Orientador: Paulo Hiroshi Sakanaka / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-14T03:09:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Assis_AndreK.T.(AndreKochTorres)_D.pdf: 2059150 bytes, checksum: 0bce51aa060ec83bd3739d5d3ffbbe94 (MD5) Previous issue date: 1987 / Resumo: O objetivo da tese é aplicar a teoria de plasmas mornos, [1, 2], ao problema de Trivelpiece e Gould, [3, 4], sendo que agora, além de se incluir a temperatura eletrônica, não vai se restringir ao estudo ao caso de ondas lentas. Se estuda então a propagação de uma onda eletromagnética em um guia de onda preenchida por um plasma morno e onde se considera também a presença de um campo magnético externo e constante aplicado ao longo do eixo da guia. A guia de onda que limita o plasma é considerada como sendo um condutor perfeito de seção reta circular. Além das equações gerais para o plasma e para a onda eletromagnéticas são apresentadas as condições de contorno adequadas. [2, 5]. É obtido o tensor dielétrico para o plasma morno, que deixa de ser uma matriz comum como no caso de plasmas frios e fica agora formalmente como um operador, sendo então uma matriz cujos elementos são derivadas especiais que vão atuar nas componentes do campo elétrico. Com a aplicação das condições de contorno são obtidas as relações de dispersão em várias situações distintas que incluem: 1- plasma preenchendo completamente a guia e plasma preenchendo parcialmente a guia (caso em que há vácuo entre o plasma e a guia). 2- temperatura nula (plasma frio) ou temperatura finita qualquer. 3- campo magnético externo nulo, ou de intensidade tendendo a infinito ou de valor finito qualquer. 4- plasma limitado ou plasma ilimitado (limite em que w/k << c). Além disto as relações que dispersão incluem os casos em que a apresentação não apresenta simetria azimutal. No caso de campo magnético infinito são obtidos os modos de propagação transverso elétrico (TE) e transverso magnético (TM). Quando o campo magnético é finito e não nulo, se obtém a rotação de Faraday e além disto se mostra que as ondas não mais podem ser separadas em ondas TE e TM, e que apenas os modos híbridos podem se propagar (no caso em que a perturbação é sem simetria azimutal) / Abstract: The aim of this thesis is to apply the warm plasma theory, [1,2], to the Trivelpiece and Gould problem, [3,4], but now, besides the inclusion of the electron temperature, the study will not be restricted to the slow wave cases. The propagation of an electromagnetic wave i a warm plasma-filled waveguide is studied and the presence of constant external magnetic field applied along the guide axis is also considered. The waveguide that limits the plasma is considered to be a perfect conductor of circular cross-section. Besides the plasma and electromagnetic wave equations, the suitable boundary conditions, [2,5], are presented. The warm plasma dielectric tensor is obtained, which is not the usual matrix as in the cold plasma case but it is an operator. This operator is a matrix whose elements are spatial derivatives that will operate on the electric field components. With the applications of the boundary conditions the dispersion relations are obtained in several distinct situations that include: 1- plasma filling completely the guide and plasma partially filling the guide (case in which there is vacuum between the plasma and the guide). 2- null temperature (could plasma) and any finite temperature. 3-null external magnetic field, or with intensity tending to infinite or of finite value. 4- bonded or unbonded plasma (guide radius tending to infinite). 5- fast waves and slow waves (limit in which w/k << c). Moreover the dispersion relations obtained include the cases in which the perturbations is not azimuthally symmetric. In the case of infinite magnetic field the transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) modes of propagation are obtained. When the magnetic field is finite and not null, the Faraday rotation is obtained and it is shown that the waves can not be separated into TE and TM, and that only hybrid modes can propagates (in the case in which the perturbation has no azimuthal symmetry) / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

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Orientador: Steven Frederick Durrant / Banca: José Humberto Dias da Silva / Banca: José Roberto Ribeiro Bortoleto / Banca: Johnny Vilcarromero Lopez / Banca: Adriana de Oliveira Delgado Silva / Resumo: O politetrafluoretileno (PTFE) e a poliamida 6 (PA 6) são polímeros que têm excelentes qualidades mecânicas, elétricas e químicas. Por isto, são utilizados em diversos componentes de equipamentos mecânicos e elétricos entre várias outras aplicações. Entretanto o PTFE possui um ângulo de contato com a água (WCA) de cerca de 120º e a PA 6 um WCA de cerca de 60º. Isto, especialmente no caso do PTFE, diminui a sua adesividade com outros materiais. Para resolver este problema várias técnicas têm sido sugeridas, como, por exemplo, tratamentos químicos e tratamento a plasma. Entre elas o tratamento a plasma, que tem a vantagem de produzir modificações apenas na superfície, não alterando o interior do material. O objetivo deste trabalho é estudar como o WCA varia em função dos parâmetros do tratamento a plasma de nitrogênio, a pressão do gás (p), a potência (P) e o tempo de tratamento (t). O nitrogênio foi escolhido por ser um gás cujo plasma, segundo a literatura, causa reduções significativas no ângulo de contato da superfície de polímeros. Várias séries de tratamento foram conduzidas, tanto para o PTFE quanto para a PA 6. Foram obtidas reduções significativas no WCA, ocorrendo o resultado notável de WCA = 0º para p = 2,6 Pa, P = 300 W e t = 30 min, tanto para o PTFE quanto para a PA 6. Em função dos resultados, dentro do intervalo de parâmetros utilizado, concluiu-se que, de uma forma geral, o WCA diminui com a potência e com o tempo de tratamento, e que o WCA tem um comportamento... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyamide 6 (PA 6) are polymers that have excellent mechanical, electrical and chemical properties. Therefore, they are used in diverse mechanical and electrical equipment components among many other applications. However, PTFE has a water contact angle (WCA) about of 120º and PA 6 has a WCA about of 60º. This, especially for PTFE, decreases their adhesiveness with other materials. To solve this problem, many techniques have been proposed, such as chemical and plasma treatments. Among them the plasma treatment has the advantage of producing modifications on the surface only, altering the bulk. The objective of this work is to study how the WCA varies as a function of the nitrogen plasma treatment parameters, the gas pressure (p), the applied power (P) and the treatment time (t). Nitrogen plasmas were used in this study since, according the literature, such plasmas significantly reduce the surface contact angle of polymers. Several series of treatment were conducted, for PTFE as for PA 6. Significant reductions in WCA were obtained, including a WCA of 0º notable for p = 2.6 Pa, P = 300 W and t = 30 min, for PTFE as for PA 6. Thus, from the results, within the range of the parameters studied, it was concluded that, in general, the WCA diminishes as the power and as the treatment time increases, and that the WCA has a notable behavior as a function of the gas pressure, initially decreasing to reach a minimum (optimum) value of 0 º for p = 2.6 P... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Neste trabalho investigamos a propagação auto-consistente de pulsos eletromagnéticos em um plasma relativístico frio de dois fluidos (iônico-eletrônico). A aplicação do formalismo Hamiltoniano em um modelo cujas soluções foram previamente estudadas na literatura de forma numérica e analítica nos permite interpretar o problema sob a perspectiva da dinâmica não linear de uma quase-partícula em um potencial efetivo, fornecendo informações relevantes sobre questões de interesse. São analisadas a existência e a estabilidade de soluções com pequenas amplitudes propagando-se em alta e em baixa velocidade, com ênfase no mecanismo de destruição dessas soluções que resulta na perda do movimento adiabático. Pulsos com grandes amplitudes propagando-se em baixa velocidade também são estudados com a finalidade de se conhecer mais detalhes sobre o espectro dessas soluções. As simulações mostram que esses pulsos não são soluções isoladas como descrito na literatura, e sim periódicas. / In this work we investigate the self-consistent propagation of nonlinear electromagnetic pulses in a cold relativistic two-fluids plasma model. Application of Hamiltonian formalism in a model whose solutions had been studied in the literature both numerically and analytically allows us to interpret the system from the perspective of nonlinear dynamics as a quasi-particle in an effective potential, addressing issues of current interest. Existence and stability of small amplitude solutions propagating at both high and low speeds are analyzed focusing on how these solutions are destroyed and adiabatic motion is broken. Larger amplitude pulses propagating at low speeds are also investigated in order to have a better understanding of these solutions spectra. Simulations show that pulses with larger amplitudes are not isolated as described in the literature, but rather periodic solutions.

Neste trabalho investigamos a propagação auto-consistente de pulsos eletromagnéticos em um plasma relativístico frio de dois fluidos (iônico-eletrônico). A aplicação do formalismo Hamiltoniano em um modelo cujas soluções foram previamente estudadas na literatura de forma numérica e analítica nos permite interpretar o problema sob a perspectiva da dinâmica não linear de uma quase-partícula em um potencial efetivo, fornecendo informações relevantes sobre questões de interesse. São analisadas a existência e a estabilidade de soluções com pequenas amplitudes propagando-se em alta e em baixa velocidade, com ênfase no mecanismo de destruição dessas soluções que resulta na perda do movimento adiabático. Pulsos com grandes amplitudes propagando-se em baixa velocidade também são estudados com a finalidade de se conhecer mais detalhes sobre o espectro dessas soluções. As simulações mostram que esses pulsos não são soluções isoladas como descrito na literatura, e sim periódicas. / In this work we investigate the self-consistent propagation of nonlinear electromagnetic pulses in a cold relativistic two-fluids plasma model. Application of Hamiltonian formalism in a model whose solutions had been studied in the literature both numerically and analytically allows us to interpret the system from the perspective of nonlinear dynamics as a quasi-particle in an effective potential, addressing issues of current interest. Existence and stability of small amplitude solutions propagating at both high and low speeds are analyzed focusing on how these solutions are destroyed and adiabatic motion is broken. Larger amplitude pulses propagating at low speeds are also investigated in order to have a better understanding of these solutions spectra. Simulations show that pulses with larger amplitudes are not isolated as described in the literature, but rather periodic solutions.

Neste trabalho investigamos a propagação auto-consistente de pulsos eletromagnéticos em um plasma relativístico frio de dois fluidos (iônico-eletrônico). A aplicação do formalismo Hamiltoniano em um modelo cujas soluções foram previamente estudadas na literatura de forma numérica e analítica nos permite interpretar o problema sob a perspectiva da dinâmica não linear de uma quase-partícula em um potencial efetivo, fornecendo informações relevantes sobre questões de interesse. São analisadas a existência e a estabilidade de soluções com pequenas amplitudes propagando-se em alta e em baixa velocidade, com ênfase no mecanismo de destruição dessas soluções que resulta na perda do movimento adiabático. Pulsos com grandes amplitudes propagando-se em baixa velocidade também são estudados com a finalidade de se conhecer mais detalhes sobre o espectro dessas soluções. As simulações mostram que esses pulsos não são soluções isoladas como descrito na literatura, e sim periódicas. / In this work we investigate the self-consistent propagation of nonlinear electromagnetic pulses in a cold relativistic two-fluids plasma model. Application of Hamiltonian formalism in a model whose solutions had been studied in the literature both numerically and analytically allows us to interpret the system from the perspective of nonlinear dynamics as a quasi-particle in an effective potential, addressing issues of current interest. Existence and stability of small amplitude solutions propagating at both high and low speeds are analyzed focusing on how these solutions are destroyed and adiabatic motion is broken. Larger amplitude pulses propagating at low speeds are also investigated in order to have a better understanding of these solutions spectra. Simulations show that pulses with larger amplitudes are not isolated as described in the literature, but rather periodic solutions.

Orientador: Shuko Aihara / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-14T03:24:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Balloni_AntonioJose_M.pdf: 1174028 bytes, checksum: 6b2f139166123b32f04045ee4b521117 (MD5) Previous issue date: 1983 / Resumo: Foram projetados e construídos um sistema de múltiplo espelho e um gerador de rádio freqüência (RF) de 600 W para o estudo das características de plasma produzidos e aquecidos por ondas de rádio freqüência, com a meta final de estudar a lei de escala que rege o confinamento de plasmas neste tipo de sistema. Neste trabalho, utilizando sondas de Langmuir foram descobertas flutuações enormes de densidade e temperatura ao longo do eixo de simetria do sistema. Essas flutuações possuem características muito semelhantes às de ondas de ionização encontradas em descargas do tipo "glow", na presença de uma corrente elétrica. Foi desenvolvido um modelo matemático que pode explicar estas flutuações encontradas levando em consideração o aquecimento de plasma por rádio freqüência ao invés por corrente elétrica usual / Abstract: A system of multiple mirror and a radio frequency generator of 600W were designed and constructed to study characteristics of plasma produced and heated by radio frequency waves. The final goal for this system is to study the scaling law for the confinement of plasma. In this work, by using Langmuir probes, we have detected large fluctuations of density and temperature along the axis of symmetry of the system. These fluctuations have characteristics similar to those striation waves found in glow discharges, in the presence of an electric current. We have developed a mathematical model which may explain these fluctuations taking into consideration the heating of plasma by radio-frequency instead of usual electric current / Mestrado / Física / Mestre em Física

O tokamak é um dos mais promissores modelos de reatores de fusão. O mesmo consiste em um sistema de confinamento magnético de forma toroidal, onde coexistem um campo magnético toroidal gerado por bobinas externas e um campo poloidal gerado por uma corrente que percorre o plasma confinado, formando um campo resultante helicoidal. A operação do tokamak é sujeita a várias perturbações e instabilidades. Os modos tearing neoclássicos (NTM) são perturbações perigosas que interferem na estrutura magnética do plasma, pela formação de estruturas chamadas ilhas magnéticas. Acredita-se que os NTM’s são gerados por uma queda na corrente de bootstrap dentro das ilhas magnéticas, onde o perfil de pressão fica achatado. Isso ocorre em superfícies de fluxo onde o fator de segurança é racional, que assim, pode ser escrito como q = m/n, onde o número poloidal m e o número toroidal n são ambos inteiros. O controle desses modos é essencial para a operação dos futuros reatores de fusão. Um dos métodos considerados para esse controle é a geração de calor e corrente localizada na região da ilha, usando ondas do tipo de cíclotron eletrônica, em um processo chamado electron cyclotron current drive (ECCD). Estudamos características importantes sobre a eficiência do processo, via um modelo simplificado do tokamak e da estrutura da ilha, acoplado a um tratamento auto-consistente da interação da ondas com o plasma no tokamak e, consequentemente, geração de corrente, considerando a existência de uma corrente inicial gerada por um transformador (loop voltage), e levando em conta efeitos de transporte radial de partículas e a existência de efeitos indutivos. Todos esses efeitos formam uma equação de Fokker-Planck para evolução temporal da função de distribuição eletrônica, que é resolvida numericamente. O formalismo também inclui uma descrição auto-consistente da largura da ilha magnética, como função da corrente no plasma, atraves de uma equação chamada equação de Rutherford modificada. O formalismo inclui também efeitos clássicos relacionados a um pulo da derivada do logarítmo do campo magnético radial, e dados basicamente pelo gradiente da corrente de equilíbrio e efeitos neoclássicos relacionados a perturbações na corrente de bootstrap. Os resultados são obtidos na análise numérica para diversos parâmetros iniciais e para ondas de cíclotron, e mostram que a largura das ilhas é reduzida pela geração de corrente gerada pelas ondas, o que confirma o ECCD como um bom método para estabilização dos NTM. / The tokamak is one of the most promising models for a fusion reactor. It consists in a system of magnetic confinement of toroidal form, in which coexist a toroidal magnetic field generated by a system of external coils and a poloidal magnetic field generated by the current in the confined plasma, forming a helicoidal magnetic field. The operation of a tokamak is subject to the occurrence of perturbations and instabilities. Neoclassical tearing modes (NTM) are dangerous perturbations which interfere in the magnetic structure of the plasma, by formation of structures known as magnetic islands. It is believed that the NTM are driven by a lack of the bootstrap current inside the magnetic island where the pressure profile is flattened. This occurs in flux surfaces with rational safety factor, which can be writen as q = m/n, where the poloidal number m and the toroidal number n are both integers. The control of these modes is essential to the operation of future fusion reactors. One of the methods considered for control is the heating and generation of current in the island location, using electron cyclotron (EC) waves, in a process known as electron cyclotron current drive (ECCD). We study important features related to the efficiency of such method by the use of a simplified model for a tokamak and for the structure of magnetic islands, coupled to a self-consistent treatment of the interaction of EC waves with the plasma in the tokamak and the consequent current generation, considering the occurrence of a loop voltage in the tokamak and taking into account radial transport of particles and the existence of induced effects. All of these effects are included in a general Fokker-Plank equation for the evolution of the electron distribution function, which is numerically solved. The formalism also includes a self-consistent description of the width of the magnetic islands, as a function of the current in the plasma, through the so-called modified Rutherford equation. The formalism includes classical effects are given by the jump in the logarithmic derivative of the radial magnetic field and driven mainly by the equilibrium current gradient, and neoclassical effects related to the effect of the perturbed bootstrap current. The results obtained in our numerical analyses, for several parameters associated to EC waves, show that the width of the islands can be substantially reduced by the EC generated currents, which seems to confirm ECCD as a promising method for NTM stabilization.

O presente trabalho desenvolve a abordagem bidimensional, tanto no espaço de velocidades como no espaço de número de onda, para determinar a evolução temporal dos modos eletrostáticos íon-sônico e de Langmuir, e das partículas (elétrons) em plasmas. A teoria empregada para o sistema feixe-plasma em questão usa a abordagem de turbulência fraca desenvolvida pelo Professor Peter H. Yoon, que se empenha em generalizar a teoria de turbulência fraca estabelecida ate então. A análise numérica bidimensional permite abordar questões como isotropização da distribuição de partículas e dispersão angular de ondas, impraticável na simplificação unidimensional. De forma sumária, os resultados obtidos permitem (i) reconhecer a importância dos processos de espalhamento não-linear na produção de elétrons energéticos, (ii) sugerir que o chamado condensado de Langmuir decorre de um \efeito dimensional" ou decorre de efeitos não-lineares de ordem superior, ou mesmo de um tratamento mais acurado de efeitos não-lineares já contabilizados, mas de forma aproximada, (iii) reconhecer que um elevado grau de isotropização da distribuição eletrônica somente é alcançado para densidades do feixe suficientemente elevadas, (iv) identificar que um sistema com feixes antissimétricos _e altamente eficaz na produção de oscilações íon-sônicas, quando comparado a um sistema de feixe _único. Adicionalmente, estudam-se sistemas com inomogeneidade espacial e uma ou duas dimensões em velocidade e número de onda; lineares e não-lineares. Os resultados permitem uma melhor compreensão do comportamento do sistema feixe-plasma ao longo do espaço. Por _m, determina-se uma nova ferramenta matem ática que permite calcular a relação de dispersão para funções distribuição de velocidade arbitrárias. Ainda, uma nova abordagem num erica semianal tica e introduzida a qual resulta em reduzido tempo de processamento e estabilidade num erica aumentada. / The present work develops the bidimensional approach, both in velocity and wave number spaces, in order to establish the temporal evolution of ion-sound and Langmuir electrostatic modes, and particles (electrons) in plasmas. The framework for the beamplasma system considered is the weak turbulence approach developed by Professor Peter H. Yoon, who has worked toward the generalization of the weak turbulence theory so far established. The bidimensional numerical analysis allows one to address issues such as isotropization of particle distributions and angular dispersion of waves, unfeasible within the unidimensional simpli cation. Brie y, the results obtained allow one to (i) recognize the importance of nonlinear scattering in the production of energetic electrons, (ii) suggest that the so called Langmuir condensate either stem from a "dimensional e ect"or is due to higher order nonlinear e ects, or even to a more accurate approach of nonlinear e ects already accounted, but in an approximated form, (iii) recognize that a high degree of isotropization of electron distribution is only attained for su ciently high beam densities, (iv) identify that a system with anti-symmetric beams is highly e cient in producing ion-sound waves, compared to a single beam system. In addition, systems with spatial inhomogeneities are studied either in one or two dimensions in velocity and wave number spaces; both linear and nonlinear. The results allow for a better understanding of the beam-plasma system along the space. Finally, a novel mathematical tool is devised which allows for the calculation of dispersion relations for arbitrary distribution functions. Still, a novel semi-analytical numerical approach is introduced which allows for reduced processing time and higher numerical stability.

A situação em que ocorre a interação entre um feixe de elétrons rápidos e um plasma é considerada um modelo fundamental para o estudo de instabilidades cinéticas em plasmas. A dinâmica não linear desta interação vem sendo amplamente estudada, com a intenção de entender melhor os processos por trás da geração de turbulência de Langmuir, observada durante os chamados type II radio bursts e type III radio bursts. Nesses estudos, é comum que seja suposto um feixe de elétrons de baixa densidade, o que leva a um longo intervalo de evolução temporal, muito maior do que o período das ondas que estão sendo consideradas. Para longos períodos de evolução temporal, uma investigação a respeito da atuação dos efeitos colisionais se faz necessária. No presente trabalho, incluímos os efeitos das colisões binárias ao conjunto completo de processos não lineares da instabilidade bump-on-tail, na presença de oscilações eletrostáticas, e obtemos a evolução temporal bidimensional desse sistema. Para isso começamos com uma revisão teórica que inclui teoria cinética de plasmas, teoria de turbulência fraca e um estudo sobre colisões em plasmas. A seguir, adaptamos o operador colisional de Fokker-Planck, na aproximação de Landau, de maneira que pudéssemos agrupá-lo à equação cinética bidimensional para a evolução das partículas. Feito isso, passamos essas equações para a forma de diferenças finitas e as integramos em conjunto com o restante das equações da teoria de turbulência fraca. Uma comparação dos resultados obtidos com a evolução do mesmo sistema na ausência de colisões, nos indica que os primeiros sinais da atuação colisional na função de distribuição, embora muito sutis, surgem logo no início da evolução temporal. No entanto, a evolução das ondas só será afetada pelas colisões bem mais tarde, quando, aparentemente, os processos colisionais passam a dominar a dinâmica do sistema, superando os processos coletivos não lineares. Essa predominância da atuação colisional é percebida como uma lenta, mas progressiva simetrização das distribuições no espaço de velocidades e no espaço de vetor de onda. Os resultados estão de acordo com o esperado e as perspectivas futuras são promissoras. / The situation in which occurs the interaction between a beam of fast electrons and a plasma is considered a fundamental model for the study of kinetic instabilities in plasmas. The nonlinear dynamics of this interaction has been extensively studied with the intention to better understand the processes behind the Langmuir turbulence generation, observed during the so-called type II and type III radio bursts. In these studies, is usual to assume a low density electron beam, which leads to a long time development interval; much longer than the period of the considered waves. For long periods of time evolution, an investigation concerning the action of collisional effects is needed. In this study, we include the effects of binary collisions to the complete set of non-linear processes of the bump-on-tail instability in the presence of electrostatic oscillations, and obtain the solution for the time evolution of the system in two dimensions. For that, we start with a literature review which includes kinetic theory of plasmas, weak turbulence theory and a study of collisions in plasmas. Then we adapt the Fokker-Planck collisional operator, in Landau approach, so we could group it to the two-dimensional kinetic equation for the evolution of the particles. Then, we write these equations in the form of finite difference equations, and integrate them together with the rest of the weak turbulence equations. A comparison of the results obtained with the evolution of the same system in the absence of collisions, indicates that the first signs of collisional activity in the distribution function, although very subtle, appear at the beginning of time evolution. However, the evolution of the waves will only be affected by collisions much later, when the collisional processes apparently dominate the dynamics of the system, overcoming the nonlinear collective processes. This predominance of collisional acting is perceived as a slow but progressive symmetrization of the distributions in the velocity space and the wave vector space. The results are consistent with expectations, and future perspectives are promising.