante puede alterar las cargas presentes en nuestros cuerpos generando pequeñas corrientes que pueden afectar nuestros tejidos (dependerá de la intensidad de campo magnético). Y aunque todavía se sigan realizando estudios para determinar que los campos electromagnéticos son un verdadero motivo de preocupación para las personas, entidades como ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) han establecido umbrales máximos que se recomienda no superar. En el presente trabajo se expone la problemática de la inspección de equipamiento en subestaciones eléctricas, se describen los riesgos eléctricos presentes en una subestación, después se establecen objetivos para resolver esta problemática, luego se revisa el estado de la tecnología y por último se establecen soluciones con los requerimientos necesarios para cumplir con los objetivos. De estas soluciones se escoge la mejor y se propone el diseño de la misma para contribuir con mejorar la actividad de supervisión. En este contexto, se busca no exponer innecesariamente al personal de trabajo a actividades que podrían no considerarse seguras completamente con la implementación de sistemas como el propuesto.

Neste trabalho investigamos os efeitos do magnetismo orbital sobre o gás de elétrons tridimensional e sobre íons de camadas abertas em matrizes metálicas. Derivamos uma expressão analítica fechada para a energia de troca do gás de elétrons tridimensional na presença de fortes campos magnéticos, incluindo contribuições do segundo nível de Landau e polarização de spin arbitrária. Esse cálculo generaliza e corrige resultados anteriores disponíveis na literatura. Em seguida, realizamos um cálculo numérico da energia de troca do gás de elétrons tridimensional na presença de campos magnéticos, permitindo a ocupação de um número ilimitado de níveis de Landau, possibilitando assim a obtenção da energia de troca para quaisquer valores de campo magnético e densidade. Em uma abordagem independente, usamos as aproximações de Thomas-Fermi e Thomas-Fermi-Dirac para construir modelos simples para a função dielétrica do gás de elétrons tridimensional no regime de campos magnéticos muito fortes (apenas o primeiro nível de Landau ocupado). Finalmente, estabelecemos vínculos entre os tratamentos fenomenológicos e de primeiros princípios do magnetismo orbital em íons de camadas abertas em matrizes metálicas. Esses vínculos forneceram um embasamento teórico para o uso dos termos de polarização orbital em cálculos Kohn-Sham e levaram à obtenção de expressões aproximadas para os funcionais de troca-correlação da teoria do funcional da densidade de corrente. / In this work, we investigate the effects of orbital magnetism in the three-dimensional electron gas and in open-shell ions in a solid. We derive a closed analytical expression for the exchange energy of the three-dimensional electron gas in strong magnetic fields including the contribution of the second Landau level and arbitrary spin polarization. This calculation generalizes and corrects earlier results available in the literature. Next, we perform a numerical calculation of the exchange energy of the three-dimensional electron gas in a magnetic field, allowing several Landau levels to be occupied, to obtain the exchange energy for arbitrary values of magnetic field and density. In an independent approach, we use the Thomas-Fermi and Thomas-Fermi-Dirac approximations to construct simple model dielectric functions for the three-dimensional electron gas in the strong magnetic field regime (where only the lowest Landau level is occupied). Finally, we establish links between the phenomenological and the first-principles treatment of orbital magnetism in open-shell ions in solids. These links provide a theoretical foundation for the use of orbital polarization terms in Kohn-Sham calculations and allow to obtain approximations to the exchange-correlation functionals of current-density functional theory.

In this thesis we investigated two major issues in astrophysical flows: the transport of magnetic fields in highly conducting fluids in the presence of turbulence, and the turbulence evolution and turbulent dynamo amplification of magnetic fields in collisionless plasmas. The first topic was explored in the context of star-formation, where two intriguing problems are highly debated: the requirement of magnetic flux diffusion during the gravitational collapse of molecular clouds in order to explain the observed magnetic field intensities in protostars (the so called \"magnetic flux problem\") and the formation of rotationally sustained protostellar discs in the presence of the magnetic fields which tend to remove all the angular momentum (the so called \"magnetic braking catastrophe\"). Both problems challenge the ideal MHD description, usually expected to be a good approximation in these environments. The ambipolar diffusion, which is the mechanism commonly invoked to solve these problems, has been lately questioned both by observations and numerical simulation results. We have here investigated a new paradigm, an alternative diffusive mechanism based on fast magnetic reconnection induced by turbulence, termed turbulent reconnection diffusion (TRD). We tested the TRD through fully 3D MHD numerical simulations, injecting turbulence into molecular clouds with initial cylindrical geometry, uniform longitudinal magnetic field and periodic boundary conditions. We have demonstrated the efficiency of the TRD in decorrelating the magnetic flux from the gas, allowing the infall of gas into the gravitational well while the field lines migrate to the outer regions of the cloud. This mechanism works for clouds starting either in magnetohydrostatic equilibrium or initially out-of-equilibrium in free-fall. We estimated the rates at which the TRD operate and found that they are faster when the central gravitational potential is higher. Also we found that the larger the initial value of the thermal to magnetic pressure ratio (beta) the larger the diffusion process. Besides, we have found that these rates are consistent with the predictions of the theory, particularly when turbulence is trans- or super-Alfvénic. We have also explored by means of 3D MHD simulations the role of the TRD in protostellar disks formation. Under ideal MHD conditions, the removal of angular momentum from the disk progenitor by the typically embedded magnetic field may prevent the formation of a rotationally supported disk during the main protostellar accretion phase of low mass stars. Previous studies showed that an enhanced microscopic diffusivity of about three orders of magnitude larger than the Ohmic diffusivity would be necessary to enable the formation of a rotationally supported disk. However, the nature of this enhanced diffusivity was not explained. Our numerical simulations of disk formation in the presence of turbulence demonstrated the efficiency of the TRD in providing the diffusion of the magnetic flux to the envelope of the protostar during the gravitational collapse, thus enabling the formation of rotationally supported disks of radius ~ 100 AU, in agreement with the observations. The second topic of this thesis has been investigated in the framework of the plasmas of the intracluster medium (ICM). The amplification and maintenance of the observed magnetic fields in the ICM are usually attributed to the turbulent dynamo action which is known to amplify the magnetic energy until close equipartition with the kinetic energy. This is generally derived employing a collisional MHD model. However, this is poorly justified a priori since in the ICM the ion mean free path between collisions is of the order of the dynamical scales, thus requiring a collisionless-MHD description. We have studied here the turbulence statistics and the turbulent dynamo amplification of seed magnetic fields in the ICM using a single-fluid collisionless-MHD model. This introduces an anisotropic thermal pressure with respect to the direction of the local magnetic field and this anisotropy modifies the MHD linear waves and creates kinetic instabilities. Our collisionless-MHD model includes a relaxation term of the pressure anisotropy due to the feedback of the mirror and firehose instabilities. We performed 3D numerical simulations of forced transonic turbulence in a periodic box mimicking the turbulent ICM, assuming different initial values of the magnetic field intensity and different relaxation rates of the pressure anisotropy. We showed that in the high beta plasma regime of the ICM where these kinetic instabilities are stronger, a fast anisotropy relaxation rate gives results which are similar to the collisional-MHD model in the description of the statistical properties of the turbulence. Also, the amplification of the magnetic energy due to the turbulent dynamo action when considering an initial seed magnetic field is similar to the collisional-MHD model, particularly when considering an instantaneous anisotropy relaxation. The models without any pressure anisotropy relaxation deviate significantly from the collisional-MHD results, showing more power in small-scale fluctuations of the density and velocity field, in agreement with a significant presence of the kinetic instabilities; however, the fluctuations in the magnetic field are mostly suppressed. In this case, the turbulent dynamo fails in amplifying seed magnetic fields and the magnetic energy saturates at values several orders of magnitude below the kinetic energy. It was suggested by previous studies of the collisionless plasma of the solar wind that the pressure anisotropy relaxation rate is of the order of a few percent of the ion gyrofrequency. The present study has shown that if this is also the case for the ICM, then the models which best represent the ICM are those with instantaneous anisotropy relaxation rate, i.e., the models which revealed a behavior very similar to the collisional-MHD description. / Nesta tese, investigamos dois problemas chave relacionados a fluidos astrofísicos: o transporte de campos magnéticos em plasmas altamente condutores na presença de turbulência, e a evolução da turbulência e amplificação de campos magnéticos pelo dínamo turbulento em plasmas não-colisionais. O primeiro tópico foi explorado no contexto de formação estelar, onde duas questões intrigantes são intensamente debatidas na literatura: a necessidade da difusão de fluxo magnético durante o colapso gravitacional de nuvens moleculares, a fim de explicar as intensidades dos campos magnéticos observadas em proto-estrelas (o denominado \"problema do fluxo magnético\"), e a formação de discos proto-estelares sustentados pela rotação em presença de campos magnéticos, os quais tendem a remover o seu momento angular (a chamada \"catástrofe do freamento magnético\"). Estes dois problemas desafiam a descrição MHD ideal, normalmente empregada para descrever esses sistemas. A difusão ambipolar, o mecanismo normalmente invocado para resolver estes problemas, vem sendo questionada ultimamente tanto por observações quanto por resultados de simulações numéricas. Investigamos aqui um novo paradigma, um mecanismo de difusão alternativo baseado em reconexão magnética rápida induzida pela turbulência, que denominamos reconexão turbulenta (TRD, do inglês turbulent reconnection diffusion). Nós testamos a TRD através de simulações numéricas tridimensionais MHD, injetando turbulência em nuvens moleculares com geometria inicialmente cilíndrica, permeadas por um campo magnético longitudinal e fronteiras periódicas. Demonstramos a eficiência da TRD em desacoplar o fluxo magnético do gás, permitindo a queda do gás no poço de potencial gravitacional, enquanto as linhas de campo migram para as regiões externas da nuvem. Este mecanismo funciona tanto para nuvens inicialmente em equilíbrio magneto-hidrostático, quanto para aquelas inicialmente fora de equilíbrio, em queda livre. Nós estimamos as taxas em que a TRD opera e descobrimos que são mais rápidas quando o potencial gravitacional é maior. Também verificamos que quanto maior o valor inicial da razão entre a pressão térmica e magnética (beta), mais eficiente é o processo de difusão. Além disto, também verificamos que estas taxas são consistentes com as previsões da teoria, particularmente quando a turbulência é trans- ou super-Alfvénica. Também exploramos por meio de simulações MHD 3D a influência da TRD na formação de discos proto-estelares. Sob condições MHD ideais, a remoção do momento angular do disco progenitor pelo campo magnético da nuvem pode evitar a formação de discos sustentados por rotação durante a fase principal de acreção proto-estelar de estrelas de baixa massa. Estudos anteriores mostraram que uma super difusividade microscópica aproximadamente três ordens de magnitude maior do que a difusividade ôhmica seria necessária para levar à formação de um disco sustentado pela rotação. No entanto, a natureza desta super difusividade não foi explicada. Nossas simulações numéricas da formação do disco em presença de turbulência demonstraram a eficiência da TRD em prover a diffusão do fluxo magnético para o envelope da proto-estrela durante o colapso gravitacional, permitindo assim a formação de discos sutentados pela rotação com raios ~ 100 UA, em concordância com as observações. O segundo tópico desta tese foi abordado no contexto dos plasmas do meio intra-aglomerado de galáxias (MIA). A amplificação e manutenção dos campos magnéticos observados no MIA são normalmente atribuidas à ação do dínamo turbulento, que é conhecidamente capaz de amplificar a energia magnética até valores próximos da equipartição com a energia cinética. Este resultado é geralmente derivado empregando-se um modelo MHD colisional. No entanto, isto é pobremente justificado a priori, pois no MIA o caminho livre médio de colisões íon-íon é da ordem das escalas dinâmicas, requerendo então uma descrição MHD não-colisional. Estudamos aqui a estatística da turbulência e a amplificação por dínamo turbulento de campos magnéticos sementes no MIA, usando um modelo MHD não-colisional de um único fluido. Isto indroduz uma pressão térmica anisotrópica com respeito à direção do campo magnético local. Esta anisotropia modifica as ondas MHD lineares e cria instabilidades cinéticas. Nosso modelo MHD não-colisional inclui um termo de relaxação da anisotropia devido aos efeitos das instabilidades mirror e firehose. Realizamos simulações numéricas 3D de turbulência trans-sônica forçada em um domínio periódico, mimetizando o MIA turbulento e considerando diferentes valores iniciais para a intensidade do campo magnético, bem como diferentes taxas de relaxação da anisotropia na pressão. Mostramos que no regime de plasma com altos valores de beta no MIA, onde estas instabilidades cinéticas são mais fortes, uma rápida taxa de relaxação da anisotropia produz resultados similares ao modelo MHD colisional na descrição das propriedades estatísticas da turbulência. Além disso, a amplificação da energia mangética pela ação do dínamo turbulento quando consideramos um campo magnético semente, é similar ao modelo MHD colisional, particularmente quando consideramos uma relaxação instantânea da anisotropia. Os modelos sem qualquer relaxação da anisotropia de pressão mostraram resultados que se desviam significativamente daqueles do MHD colisional, mostrando mais potências nas flutuações de pequena escala da densidade e velocidade, em concordância com a presença significativa das instabilidades cinéticas nessas escalas; no entanto, as flutuações do campo magnético são, em geral, suprimidas. Neste caso, o dínamo turbulento também falha em amplificar campos magnéticos sementes e a energia magnética satura em valores bem abaixo da energia cinética. Estudos anteriores do plasma não-colisional do vento solar sugeriram que a taxa de relaxação da anisotropia na pressão é da ordem de uma pequena porcentagem da giro-frequência dos íons. O presente estudo mostrou que, se este também é o caso para o MIA, então os modelos que melhor representam o MIA são aqueles com taxas de relaxação instantâneas, ou seja, os modelos que revelaram um comportamento muito similar à descrição MHD colisional.

Neste trabalho estudamos a geometria do campo magnético e algumas propriedades da poeira interestelar em duas regiões do Meio Interestelar da Galáxia: a Nuvem Escura de Musca e uma parte da IRAS Vela Shell, na direção de HD62542. Empregamos a técnica da polarimetria de imagem CCD. Na primeira parte desta tese mostramos nosso aporte no aprimoramento do hardware e software do grupo de polarimetria do IAGUSP. Basicamente, um código de controle da gaveta polarimétrica do IAG foi desenvolvido e explicamos em detalhe um pacote (PCCDPACK) de redução semi-automática e análise de imagens polarimétricas para objetos pontuais criado especificamente para este fim. Na segunda parte desta tese aplicamos a técnica de polarimetria de imagem CCD para um estudo observacional em duas regiões selecionadas: a nuvem escura de musca (NEM) e a região IRAS Vela Shell (IVS) / nebulosa de Gum (NG) na direção de HD62542. Nosso interesse foi explorar a técnica polarimétrica desenvolvida para a redução e análise de campos estelares densos. O produto deste estudo foi a construção de dois catálogos polarimétricos, um para cada região, de ao redor de 2500 objetos para a NEM e quase 900 objetos para a região IVS/NG. Mostramos também como tais medidas podem ser utilizadas para mapear o campo magnético em regiões densas do meio interestelar, especificamente em nuvens escuras e frentes de ionização/shocks onde a presença de grãos de poeira é prevista. Informamos sobre a intensidade do campo magnético e das razões de energia cinética turbulenta a magnética é obtida do estudo das dispersões do ângulo de polarização dos vetores de polarização em cada uma das regiões. Paralelamente, um estudo de extinção utilizando a técnica de contagem automática de estrelas foi feito em cada uma das regiões e sua correlações com os dados polarimétricos são exploradas. Combinando as medidas polarimétricas com as de extinção, a eficiência da polarização é ) investigada assim como suas implicâncias na determinação do tipo de grãos presentes ao serem comparados com aqueles próprios do meio interestelar difuso. A análise da polarimetria na NEM mostra um limite inferior de polarização de aprox. 2% ao longo da estrutura filamentar da nuvem, com picos de polarização de 6-7% na região central. A geometria do campo magnético, como é inferida do mapa de polarização, é quase perpendicular ao filamento, sugerindo um colapso ao longo das linhas do campo. No entanto, uma análise em pequena escala angular mostra variações no ângulo de polarização de aprox. 30% ao redor do valor médio de 110º. O campo magnético estimado ao longo da nuvem se encontra dentro de uma faixa de 0.05 mgauss a o.30 mgauss. Um limite inferior para a massa da nuvem de 139 M SOL é encontrado e um grande numero de condensações foram detectadas na estrutura filamentar com uma escala típica de tamanho \'L\' aprox. 0.26pc. As correlações entre polarização e extinção sugerem que a poeira na NEM possui diferentes propriedades que as do meio interestelar difuso e que uma privilegiada visão geométrica do campo magnético pode estar presente ao longo da nuvem. O estudo da região IVS/NG permitiu estabelecer uma geometria do campo magnético que parece acompanhar, em algumas regiões, a borda da parede de emissão Halfa. No entanto, em outras regiões, parece evidente uma tendência perpendicular parede. O campo magnético estimado ao longo da frente de ionização está na faixa de 0.02 mgauss a 0.11 mgauss e a pressão magnética parece dominar a pressão turbulenta do gás em algumas regiões. Uma evidência de estruturas tipo clumpy foi detectada com limites inferiores típicos de (1-4) masas solares e uma escala de tamanho de L\' aprox. 0.47pc. A eficiência da polarização muda ao longo da frente de ionização e parece claro que em algumas regiões as propriedades da poeira diferem daquelas ) observadas no meio interestelar difuso. Um ótimo alinhamento é observado em algumas regiões o que sugere uma ótima visão geométrica do campo magnético com respeito à frente de ionização vista edge on. / We have used CCD imaging polarimetry to study the geometry of the magnetic field and some properties of the interstellar dust in two regions of the Interstellar Medium of the Galaxy: the Musca Dark Cloud and a section of the IRAS Vela Shell towards HD62542. We initially describe the instrument employed with the Musca cloud, the IAG polarimeter, for which we developed control software. A very similar instrument was used at CTIO for the Vela Shell. We have also developed an IRAF software package to reduce and analyze polarimetric images in crowded fields (PCCDPACK). We next apply the technique to study two selected regions: the Musca Dark Cloud (MDC) and a section of IRAS Vela Shell (IVS). The end product is the construction of two catalogues, of approximately 2500 objects for MDC and 900 objects for IVS. For MDC, the analyses of the polarimetric data show a polarization lower limit of ~2% along the filamentary structure of the cloud, with peaks of 6-7% in the central regions. The geometry of the magnetic field is approximately perpendicular to filament, suggesting collapse along the field lines. However, when looked in detail, we detect variations in the polarization angle of ~30deg respect to the mean value of 110deg. The estimated strength of the magnetic field is in a range of 0.05-0.30 mgauss. The star count technique yields a lower limit of the total mass of the cloud of 139 solar masses. A large number of condensations are found, with a typical length scale L ~ 0.26 pc. The observed correlation between polarization and extinction suggests that the dust in MDC have different properties with respect to the dust in the diffuse Interstellar Medium. It also appears that the magnetic field along the cloud is viewed favorably so as to produce the observed polarization. The study in the section of the IVS towards HD 62542 allows us to detect a magnetic field parallel to the ionization front in sections of the cloud. However, in others regions, a perpendicular geometry is also evident. The estimated magnetic field is in the range of 0.02-0.11 mgauss and the magnetic pressure may dominate the turbulent pressure of gas in some regions. Evidence of clumpy structure is found with typical masses (1-4) solar masses and a length scale L ~ 0.47 pc. The polarization efficiency changes along the ionization front. It is clear that the properties of the dust are different of the interstellar medium in some regions. An optimum alignment of the polarization vectors is seen in some regions and it may reflect a favorable viewing geometry of the magnetic field with respect of the ionization front seeing edge on.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Os radionuclídeos utilizados na tomografia por emissão de posítrons (PET) são produzidos utilizando um acelerador cíclotron. Os nêutrons produzidos durante a operação do cíclotron contribuem para exposição direta ou indireta dos Indivíduos Ocupacionalmente Expostos (IOEs), devido ao aumento da radiação de fundo da casamata. Além disso, há um aumento nas emissões de gases radioativos provenientes da ativação dos elementos do ar dentro da casamata, que quando liberados constitui um problema para radioproteção dos indivíduos do público. Dos vários métodos utilizados para caracterizar o espectro neutrônico, o espectrômetro de multiesferas de Bonner (EB) é um dos sistemas espectrométricos mais utilizados. Neste trabalho foi utilizado o sistema EB com detectores termoluminescentes (TL), do tipo TLD600 e TLD700 como detector de nêutrons, para medir os espectros de energia de nêutrons em quatro pontos no interior da casamata do cíclotron GE PETtrace-8 do Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN). Foram realizadas medidas em quatro pontos em torno do cíclotron. Os espectros de nêutrons foram desdobrados utilizando os códigos BUMS, NSDUAZ e BUNKIUT e os resultados convertidos em equivalente de dose ambiente H*(10). Considerando o termo fonte de radiação fornecido pelo fabricante do cíclotron, pôde-se constatar a grande influência dos nêutrons de recuo nos espectros de energia encontrados em todos os pontos. Houve uma boa concordância nos espectros de nêutrons obtidos, utilizando os códigos BUNKIUT (com espectros iniciais retangular e Maxwelliano) e NSDUAZ. Os valores de taxa de fluência encontrados no presente trabalho foram da mesma magnitude dos valores reportados na literatura e são coerentes com os obtidos por cálculos téóricos utilizando o termo fonte de radiação disponibilizado pelo fabricante. Com relação aos valores de equivalente de dose ambiente, as taxas horárias por &#61549;A (microampère) variaram de aproximadamente 67 mSv/h a 936 mSv/h . Para uma corrente típica de 40 &#61549;A, esses valores são próximos de 2,7 Sv/h a 37 Sv/h, valores da mesma ordem dos reportados na literatura. A metodologia empregada para a caracterização do campo de radiação em torno do cíclotron do CDTN mostrou-se adequada e pode ser utilizada em mais pontos da casamata, de maneira a descrever melhor o espectro e, consequentemente, estimar o equivalente de dose ambiente. / The radionuclides used in positron emission tomography (PET) are generally produced using a cyclotron accelerator. The operation of the cyclotron produces an undesirable neutron radiation field. The knowledge of the neutron radiation field around not-self-shielded PET cyclotrons is an important issue for optimization of radiation protection of the workers and individuals of the public. For the workers, neutrons contribute not only for immediate radiation exposure as for long-term exposure due to activation of cyclotron components and the concrete in the bunker walls. For the individuals of the public the main concern is the dispersal of radioactive gases produced by activation of the air inside the cyclotron vault. The multisphere system, or Bonner sphere spectrometer (BSS), has been widely used to measure neutron spectrum. The substitution of the active detectors of the BSS system by thermoluminescent detectors (specifically TLD-600 and TLD-700 pairs) has become a reliable procedure in spectrometry of high intensity mixed radiation field. In this study we utilized the BSS system with TLD600 and TLD700 to measure the energy spectra of neutrons at four points inside the bunker of the cyclotron GE PETtrace-8 of the Development Centre of Nuclear Technology (CDTN). Four points inside the bunker of the cyclotron were studied. The neutron spectra were unfolded using codes BUMS, NSDUAZ e BUNKIUT and the results converted to ambient dose equivalent H*(10). Considering the source-term of radiation provided by the manufacturer of the cyclotron, we could see the great influence of room return effect in energy spectra at all points. The values of total fluence rates for all points have the same magnitudes of values reported in the literature and are consistent with those obtained by theoretical calculations using the source-term of radiation provided by the manufacturer of the cyclotron. The ambient equivalent dose rates for 1 &#61549;A ranged from about 67 mSv/h to 936 mSv/h. For a typical 40 &#61549;A typical current these values were 2.7 Sv/h and 37 Sv/h. These values are of the same order than the reported in the literature. The methodology utilized in this study to characterize the neutron radiation field around the CDTN cyclotron proved to be adequate and can be used in more points inside the bunker in order to better describe the spectrum and thereby estimate the ambient dose equivalent.

Neste trabalho estudamos a geometria do campo magnético e algumas propriedades da poeira interestelar em duas regiões do Meio Interestelar da Galáxia: a Nuvem Escura de Musca e uma parte da IRAS Vela Shell, na direção de HD62542. Empregamos a técnica da polarimetria de imagem CCD. Na primeira parte desta tese mostramos nosso aporte no aprimoramento do hardware e software do grupo de polarimetria do IAGUSP. Basicamente, um código de controle da gaveta polarimétrica do IAG foi desenvolvido e explicamos em detalhe um pacote (PCCDPACK) de redução semi-automática e análise de imagens polarimétricas para objetos pontuais criado especificamente para este fim. Na segunda parte desta tese aplicamos a técnica de polarimetria de imagem CCD para um estudo observacional em duas regiões selecionadas: a nuvem escura de musca (NEM) e a região IRAS Vela Shell (IVS) / nebulosa de Gum (NG) na direção de HD62542. Nosso interesse foi explorar a técnica polarimétrica desenvolvida para a redução e análise de campos estelares densos. O produto deste estudo foi a construção de dois catálogos polarimétricos, um para cada região, de ao redor de 2500 objetos para a NEM e quase 900 objetos para a região IVS/NG. Mostramos também como tais medidas podem ser utilizadas para mapear o campo magnético em regiões densas do meio interestelar, especificamente em nuvens escuras e frentes de ionização/shocks onde a presença de grãos de poeira é prevista. Informamos sobre a intensidade do campo magnético e das razões de energia cinética turbulenta a magnética é obtida do estudo das dispersões do ângulo de polarização dos vetores de polarização em cada uma das regiões. Paralelamente, um estudo de extinção utilizando a técnica de contagem automática de estrelas foi feito em cada uma das regiões e sua correlações com os dados polarimétricos são exploradas. Combinando as medidas polarimétricas com as de extinção, a eficiência da polarização é ) investigada assim como suas implicâncias na determinação do tipo de grãos presentes ao serem comparados com aqueles próprios do meio interestelar difuso. A análise da polarimetria na NEM mostra um limite inferior de polarização de aprox. 2% ao longo da estrutura filamentar da nuvem, com picos de polarização de 6-7% na região central. A geometria do campo magnético, como é inferida do mapa de polarização, é quase perpendicular ao filamento, sugerindo um colapso ao longo das linhas do campo. No entanto, uma análise em pequena escala angular mostra variações no ângulo de polarização de aprox. 30% ao redor do valor médio de 110º. O campo magnético estimado ao longo da nuvem se encontra dentro de uma faixa de 0.05 mgauss a o.30 mgauss. Um limite inferior para a massa da nuvem de 139 M SOL é encontrado e um grande numero de condensações foram detectadas na estrutura filamentar com uma escala típica de tamanho \'L\' aprox. 0.26pc. As correlações entre polarização e extinção sugerem que a poeira na NEM possui diferentes propriedades que as do meio interestelar difuso e que uma privilegiada visão geométrica do campo magnético pode estar presente ao longo da nuvem. O estudo da região IVS/NG permitiu estabelecer uma geometria do campo magnético que parece acompanhar, em algumas regiões, a borda da parede de emissão Halfa. No entanto, em outras regiões, parece evidente uma tendência perpendicular parede. O campo magnético estimado ao longo da frente de ionização está na faixa de 0.02 mgauss a 0.11 mgauss e a pressão magnética parece dominar a pressão turbulenta do gás em algumas regiões. Uma evidência de estruturas tipo clumpy foi detectada com limites inferiores típicos de (1-4) masas solares e uma escala de tamanho de L\' aprox. 0.47pc. A eficiência da polarização muda ao longo da frente de ionização e parece claro que em algumas regiões as propriedades da poeira diferem daquelas ) observadas no meio interestelar difuso. Um ótimo alinhamento é observado em algumas regiões o que sugere uma ótima visão geométrica do campo magnético com respeito à frente de ionização vista edge on. / We have used CCD imaging polarimetry to study the geometry of the magnetic field and some properties of the interstellar dust in two regions of the Interstellar Medium of the Galaxy: the Musca Dark Cloud and a section of the IRAS Vela Shell towards HD62542. We initially describe the instrument employed with the Musca cloud, the IAG polarimeter, for which we developed control software. A very similar instrument was used at CTIO for the Vela Shell. We have also developed an IRAF software package to reduce and analyze polarimetric images in crowded fields (PCCDPACK). We next apply the technique to study two selected regions: the Musca Dark Cloud (MDC) and a section of IRAS Vela Shell (IVS). The end product is the construction of two catalogues, of approximately 2500 objects for MDC and 900 objects for IVS. For MDC, the analyses of the polarimetric data show a polarization lower limit of ~2% along the filamentary structure of the cloud, with peaks of 6-7% in the central regions. The geometry of the magnetic field is approximately perpendicular to filament, suggesting collapse along the field lines. However, when looked in detail, we detect variations in the polarization angle of ~30deg respect to the mean value of 110deg. The estimated strength of the magnetic field is in a range of 0.05-0.30 mgauss. The star count technique yields a lower limit of the total mass of the cloud of 139 solar masses. A large number of condensations are found, with a typical length scale L ~ 0.26 pc. The observed correlation between polarization and extinction suggests that the dust in MDC have different properties with respect to the dust in the diffuse Interstellar Medium. It also appears that the magnetic field along the cloud is viewed favorably so as to produce the observed polarization. The study in the section of the IVS towards HD 62542 allows us to detect a magnetic field parallel to the ionization front in sections of the cloud. However, in others regions, a perpendicular geometry is also evident. The estimated magnetic field is in the range of 0.02-0.11 mgauss and the magnetic pressure may dominate the turbulent pressure of gas in some regions. Evidence of clumpy structure is found with typical masses (1-4) solar masses and a length scale L ~ 0.47 pc. The polarization efficiency changes along the ionization front. It is clear that the properties of the dust are different of the interstellar medium in some regions. An optimum alignment of the polarization vectors is seen in some regions and it may reflect a favorable viewing geometry of the magnetic field with respect of the ionization front seeing edge on.