Vlasov's equation describes the time evolution of the distribution function for a collisionless physical system of identical particles, such as plasma or galaxies. Together with Poisson's equation, which yields the potential, it forms the Vlasov-Poisson system. In Euclidean space this system has been extensively studied in the past century. It has been recently shown that the Valsov-Poisson system exhibits an interesting, counter-intuitive phenomenon called Landau damping. Our universe, however, may not be at on a large scale, so it is important to introduce and study a natural extension of the Vlasov-Poisson systems to spaces of constant curvature. Our starting point is the unit sphere S2, but we further restrict our study to one of its great circles. We show that, even for this reduced model, the potential function has more singularities than in the classical case. Our main result is to derive a Penrose stability criterion for the linear Landau damping phenomenon. / Graduate / 0405 / shengyis@uvic.ca

Orientador: Pedro Fernandes Tavares / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-08T03:19:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Abreu_NataliaPradode_D.pdf: 5325698 bytes, checksum: b2120bdd02b9ec07d7563695665add5e (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Esta tese investiga a dinâmica longitudinal não-linear do feixe de elétrons de alta intensidade circulante no anel de armazenamento do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). Em particular, analisamos os efeitos sobre os modos de oscilação coerentes instáveis e sobre as características de equilíbrio dos pacotes de elétrons decorrentes da manipulação da distribuição de densidade eletrônica no espaço de fase longitudinal, realizada por meio de dois mecanismos distintos: a modulação em fase dos campos estacionários aceleradores e o uso de cavidades harmônicas. Determinamos a viabilidade do uso de cada uma das técnicas estudadas visando melhorar as propriedades do feixe dadas as características específicas e parâmetros do anel de armazenamento Brasileiro. Observamos que a modulação em fase é um método capaz de amortecer modos de oscilação de pacotes acoplados (coupled bunch modes) do feixe de elétrons e apresentamos evidências teóricas e experimentais de que o mecanismo físico responsável por este amortecimento é o aumento da dispersão das frequências de oscilação incoerente dos elétrons dentro dos pacotes, efeito chamado de amortecimento Landau. Observamos também um aumento no tempo de vida do feixe de elétrons devido µa diluição da densidade eletrônica, o que diminui a probabilidade de espalhamento elétron-elétron dentro dos pacotes, reduzindo assim a contribuição Touschek para a taxa de perda de elétrons. Atualmente a modulação em fase é utilizada rotineiramente em turno de usuários no anel de armazenamento do LNLS. Uma análise teórica assim como simulações da ação de cavidades harmônicas passivas no anel do LNLS mostram que efeitos semelhantes são observados, no que se refere µa estabilização de oscilações do feixe e ao aumento do tempo de vida, através dos mesmos mecanismos físicos presentes ao modularmos a fase dos campos de radiofrequência (RF). Há no entanto diferenças importantes nas características dos dois métodos: apesar da efficiência de operação dessas cavidades depender fortemente da corrente total armazenada, a distribuição natural de energias do feixe de elétron não é modificada, diferentemente do que ocorre quando usamos a modulação em fase; o aumento do tempo de vida em ambos os casos é muito parecido (da ordem de 30%) mas a cavidade harmônica, para determinados parâmetros de operação do anel de armazenamento, poder tornar o amortecimento de modos de oscilação de pacotes acoplados 16 vezes maior, enquanto que a modulação em fase aumenta o amortecimento por um fator 1.5 / Abstract: This work investigates the nonlinear longitudinal dynamics of an intense electron beam at the Brazilian Synchrotron Light Source (LNLS electron storage ring). Our main interest lies in the effects of the longitudinal electron density manipulation (by means of RF phase modulation or through the use of harmonic cavities) on the beam Touschek lifetime, coupled bunch instabilities and the steady state characteristics of the circulating bunches. We also determine the viability of each technique and optimize their results given the specific needs and parameters of the Brazilian storage ring. We show that phase modulation is efficient in damping coupled bunch instabilities of the circulating electron beam and present theoretical and experimental evidences that an increased spread of the electrons incoherent frequency inside the bunches is the physical mechanism responsible for this damping, also called Landau damping. We show, as well, an increase in the overall beam lifetime due to the dilution of the particle density inside the bunches, which decreases the probability of electron-electron scattering thus reducing the Touschek contribution to the electron loss rate. Since 2004, phase modulation has been used routinely during users shifts at the LNLS storage ring. The effects of the presence a set of passive harmonic cavities were studied theoretically and using a simulation program. Similar effects, related to the damping of instabilities and increasing in lifetime, are also obtained when using passive harmonic cavities by the same physical mechanisms observed when using phase modulation. There are, however, some important differences between the two methods (harmonics cavities and phase modulation): even though the optimum conditions for operation of these cavities varies strongly with the stored current, this devices does not modify the natural energy distribution of the electron beam as observed when using phase modulation. Also, the increase in lifetime using both methods is similar (around 30%), but harmonics cavities can enhance the damping of coupled bunch modes by a factor of 16 while phase modulation provides an increase in damping by a factor 1.5 / Doutorado / Física Geral / Doutor em Ciências

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第17913号 / エネ博第285号 / 新制||エネ||59(附属図書館) / 30733 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 岸本 泰明, 教授 中村 祐司, 教授 前川 孝 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

Various properties of linear infinite-dimensional Hamiltonian systems are studied. The structural stability of the Vlasov-Poisson equation linearized around a homogeneous stable equilibrium [mathematical symbol] is investigated in a Banach space setting. It is found that when perturbations of [mathematical symbols] are allowed to live in the space [mathematical symbols], every equilibrium is structurally unstable. When perturbations are restricted to area preserving rearrangements of [mathematical symbol], structural stability exists if and only if there is negative signature in the continuous spectrum. This analogizes Krein's theorem for linear finite-dimensional Hamiltonian systems. The techniques used to prove this theorem are applied to other aspects of the linearized Vlasov-Poisson equation, in particular the energy of discrete modes which are embedded within the continuous spectrum. In the second part, an integral transformation that exactly diagonalizes the Caldeira-Leggett model is presented. The resulting form of the Hamiltonian, derived using canonical transformations, is shown to be identical to that of the linearized Vlasov-Poisson equation. The damping mechanism in the Caldeira-Leggett model is identified with the Landau damping of a plasma. The correspondence between the two systems suggests the presence of an echo effect in the Caldeira-Leggett model. Generalizations of the Caldeira-Leggett model with negative energy are studied and interpreted in the context of Krein's theorem. / text

Devido à sua importância em turbulência causada por ondas de deriva e à aplicação com propósitos em diagnósticos de plasma, a investigação de fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) tem atraído bastante atenção na literatura em física de plasmas. Nesta tese, primeiramente consideramos efeitos de equilíbrio com rotação poloidal e toroidal nestes modos, posteriormente investigamos efeitos diamagnéticos em GAM a partir de um modelo de dois fluido, no qual incluímos viscosidade paralela de íons e, na parte final, consideramos amortecimento de Landau e efeitos diamagnéticos simultaneamente no estudo de GAM, porém, a partir do modelo girocinético. Efeitos diamagnéticos são causados por termos que envolvem gradientes de densidade e de temperatura provenientes da função Maxwelliana de equilíbrio. O acoplamento entre os harmônicos poloidais, $m = \\pm1$, e as derivadas radiais de quantidades macroscópicas do plasma é responsável pelo aumento no valor da frequência no GAM de alta frequência e pela instabilidade no GAM de baixa frequência. Este tipo de instabilidade, que é proporcional à frequência diamagnética de elétrons e à razão entre os gradientes de temperatura e de densidade, é mais propenso a ocorrer em posições radiais em que o fator segurança é alto. Modos geodésicos são fracamente amortecidos devido a um mecânismo não colisional conhecido por amortecimento de Landau, o qual é causado pela interação entre a onda eletrostática e partículas carregadas, íons no caso, e a taxa de amortecimento é maior próximo ao centro da coluna de plasma, onde o fator de segurança assume valores mais baixos. O equilíbrio MHD com rotação foi investigado em três regimes com relação às superfícies magnéticas: isotérmico, adiabático e isométrico. Foi observado que o gradiente de temperatura possui sentido oposto em relação à velocidade de rotação poloidal apenas no regime isométrico. Ao considerar equilíbrio com rotação e superfícies magnéticas isotérmicas e incluir fluxo de calor na equação da energia, observamos que ZF apresentam frequência não-nula, a qual é proporcional à velocidade de rotação poloidal e inversamente proporcional ao fator de segurança. Como direções futuras ressaltamos que é importante considerar efeitos eletromagnéticos, estudar automodos geodésicos e incluir o efeito de partículas aprisionadas para o desenvolvimento da física de ZF e GAM. Tal desenvolvimento beneficiará tanto a área de transporte em tokamaks como a área de diagnósticos, na qual a obtenção do perfil radial da temperatura de íons e do fator de segurança é um dos objetivos. Nesta área, um novo tipo de diagnóstico conhecido como espectroscopia em modos acústicos geodésicos está sendo desenvolvido baseado no estudo de automodos. / Due to the important role in drift wave turbulence and applications for plasma diagnostic purposes, the investigation of zonal flows (ZF) and associated geodesic acoustic modes (GAM) has arisen much attention in the plasma physics literature. In this thesis, first we consider equilibrium poloidal and toroidal rotation effects on these modes using the ideal MHD model, then we investigate diamagnetic effects on GAM using a two fluid model that includes parallel ion viscosity, and, in the final step, we include both Landau damping and diamagnetic effects on the study of GAM within the framework of the gyrokinetic model. By diamagnetic effects we mean the density and temperature radial gradients terms coming from the equilibrium Maxwellian distribution function. The effects caused by the coupling between the $m = \\pm1$ poloidal harmonics and the radial derivatives of equilibrium macroscopic quantities are responsible for an increase in the frequency value of the high frequency GAM and for an instability in the low frequency GAM. This instability, which is proportional to the electron drift frequency and the ratio between ion temperature and density gradients, are more likely to occur in radial positions where the safety factor is high. We observe that geodesic modes are slowly damped by a collisionlees mechanism known as Landau damping which is caused by the wave particle interaction between the eletrostatic potential and the íons. This damping is enhanced near the center of the plasma column, where the safety factor has lower values. Equilibrium MHD with plasma rotation were investigated in three regimes regarding the magnetic surfaces: isotherm, adiabatic and isometric. It is found that the temperature gradient has opposite directions compared to the poloidal rotation only for the isometric regime. By considering equilibrium rotation with isotherm magnetic surfaces and including heat flux we observed that ZF has a non-zero frequency which is proportional to the poloidal velocity and the inverse of the safety factor. For future directions we point out that electromagnetic effects, geodesic eigenmodes and trapped particles physics should be important for the development of the ZF and GAM physics, either in the area of anomalous transport caused by drift wave turbulence or for diagnostic purposes for obtaining the radial profile of the ion temperature and the safety factor. In this area, a new kind of diagnostic known as geodesic acoustic mode spectroscopy is being developing based on the study of eigenmodes.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:15:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarlenePSF_DISSERT.pdf: 1687677 bytes, checksum: 1148ebf1be9615049fa1952b3098a785 (MD5) Previous issue date: 2013-10-18 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / The aim of this work is to derive theWard Identity for the low energy effective theory of a fermionic system in the presence of a hyperbolic Fermi surface coupled with a U(1) gauge field in 2+1 dimensions. These identities are important because they establish requirements for the theory to be gauge invariant. We will see that the identity associated Ward Identity (WI) of the model is not preserved at 1-loop order. This feature signalizes the presence of a quantum anomaly. In other words, a classical symmetry is broken dynamically by quantum fluctuations. Furthermore, we are considering that the system is close to a Quantum Phase Transitions and in vicinity of a Quantum Critical Point the fermionic excitations near the Fermi surface, decay through a Landau damping mechanism. All this ingredients need to be take explicitly to account and this leads us to calculate the vertex corrections as well as self energies effects, which in this way lead to one particle propagators which have a non-trivial frequency dependence / Nesse trabalho derivamos e checamos a Identidade de Ward (IW) para uma teoria efetiva de baixas energias de um sistema fermi?nico acoplado a um campo de gauge U(1), em 2+1 dimens?es, na presen?a de uma superf?cie de Fermi parab?lica. As identitades deWard s?o muito importantes pois, estabelecem requisitos para que a teoria efetiva seja invariante de gauge. Veremos que a IW n?o ? preservada em ordem de 1-loop. Isto caracteriza a presen?a de uma an?malia qu?ntica. Assim, uma simetria cl?ssica ? destruida dinamicamente por flutua??es qu?nticas. O nosso sistema f?sico se encontra na vizinhan?a de um Ponto Cr?tico Qu?ntico. Portanto, as excita??es fermi?nicas, que se situam pr?ximo a superf?cie de Fermi, decaem com o tempo, produzindo assim um amortecimento de Landau. Todos esses ingredientes de um regime de forte acoplamento devem ser levados em conta. E em fun??o disso calcularemos as corre??es de v?rtice e os efeitos das auto-energias, que dessa forma fazem com que os propagadores de uma part?cula da teoria dependam da frequ?ncia de uma forma n?o-trivial

Devido à sua importância em turbulência causada por ondas de deriva e à aplicação com propósitos em diagnósticos de plasma, a investigação de fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) tem atraído bastante atenção na literatura em física de plasmas. Nesta tese, primeiramente consideramos efeitos de equilíbrio com rotação poloidal e toroidal nestes modos, posteriormente investigamos efeitos diamagnéticos em GAM a partir de um modelo de dois fluido, no qual incluímos viscosidade paralela de íons e, na parte final, consideramos amortecimento de Landau e efeitos diamagnéticos simultaneamente no estudo de GAM, porém, a partir do modelo girocinético. Efeitos diamagnéticos são causados por termos que envolvem gradientes de densidade e de temperatura provenientes da função Maxwelliana de equilíbrio. O acoplamento entre os harmônicos poloidais, $m = \\pm1$, e as derivadas radiais de quantidades macroscópicas do plasma é responsável pelo aumento no valor da frequência no GAM de alta frequência e pela instabilidade no GAM de baixa frequência. Este tipo de instabilidade, que é proporcional à frequência diamagnética de elétrons e à razão entre os gradientes de temperatura e de densidade, é mais propenso a ocorrer em posições radiais em que o fator segurança é alto. Modos geodésicos são fracamente amortecidos devido a um mecânismo não colisional conhecido por amortecimento de Landau, o qual é causado pela interação entre a onda eletrostática e partículas carregadas, íons no caso, e a taxa de amortecimento é maior próximo ao centro da coluna de plasma, onde o fator de segurança assume valores mais baixos. O equilíbrio MHD com rotação foi investigado em três regimes com relação às superfícies magnéticas: isotérmico, adiabático e isométrico. Foi observado que o gradiente de temperatura possui sentido oposto em relação à velocidade de rotação poloidal apenas no regime isométrico. Ao considerar equilíbrio com rotação e superfícies magnéticas isotérmicas e incluir fluxo de calor na equação da energia, observamos que ZF apresentam frequência não-nula, a qual é proporcional à velocidade de rotação poloidal e inversamente proporcional ao fator de segurança. Como direções futuras ressaltamos que é importante considerar efeitos eletromagnéticos, estudar automodos geodésicos e incluir o efeito de partículas aprisionadas para o desenvolvimento da física de ZF e GAM. Tal desenvolvimento beneficiará tanto a área de transporte em tokamaks como a área de diagnósticos, na qual a obtenção do perfil radial da temperatura de íons e do fator de segurança é um dos objetivos. Nesta área, um novo tipo de diagnóstico conhecido como espectroscopia em modos acústicos geodésicos está sendo desenvolvido baseado no estudo de automodos. / Due to the important role in drift wave turbulence and applications for plasma diagnostic purposes, the investigation of zonal flows (ZF) and associated geodesic acoustic modes (GAM) has arisen much attention in the plasma physics literature. In this thesis, first we consider equilibrium poloidal and toroidal rotation effects on these modes using the ideal MHD model, then we investigate diamagnetic effects on GAM using a two fluid model that includes parallel ion viscosity, and, in the final step, we include both Landau damping and diamagnetic effects on the study of GAM within the framework of the gyrokinetic model. By diamagnetic effects we mean the density and temperature radial gradients terms coming from the equilibrium Maxwellian distribution function. The effects caused by the coupling between the $m = \\pm1$ poloidal harmonics and the radial derivatives of equilibrium macroscopic quantities are responsible for an increase in the frequency value of the high frequency GAM and for an instability in the low frequency GAM. This instability, which is proportional to the electron drift frequency and the ratio between ion temperature and density gradients, are more likely to occur in radial positions where the safety factor is high. We observe that geodesic modes are slowly damped by a collisionlees mechanism known as Landau damping which is caused by the wave particle interaction between the eletrostatic potential and the íons. This damping is enhanced near the center of the plasma column, where the safety factor has lower values. Equilibrium MHD with plasma rotation were investigated in three regimes regarding the magnetic surfaces: isotherm, adiabatic and isometric. It is found that the temperature gradient has opposite directions compared to the poloidal rotation only for the isometric regime. By considering equilibrium rotation with isotherm magnetic surfaces and including heat flux we observed that ZF has a non-zero frequency which is proportional to the poloidal velocity and the inverse of the safety factor. For future directions we point out that electromagnetic effects, geodesic eigenmodes and trapped particles physics should be important for the development of the ZF and GAM physics, either in the area of anomalous transport caused by drift wave turbulence or for diagnostic purposes for obtaining the radial profile of the ion temperature and the safety factor. In this area, a new kind of diagnostic known as geodesic acoustic mode spectroscopy is being developing based on the study of eigenmodes.

Cette thèse présente deux modèles étudiant l'interaction de lasers intenses (éclairements de 10^11 à 10^17 W/cm^2) avec des agrégats de grande taille (100 atomes à plusieurs milliers).<br /> <br />Premièrement nous proposons d'ajouter un terme d'amortissement avec la surface au modèle nanoplasma original de T.Ditmire et al. (1996). Nous comparons diverses observables expérimentales (xénon) et étudions l'évolution des états de charge avec la taille ou l'éclairement.<br /> <br />Deuxièmement nous proposons un modèle microscopique de dynamique moléculaire à trois dimensions robuste en l'absence d'excitation. L'émission électronique à 10^11 W/cm^2 (sodium) se compare à celle obtenue par d'autres modèles tels que le modèle VUU-LDA. Les électrons de coeur sont émis à partir de 5 10^15 W/cm^2. Les événements rares sont accessibles et nous montrons que l'explosion ionique de type coulombien est autosimilaire (10^16 W/cm^2). Enfin, l'émission électronique (gaz rare) est comparée avec le modèle nanoplasma.

Cette thèse porte sur le comportement en temps long de solutions d’équations de type Vlasov, principalement le modèle Vlasov-HMF. On s’intéresse en particulier au phénomène d’amortissement Landau, prouvé mathématiquement dans divers cadres, pour plusieurs équations de type Vlasov, comme l’équation de Vlasov-Poisson ou le modèle Vlasov-HMF, et présentant certaines analogies avec le phénomène d’amortissement non visqueux pour l’équation d’Euler 2D. Les résultats qui y sont décrits sont les suivants. Le premier est un théorème d’amortissement Landau pour des solutions numériques du modèle Vlasov-HMF, obtenues par discrétisation en temps de ce dernier via des méthodes de splitting. Nous prouvons en outre la convergence des schémas numériques. Le second est un théorème d’amortissment Landau pour des solutions du modéle Vlasov-HMF linéarisé autour d’états stationnaires inhomogènes. Ce théorème est accompagné de nombreuses simulations numériques destinées à étudier numériquement le cas non-linéaire, et semblant mettre en lumière de nouveaux phénomènes. Enfin, le dernier résultat porte sur la discrétisation en temps de l’équation d’Euler 2D par un intégrateur de Crouch-Grossman symplectique. Nous prouvons la convergence du schéma. / This thesis concerns the long time behavior of certain Vlasov equations, mainly the Vlasov- HMF model. We are in particular interested in the celebrated phenomenon of Landau damp- ing, proved mathematically in various frameworks, foar several Vlasov equations, such as the Vlasov-Poisson equation or the Vlasov-HMF model, and exhibiting certain analogies with the inviscid damping phenomenon for the 2D Euler equation. The results described in the document are the following.The first one is a Landau damping theorem for numerical solutions of the Vlasov-HMF model, constructed by means of time-discretizations by splitting methods. We prove more- over the convergence of the schemes. The second result is a Landau damping theorem for solutions of the Vlasov-HMF model linearized around inhomogeneous stationary states. We provide moreover a quite large amount of numerical simulations, which are designed to study numerically the nonlinear case, and which seem to show new phenomenons. The last result is the convergence of a scheme that discretizes in time the 2D Euler equation by means of a symplectic Crouch-Grossmann integrator.