Neste trabalho estudaremos o comportamento de um feixe de partículas carregadas, radialmente simétrico, quando este élançado em um canal solenoidal com campo magnético constante. Se esse feixe for denso e se propagar com uma velocidade muito menor que a da luz, sofrerá um forte efeito de repulsão Coulombiana, a qual competirá com a força magnética externa do canal solenoidal. Em um dado momento, entre o regime de transição do estado inicial para o estado final de relaxação, o feixe ejetará partículas do seu núcleo para a borda e, esse processo se intensificará à medida que o feixe se propaga no canal solenoidal. Analisaremos esse fenômeno de maneira detalhada, tanto para feixes com temperaturas quanto para feixes frios. Para isso, construiremos modelos numéricos e analíticos, onde ambos estabelecerão parâmetros que permitam otimizar o tempo de vida do feixe dentro do canal solenoidal até a primeira ejeção de partículas, [1], [2], [3], [4]. Com o intuito de entendermos a dinâmica do sistema como um todo, também estudaremos o estado estacionário do feixe. Para tanto, utilizaremos técnicas Lagrangeanas e quantidade conservadas, como a energia total, a fim de determinarmos a emitância do estado relaxado [5], [6]. / In this work, we will study the behavior of a charged particle beam, radially symmet- rical, when it is launched in a solenoidal channel with constant magnetic field. If the beam is dense and propagate with speed much slower than the light, it will undergo a strong effect of Coulomb repulsion, which compete with the strength of the external magnetic solenoidal channel. At a certain point, between the transition from initial state to the ultimate state of relaxation, the beam will eject particles from the core to its edge, and this process will intensify as the beam propagates in the channel solenoidal. We will analyze this phenomenon in detail either for cold beams as for beams with temperature. To do this, we will construct analytical and numerical models, which both provide parameters to optimize the lifetime of the beam inside the solenoidal channel until the first ejection of particles, [1], [2], [3], [4]. In order to understand the dynamics of the system as a whole, we will also study the relaxed state of the beam. For this purpose, we will use Lagrangian techniques and conserved quantities, as the total energy, with the purpose of determine the emittance of the relaxed state [5], [6].

The destabilization of plasma waves upon their interaction with fast ions is studied using a kinetic framework. The work consists of two parts: (I) a study of the applicability of quasilinear theory using a pertubative, early-time nonlinear evolution of a mode and its prediction with respect to chirping oscillations, and (II) the resonance-broadened quasilinear formulation of the evolution of unstable modes. In part I, we have developed predictive capabilities for the type of fast-ion-induced transport by means of a criterion for the likelihood of a mode to oscillate at a constant frequency or to evolve to a bifurcation consisting of nonlinear chirping oscillations. The proposed criterion is derived and evaluated using the linear codes NOVA and NOVA-K. The criterion was shown to be in agreement with experimentally observed modes in the tokamaks DIII-D and NSTX. The analysis reveals that micro-turbulence is a key mediator for suppressing chirping and therefore allowing quasilinear theory to be applicable. In part II, a system of resonance-broadened quasilinear equations (RBQ) was derived using action and angle variables, which takes advantage of system symmetries by using the invariants of the unperturbed motion as variables when accounting for the effects of perturbations due to modes. The equations capture information on mode structures and on resonances that are spread over phase space. We then expressed them in terms of NOVA code notation. The RBQ model is presented, along with the finite-difference scheme used for numerical integration. Numerical results and future developments are also described. / A desestabilização de ondas em plasmas quando de sua interação com íons rápidos é estudada utilizando a abordagem cinética. Este trabalho consiste em duas partes: (I) um estudo sobre a aplicabilidade da teoria quase-linear, utilizando a evolução não linear perturbada em seu estágio inicial de um modo e sua previsão com respeito às oscilações do tipo gorjeio (chirping), e (II) a formulação quase-linear de ressonâncias alargadas da evolução de modos instáveis. Na parte I, desenvolvemos capacidades preditivas em relação ao tipo de transporte in- duzido por íons rápidos por meio de um critério a respeito da probabilidade de um modo oscilar com uma frequência constante ou evoluir para uma bifurcação que consista de os- cilações de gorjeio não lineares. O critério proposto é derivado e calculado utilizando os códigos lineares NOVA e NOVA-K. Mostramos que o critério obtido concorda com modos observados experimentalmente nos tokamaks DIII-D e NSTX. A análise revela que a mi- croturbulência é um mediador-chave na supressão dos gorjeios e que, portanto, permite que a teoria quase-linear seja aplicável. Na parte II, um sistema de equações quase-lineares com ressonâncias alargadas (RBQ) foi derivado utilizando variáveis de ângulo e ação, tirando-se proveito das simetrias do sistema ao se tomar como variáveis os invariantes do movimento não perturbado quando consideramos os efeitos das perturbações aos modos. As equações capturam as informações sobre a estrutura dos modos e sobre as ressonâncias que se espalham sobre o espaço de fase. Expressamo-las, então, em termos da notação do código NOVA. O modelo RBQ é apresentado, juntamente com um esquema de diferenças finitas, utilizado para a integração numérica. Resultados numéricos e desenvolvimentos futuros também são descritos.

O trabalho apresentado aqui visou estudar a implantação de elementos em superfícies metálicas (particularmente cobre) de maneira controlada, investigando-se as alterações que tal implante causou na estrutura da superfície, objetivando uma possível melhoria no comportamento desses metais a serem utilizados como catodos em tochas de plasma ou para várias outras aplicações, tais como em catálise, micro eletrônica, oxidação e corrosão de metais e outros. Filmes finos de cobre policristalino foram implantados com íond (energia de 20KeV até 50KeV; doses da ordem de 10 15íons/cm2) de metais alcalinos (Li, Na, K, Rb e Cs) bem como de O e Cl. Foram realizadas diversas análises de superfície visando determinar as alterações ocorridas no cobre quando da implantação dos íons, tais como: composição de superfície (Auger Electron Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy), estrutura de superfícies em termos de topografia e do potencial de superfície (Kelvin Probe Force Microscopy), composição volumétrica X-ray Fluorescence, Rutherford Backscattering Spectroscopy e Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), concentração de oxigênio (Elastic non-Rutherford Backscattering Spectroscopy) e estrutura cristalina (X-ray Diffraction). Modelos teóricos foram utilizados para se obter uma compreensão melhor das alterações estruturais que ocorrem durante a implantação iônica em uma superfície metálica (Stopping and Range of Ions in Matter e Tight-Binding Linear Muffin-Tin Orbital Atomic Sphere Approximation (Coherent Potential Approximation)). As análises de composição superficial mostraram que as concentrações dos elementos C, N, Cl e S dos substratos de cobre não implantados e implantados foram similares e que a única alteração na composição superficial, causada pelo processo da implantação iônica, foi a introdução dos íons desejados nos filmes de cobre. Observou-se que mesmo as pequenas doses de íons podem causar uma grande diminuição da função de trabalho (2-30%) em relação ao cubro puro; já a implantação de O e Cl gerou um aumento na função de trabalho de 300mV e 900MV, respectivamente. As concentrações detectadas de íons implantados de metais alcalinos podem ser consideradas altas (tendo em vista as doses de implantação relativamente pequenas, da ordem de 10.15ions/cm2) diminuindo rápido na direção do bulk das amostras; esta distribuição se deve provavelmente a um processo de migração de íons na direção da superfície. Os resultados de EBS e KPFM indicam que uma maior dose não necessariamente gera uma concentração maior de íons implantados na primeira camada superficial. Observou-se também que somente uma parte da dose total dos íons é efetivamente implantada, devido ao processo de sputtering, que ocorre durante a implantação iônica. A implantação iônica de diferentes íons alcalinos influencia diferentemente os processos de oxidação das amostras. A principal influência no aumento da oxidação é a estrutura topográfica das amostras; porém, a presença de íons implantados nas superfícies das amostras parece influenciar as etapas iniciais de oxidação, aumentando ou diminuindo a absorção de oxigênio. Para o caso da implantação dos íons de O e Cl, a concentração desses íons parece aumentar com a profundidade até um certo nível, o que, por sua vez, indica que não houve um processo de migração durante a implantação. Isto se deve provavelmente ao fato de que estes íons criam ligações com os elementos de substrato. As alterações da função de trabalho de dois casos distintos de deposição de metais (Ag e Cs) sobre Cu (111), foi estudada com o programa TB-LMTO-ASA (CPA), utilizando-se, nas simulações, valores diferentes para o raio de Wigner-Seitz para esferas vazias (WSES); os resultados das alterações da função de trabalho durante a deposição foram aproximadamente 20% menores em comparação com os valores experimentais da literatura. O efeito de WSES, que é, em princípio, um artefato computacional, sobre o valor da função de trabalho do sistema é normalmente interpretado como uma não confiabilidade dos modelos baseados nos conceitos de ASA. Porém, os resultados obtidos durante este trabalho indicam a existência de uma relação entre WSES e a rigorosidade da superfície; portanto, o sentido físico de esferas vazias pode ser visto como uma medida da rugosidade superficial. / In this work, the controlled implantation of the different elements in the metallic surfaces (particularly copper) was performed, in order to study the changes that the implantation causes on the surface structure, aiming to improve the behaviour of those metals for their use as cathodes in plasma torches or other applications, such as: catalysis, microelectronics, oxidation and corrosion of metals and others. Thin polycrystalline copper films were implanted with ions (energy 20-50keV; doses of order of \'10 POT. 15\' ions/\'cm POT. 2\') of alkaline metals (\'LI\', \'NA\', \'K\', \'RB\', and \'CS\') as well as of \'O\' and \'CL\'. Different surface analyses were performed in order to determine the changes on copper due to the ion implantation, in terms of: surface composition (Auger Electron Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy), topographic and surface potential structure (Kelvin Probe Force Microscopy), bulk composition (X-ray Fluorescence, Rutherford Backscattering Spectroscopy e Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), oxygen concentration (Elastic non-Rutherford Backscattering Spectroscopy) and crystalline structure (X-ray Diffraction). Theoretical models were used to understand better the structural changes which occur on the metallic surface during the ion implantation process (Stopping and Range of Ions in Matter e Tight-Binding Linear Muffin-Tin Orbital Atomic Sphere Approximation (Coherent Potential Approximation)). The surface composition analyses of implanted and non-implanted copper substrates showed similar concentration of \'C\', \'N\', \'CL\' and \'S\' and that the only change in surface concentration, due to the ion implantation process, was the introduction of the desired ions in the surface of copper films. It was observed that even small ion doses can cause relatively large decrease of work function (2-30%) in relation to the pure copper value; the implantation of O and CL caused an increase in work function of 300m V and 900mV, respectively. The detected concentration of implanted alkali metal ions was relatively high (taking into consideration relatively small implantation doses, of the order of \'10 POT. 15\' ions/\'cm POT. 2\'), decreasing fast towards bulk of the samples; this distribution were probably caused by a migration process of implanted ions towards the surface. The EBS and KPFM results indicate that not always the largest dose produces the largest implanted ion concentration in the surface layer. It was also observed that only a part of the total ion dose is effectively implanted, due to the sputtering during the ion implantation process. Implantation of different alkali ions influences the sample oxidation process in a different way. The principal influence in the increase of oxidation is the topographic structure of the samples; however, the presence of the implanted ions on the samples surface seems to influence the initial stages of the oxidation, increasing or decreasing the oxygen adsorption. Of the cases of the O and CL implantation, the concentration of these ions seems to increase with depth, which indicates that there were no migration process involved. This is probably due to the fact that these ions create bonds with the substrate elements. The changes in the work function for two distinct cases of metal (AG and CS) deposition on CU (111) was studied with the computational programme TB-LMTO-ASA (CPA), using, in the simulations, different values for the Wigner-Seitz radius for Empty Spheres (\'WS IND. ES\'); the results on the work function changes during the deposition were approximately 20% lower in comparison with the experimental data from the literature. The effect of \'WS IND. ES\', which is, in principle, a computation artefact, on the work function value of the studied systems is normally interpreted as the non-reliability of the models based on the ASA concepts. However, the results obtained during this work indicate that there is a relation between the \'WS IND. ES\' and the surface roughness; therefore, physical meaning of the empty spheres can be understood as a \"measure\" of surface roughness.

Investigamos o efeito da rotação de equilíbrio nos fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) em tokamaks da secção circular. Estes modos, ZF e GAM, ocorrem em sistemas toroidais como uma resposta do plasma à curvatura geodésica das linhas de campo magnético e devido ao movimento de deriva do fluido ( plasma). Este movimento de deriva é causado pela resposta de partículas carregadas ao campo elétrico e magnético e, para ambas as espécies de cargas, isto é, íons positivo e elétrons, o movimento é na mesma direção. Ao fazer uso de basicamente três aproximações tokamaks de alta razão de aspecto, princípio de quase-neutralidade e baixos valores de (aproximação eletrostática) e ao perturbar as equações da magnetohidrodinâmica ideal até primeira ordem, constatamos que a rotação de equilíbrio, de fato, afeta a freqüência dos ZF e dos GAM. No equilíbrio com rotação toroidal, já investigado por W. Shaojie, os ZF se tornam instáveis e a freqüência dos GAM se altera com a rotação no caso de condutividade de calor finita; entretanto, quando a condutividade de calor tende a infinito, a rotação não influencia na freqüência dos ZF e GAM. Esta observação e os valores das freqüências dos ZF e GAM diferem da publicação original e portanto, se estivermos corretos, nosso trabalho poderá ajudar a resolver o problema dos ZF e dos GAM, que são questões ainda não completamente entendidas. A rotação causada por um campo eletrostático que surge devido à difusão ambipolar, ainda não investigada anteriormente, é descrita neste trabalho, Vimos que não há instabilidades neste caso, porém esse tipo de rotação também afeta a freqüência dos ZF e dos GAM. A freqüência dos ZF, que na ausência de rotação é nula, é proporcional à intensidade do fluxo de rotação. Interpretamos este resultado como uma conseqüência do efeito doppler. A freqüência dos GAM, por outro lado, se anula quando a rotação atinge um certo valor, que está relacionado com o fator de segurança e a razão do aspecto do tokamak. Considerando de ordem um fluxo de rotação, obtivemos altas freqüências, as quais não são aceitáveis em nosso modelo devido à aproximação de quase-neutralidade, de forma que nosso modelo é válido apenas para fluxos cuja ordem equivalem à razão de aspecto inversa. Entretanto, mesmo neste regime, a rotação tem grande impacto na freqüência dos ZF e dos GAM. Este é o principal resultado obtido. / We investigate the efect of equilibrium rotation on zonal flows (ZF) and geodesic acoustic modes (GAM) in tokamaks of circular cross section. These models, ZF and GAM, occur in toroidal systems as a response of the plasma to the geodesic curvature of the magnetic field lines and due to the drift motion of the fluid (plasma). This drift motions is caused by the response of charged particles to the electric and magnetic field and, for both species of charges, i. e., positive ions and negative electrons, the motion is in the same direction. By making use of basically three approximations, high aspect ratio tokamkas, the quasi-neutrality principle and low values (electrostatic approximation), and pertubing the ideal magnetohydrodynamics equations to first order, we find that the equilibrium rotation does affects the ZF and GAM frequencies. In the equilibrium toroidal rotation flow, which had already been studied by W. Shaojie, the ZF becomes unstable and the GAM frequency is changed by rotation for finity heat conductivity; but when the heat conductivity goes to infinity, the rotation has no influence on the ZF and GAM frequencies. This assertion and also the ZF and GAM frequencies values differ from the original publication and therefore, if we are correct, our work may help to solve the ZF and GAM problem, which is not yet a completely understood subject. The rotation caused by an equilibrium electrostatic field created by ambipolar diffusion, which has not been dealt is also investigate. We find no instability in this case, but the rotation also affects the ZF and GAM frequencies. The ZF frequency, which is usually null, becomes proportional to the equilibrium rotation flow. We interptret this result as a consequency of the doppler effect. The GAM frequency, on the other hand, becomes zero when the rotation reaches a certain value, which is related to the safety factor and the aspect ratio of the tokamak. Consideration of equilibrium flows scaling to order one leads to high frequencies, which is not accepted by contrasting the quasi-neutrality approximation and so, our model is valid only for small equilibrium electric field that scale to the inverse aspect ratio. But even in this regime, we find that the rotation has great impact on the ZF and GAM frequencies, which is the main result we obtain.

Neste trabalho analisamos a propagaçãode ondas eletro magnéticas não lineares em plasmas constituídos por três espécies de partículas, considerando dois casos distintos. No primeiro estudamos a propagação de ondas eletrostá ticas íon-acústicas em plasmas compostos por elétrons, íons nega tivos e íons positivos,indicando que,para certo valor crítico da concentração dos íons negativos,a usual aproximação de íons frios pode não ser boa. No segundo caso investigamos os processos de modulação não linear de ondas eletromagnéticas transversais em plasmas constituídos por elétrons, pósitrons e íons. Neste contexto várias situações são abordadas: modulação oblíqua ao vetor da onda portadora com geração de campos magnéticos quase estáticos, modu lação na vizinhança de pontos críticos, efeitos decorrentes da inclusão de fortes campos magnéticos e efeitos cinéticos associa dos à temperatura do plasma. / In this work we analyse nonlinear eletromagnetic wave propagation in plasmas made up by three types of particles, considering two distinct cases. In the first one we study the propagation of electrostatic ion-acoustic waves in plasmas made up by electrons, positive ions and negative íons, indicating that for certain critical values of negative ion concentration the usual approximation of cold ion fluid may not be good. For the second case we investigate the modulational processes of transversally polarized electromagnetic waves in plasmas made up by electrons, positrons and ions. Within this context various situations are treated: modulations oblique with respect to the direction of the high frequency wave vector, low-frequency magnetic field generation,modulations in the neighborhood of critical points, effects derived from the inclusion of stronq magnetic fields and kinetic effects associated with plasma temperatures.

Uma análise da estabilidade não-linear de feixes com seção transversal circular considerando perturbações sem simetria axial é executada. Mostra-se que as oscilações simétricas oficialmente circulares de um feixe podem induzir oscilações não-lineares do tipo anti-simétrica(elípticas), com um conseqüente aumento do tamanho do feixe ao logo de uma direção preferencial. O mecanismo da instabilidade e sua relevância às perdas de partícula no feixe são discutidos.

Neste trabalho estudaremos o comportamento de um feixe de partículas carregadas, radialmente simétrico, quando este élançado em um canal solenoidal com campo magnético constante. Se esse feixe for denso e se propagar com uma velocidade muito menor que a da luz, sofrerá um forte efeito de repulsão Coulombiana, a qual competirá com a força magnética externa do canal solenoidal. Em um dado momento, entre o regime de transição do estado inicial para o estado final de relaxação, o feixe ejetará partículas do seu núcleo para a borda e, esse processo se intensificará à medida que o feixe se propaga no canal solenoidal. Analisaremos esse fenômeno de maneira detalhada, tanto para feixes com temperaturas quanto para feixes frios. Para isso, construiremos modelos numéricos e analíticos, onde ambos estabelecerão parâmetros que permitam otimizar o tempo de vida do feixe dentro do canal solenoidal até a primeira ejeção de partículas, [1], [2], [3], [4]. Com o intuito de entendermos a dinâmica do sistema como um todo, também estudaremos o estado estacionário do feixe. Para tanto, utilizaremos técnicas Lagrangeanas e quantidade conservadas, como a energia total, a fim de determinarmos a emitância do estado relaxado [5], [6]. / In this work, we will study the behavior of a charged particle beam, radially symmet- rical, when it is launched in a solenoidal channel with constant magnetic field. If the beam is dense and propagate with speed much slower than the light, it will undergo a strong effect of Coulomb repulsion, which compete with the strength of the external magnetic solenoidal channel. At a certain point, between the transition from initial state to the ultimate state of relaxation, the beam will eject particles from the core to its edge, and this process will intensify as the beam propagates in the channel solenoidal. We will analyze this phenomenon in detail either for cold beams as for beams with temperature. To do this, we will construct analytical and numerical models, which both provide parameters to optimize the lifetime of the beam inside the solenoidal channel until the first ejection of particles, [1], [2], [3], [4]. In order to understand the dynamics of the system as a whole, we will also study the relaxed state of the beam. For this purpose, we will use Lagrangian techniques and conserved quantities, as the total energy, with the purpose of determine the emittance of the relaxed state [5], [6].

Estudamos a estabilidade de um feixe relativístico continuo e intenso de partículas carregadas que se propaga no interior de um tubo condutor cilíndrico. As equações de movimento para o centróide e o envelope de um feixe, cujo eixo de propagação esta levemente desalinhado com relação ao eixo do tubo condutor, são obtidas e utilizadas na determinação das condições de equilíbrio e estabilidade para o transporte do feixe. Nosso estudo mostra que, dependendo dos parâmetros principais que definem o sistema, a propagação do feixe ao longo do eixo de simetria do tubo pode se tornar instável devido à presença da parede condutora, o que define um limite fundamental na fração de área efetiva que um feixe em equilíbrio pode ocupar dentro do tubo. / We study the stability of a continuous and intense relativistic beam of charged particles that propagates inside a cylindrical conducting pipe. The equations of motion for the centroid and the envelope of a beam, whose axis of propagation is slightly misaligned with the axis of the transport channel, are obtained and used in determining the conditions of equilibrium and stability for the transport of the beam. Our study shows that, depending on main parameters that define the system, the transport of the beam along the axis of symmetry of the pipe may become unstable due to the presence of the conducting wall. This defines a fundamental limit on the fraction of the effective area that an stable beam can occupy inside the pipe.

Neste trabalho são apresentados o projeto, construção, caraterização e utilização de um dispositivo de produção de plasmas por absorção de ondas eletromagnéticas, na frequência ciclotrônica dos elétrons - ECR (\"electron-cyclotron resonance\"), Os fundamentos teóricos dos processos físicos relevantes, tanto com relação a absorção das ondas eletromagnéticas como quanto ao diagnóstico do plasma, são discutidos de forma a permitir uma apresentação completa do tema, A construção e a utilização do dispositivo, para crescimento de filmes semicondutores de interesse sobre substratos de silício, são descritos em detalhe. No caso de filmes de nitreto de boro cúbico, as experiências não tiveram êxito devido a impossibilidade de conseguir a fonte de boro prevista no projeto, decaborana, Já no caso de nitreto de alumínio hexagonal, foi possível demonstrar, pela primeira vez diretamente em dispositivos ECR, o crescimento de grãos policristalinos, A configuração magnética e os parâmetros de plasma apropriados para crescimento de nitreto de alumínio foram devidamente determinados. / The design, construction, and characterization of an electron-cyclotron-resonance (ECR) plasma device, as well as its utilization for deposition of thin semiconductor films, is described in detail. The basic theory of the relevant physical process, regarding electromagnetic wave absorption by the plasma and diagnostic, is discussed in order to provide a self-contained presentation of the subject. The growth of cubic boron nitrite and hexagonal aluminium nitrite over silicon substrates was pursued. In the first case, the experimental procedure was hindered by the impossibility to import decaborane, which was envisaged in the original project as the source of boron. The attempts to other sources were unsuccessful. In the latter case, a successful growth of polycristalins aluminium nitride was achieved, for the first time directly in a ECR plasma), to the best of our knowledge. The magnetic configuration and plasma parameters required for successful crystal growth were determined.

Aborda el problema de la erosión y sedimentación de la bahía Ferrol, para lo cual se realiza la modelación numérica de la variación de línea de costa en la bahía Ferrol mediante el desarrollo de un modelo matemático basado en la ecuación de Pelnard - Considere (1956). El modelo numérico de variación de línea de costa es desarrollado en lenguaje de programación fortran, bajo un esquema progresivo en el tiempo y centrado en el espacio y funciona en base a los resultados de olas provenientes del modelo DELFT3D-Wave. Para determinar las capacidades del modelo, se evalúan tres casos teóricos que presentan una evolución conocida del perfil costero, con solución analítica, que nos va a permitir evaluar el grado de precisión del modelo desarrollado. / Tesis