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Measurements of the effect of increasing the discharge column voltage gradient were investigated using argon based mixtures with nitrogen, oxygen and sulphur hexafluoride in a plasma torch. The theoretical calculation of the voltage gradient and the electron number density was based on the Saha equation which was modified for application to the gas mixtures. The investigations showed that a mixture of Ar and SF6 was most effective and increased the voltage gradient to 0.5 V/mm from 0.3 V/mm. The best mixture was 89% Ar, 10% N2 , 1% SF6 based on the highest increase of the voltage gradient and the least added gas. A model has been developed to illustrate the effects of dissociation, excitation, ionisation of gases and their effects on the discharge column voltage gradient: The mode of an electric discharge in Ar was investigated using spectroscopy. The study showed that for a glow discharge the 520.0 nm line and for an arc discharge the 427.1 nm line were unique. These lines were used to investigate a Glydarc electric discharge which was shown to be a mixture of the glow and the arc discharges. Measurements of the transition of the glow to arc in Ar with discharge current ranging from 0.1 A to 1.0 A at atmospheric pressure showed that at the lower value of discharge current (O. 25 A) the spectral lines were dominated by the near infra-red lines whereas at the higher value of discharge current (1.0 A) the spectral lines were included from the near infra-red to the near UV. The Glydarc electric discharge has been studied in still and fast air flows at atmospheric pressure over a range of discharge currents from 100 mA to 3 A. The results showed that the increase of the discharge voltage with increasing discharge current was due to increase of the discharge column length which varied with time and the air flow rate and was not due to a positive dynamic characteristic.

Neste trabalho são apresentados e discutidos resultados referentes à formação e ao equilíbrio da corrente de plasma no TBR, Tokamak projetado e construído no Instituto de Física da Universidade de São Paulo. As curvas de ruptura, determinadas para hidrogênio, argônio e hélio são comparadas com um modelo simples, apresentando um acordo razoável. É verificada a influência de campos magnéticos espúrios na formação do plasma e são encontradas condições que auxiliam no processo de ruptura. São mostrados perfis temporais característicos da corrente de plasma e voltagem de loop para disparos onde se obtém equilíbrio. É feita uma comparação dos resultados experimentais com um modelo para descarga em tokamaks aquecidos ohmicamente. Tendo a carga efetiva como parâmetro, os resultados apresentam um razoável acordo com o modelo. / In this work are presented and discussed results of the formation and equilibrium of the plasma current in TBR, a small tokamak, designed and contructed at the Instituto de Física da Universidade de São Paulo. The measured breakdown curves for H2, A and He are compared with the predictions of a simple model with reasonable agreement. The influence of stray magnetic fields in the plasma formation is investigated and conditions are chosen to facilitate the breakdown. The time profile of loop voltage and plasma current for shots with plasma equilibrium are shown. A comparison is made between experimental results and analytical-numerical model for tokamaks discharges with ohmic heating. Reasonable agreement is obtained when Z, effective atomic number, is assumed as a parameter.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o transporte de partículas através da borda de um plasma confinado em tokamak. É introduzido um modelo, no qual infinitas ondas de deriva estão sobrepostas a um potencial eletrostático de equilíbrio, com campo magnético uniforme, que coloca o problema na forma de mapas. São analisados dois mapas, a saber, o mapa padrão e o mapa padrão não-twist. Resultados numéricos são apresentados para o transporte radial de partículas no mapa padrão. Para o mapa padrão não twist, além da análise do transporte, é realizado um estudo sobre variedades de pontos hiperbólicos e a relação da configuração destas com o transporte, mostrando alteração no transporte de partículas quando ocorre reconexão de variedades. / This work presents a study of the particle transport through the edge of a plasma cofined in a tokamak. A model, with an infinite number of drift waves superposed to an equilibrium electrostatic potential, in addition to an uniform magnetic field, is introduced, what puts the problem in the form of mappings. Two mappings are analysed, viz. the standard map and the standard non-twist map. Numerical results for the radial particle transport in the standard map are presented. For the standard non-twist map besides the transport analysis, a study of the manifolds of hyperbolic points and of the relation of their configuration with the transport is carried out, showing that the particle transport is changed when the manifold reconnection occurs.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o transporte de partículas através da borda de um plasma confinado em tokamak. É introduzido um modelo, no qual infinitas ondas de deriva estão sobrepostas a um potencial eletrostático de equilíbrio, com campo magnético uniforme, que coloca o problema na forma de mapas. São analisados dois mapas, a saber, o mapa padrão e o mapa padrão não-twist. Resultados numéricos são apresentados para o transporte radial de partículas no mapa padrão. Para o mapa padrão não twist, além da análise do transporte, é realizado um estudo sobre variedades de pontos hiperbólicos e a relação da configuração destas com o transporte, mostrando alteração no transporte de partículas quando ocorre reconexão de variedades. / This work presents a study of the particle transport through the edge of a plasma cofined in a tokamak. A model, with an infinite number of drift waves superposed to an equilibrium electrostatic potential, in addition to an uniform magnetic field, is introduced, what puts the problem in the form of mappings. Two mappings are analysed, viz. the standard map and the standard non-twist map. Numerical results for the radial particle transport in the standard map are presented. For the standard non-twist map besides the transport analysis, a study of the manifolds of hyperbolic points and of the relation of their configuration with the transport is carried out, showing that the particle transport is changed when the manifold reconnection occurs.

Este trabalho, que pode ser dividido em duas partes, teórica e experimental, trata da rotação residual de plasma no TCABR. No que se refere à parte teórica, foi obtida uma expressão geral para a velocidade poloidal e o fluxo de calor, para tokamaks com seção transversal arbitrária, em um plasma que está sujeito a um fluxo subsônico toroidal. Foram estudadas em detalhe as dependências da velocidade poloidal com o número de Mach sigma e o fluxo de calor iônico e foi verificado que a velocidade poloidal troca de sentido para um certo valor sigma=sigma IND.0. Também foi verificado que existe um valor sigma=sigma IND.K, a velocidade poloidal começa a diminuir. Quanto ao fluxo de calor, foi observado que ele é fortemente afetado pela geometria e é proporcional a q POT.2, onde q é o fator de segurança. Para q=1, o fluxo de calor tem um máximo para um fator de elongação k=1, correspondente a uma seção transversal circular, diminui com o aumento de k e apresenta um mínimo em k=2. No que se refere à parte experimental,foram obtidos pela primeira vez, no tokamak TCABR, os perfis radiais das velocidade de rotação poloidal e toroidal para um regime colisional, usando o deslocamento Doppler das linhas espectrais das impurezas de CIII (646,74nm) e CVI (529,02nm), medidas com um espectrômetro TH1000 de distância focal 1000mm e dispersão linear de 8 A/mm. Os resultados experimentais mostram que a velocidade poloidal tem um máximo de (4,5 + OU -1,0).10 POT.5cm/s, cujo sentido de deriva diamagnética dos elétrons. Estes resultados mostram uma boa concordância com a teoria neoclássica para a região da coluna r=5-14 cm, enquanto que para r>14 cm os resultados experimentais estão de desacordo com a teoria. No que diz respeito à velocidade de rotação toroidal, ela é oposta à corrente de plasma e tem um valor máximo de (20 + OU -1).10 POT.5cm/s, o que está em razoável concordância com o modelo proposto por ) Kim e Diamond. Foi observado que a velocidade de rotação toroidal troca de sentido em r>16 cm, indicando haver um forte cisalhamento da rotação na borda da coluna de plasma. A partir dos resultados das velocidades poloidal e toroidal e do gradiente de temperatura iônica, foi calculada a componente radial do campo elétrico que resultou negativo em toda a coluna de plasma. Finalmente, estes resultados estão em boa concordância com os resultados obtidos em tokamaks semelhantes ao TCABR. Os resultados experimentais para a velocidade poloidal podem ser bem descritos pela teoria neoclássica de rotação em tokamaks, exceto nas regiões próximas ao limitador. No entanto, ainda não existe uma teoria geral satisfatória para explicar os resultados da rotação toroidal do plasma em tokamaks. Existem teorias interessantes, porém não são aplicáveis ao tokamak TCABR / In the present work we investigated theorically and experimentally the plasma residual rotation in the tokamak TCABR. Using the neoelassical theory, general expressions for the poloidal velocity and heat flux were obtained for tokamaks with arbitrary plasma cross-sections, and subsonic toroidal flows. The dependency of the poloidal velocity and the heat flow with Mach number a were analyzed. It was found that the poloidal velocity changes sign for a ccrtain valuc alpfa = alpha 0, a critical value ak of a exists corresponding to a maximum value of ion poloidal velocity, and that for alpha > alpha k the poloidal velocity is a decreasing function of alpha.

Nesta tese, investigamos o transporte caótico de partículas por ondas de deriva ressonantes na borda do plasma em tokamaks com fluxo poloidal de deriva do tipo ~E × ~B, um problema crítico para compreender, na fusão, as propriedades de confinamento dos plasmas. Usamos, para tokamaks com grande razão de aspecto, um modelo hamiltoniano não integrável (proposto por Horton) para descrever a contribuição dinâmica não linear ao transporte. Assim, embora o fluxo total, composto pelo fluxo de equilíbrio e por duas ondas de deriva ressonantes, não seja turbulento na descrição euleriana, as trajetórias lagrangianas das partículas são caóticas. Foi estudada a influência do perfil radial do campo elétrico nas barreiras de transporte e nas células convectivas criadas pela interação não linear entre o fluxo de equilíbrio e as ondas ressonantes. Para equilíbrios com fluxo reverso, nossos resultados mostram que o transporte de partículas pode ser reduzido pela alteração do perfil do campo elétrico. Finalmente, nossos resultados são aplicados para propor uma interpretação das experiências recentes em tokamaks que mostram uma redução do transporte quando um eletrodo polarizado é inserido na borda do plasma. Como um exemplo, usamos valores experimentais obtidos no TCABR para os perfis radiais do campo elétrico de equilíbrio e suas flutuações, durante o regime ôhmico padrão e durante o regime de confinamento melhorado. / We investigate the chaotic particle transport by resonant drift waves propagating in tokamaks plasma edges with ~E × ~B poloidal zonal flow, a critical problem for the understanding of the confinement properties of fusion plasmas. We assume, for large aspect ratio tokamaks, a non integrable hamiltonian model (proposed by Horton) to describe the non linear dynamical contribution to the transport. Thus, although the total flow, formed by the equilibrium flow and two dominant resonant drift waves, is not turbulent in the eulerian point of view, the lagrangian particle trajectories are chaotic. We study the influence of the electric field radial profile on the transport barriers and convective cells created by the non linear interaction between the poloidal flow and the resonant waves. For equilibria with reverse shear flows, our results show that the particle transport can be reduced by modifying the electric field profile. Futhermore, our results are applied to propose an interpretation of recent tokamak experiments developed for studying the transport reduction when a biased electrode is inserted into the plasma edge or the Scrape-Off-Layer. As an example, we use the equilibrium and fluctuating electric field radial profiles measured in the TCABR tokamak to calculate the transport during the standard ohmic and improved confinement regimes obtained in this tokamak.

Herbig-Haro objects are the nebulous emission regions arising from shocks associated with the bipolar outflows of young stellar objects. Observations of the emission lines of HH objects can reveal properties of these stellar jets, which are associated with star formation, and one tool to study stellar jets and HH objects is computer modeling. AstroBEAR is a 3D magnetohydrodynamic code with adaptive mesh refinement and parallelization capabilities. The goals of this research were (1) to improve the cooling in AstroBEAR and add the ability to create valid emission-line maps for HH objects, and (2) to model a jet overrunning and shocking clumps, and to explore a parameter space that may lead to morphologies like those of HH 29. The results generate emission-line maps with the correct spatial morphology in Hα and [SII], and begin to map out the regimes (shock velocities, resolution, physical scales) in which the code remains valid.

In this thesis we describe a new version of a magneto-friction model, which was developed for computing the magnetospheric equilibrium that includes an arbitrary Earth's dipole tilt and interplanetary magnetic field. We also describe the algorithms of this new friction code that trace magnetic field lines, locate the neutral sheet, and identify the magnetopause In addition, we present a generalized theory for calculating magnetic flux tube volume in the magnetotail, in an attempt to generalize the Wolf [2006] empirical formula, and describe a method for estimating flux tube volume from measurements at geosynchronous orbit. This new method has been tested against various equilibrated magnetospheres generated by the new friction code. Although still incomplete, the method exhibits promising features, and is to be completed in the future.