Orientador: Rene Robert / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Física / Resumo: Considera-se o problema da redução de variáveis no modelamento semi-empírico das tochas de plasma. Experimentos fatoriais são usados como uma alternativa à abordagem descrita na literatura, na qual os grupos adimensionais que compSem o modelo são selecionados por tentativas. Emprega-se experimentos fatoriais no estudo de uma tocha de plasma projetada para aquecer ar comprimido, com catodo quente e estabilizada por escoamento em vórtice do gás plasmagênico. São avaliados os efeitos de mudanças na geometria da câmara de descarga sobre a relação tensão x corrente, o fluxo de calor para os eletrodos, o desgaste do catodo, o comprimento médio do arco, as amplitudes das variaçSes nesse comprimento e sobre a estabilidade da tocha. A análise dos resultados confirma os efeitos de mudanças no diâmetro do anodo sobre a relação tensão x corrente e sobre as perdas de calor para os eletrodos e indica a presença de outros. / Abstract: The problem of variables reduction in the semi-empirical modelling of plasma torches is considered. Factorial experiments are used as an alternative to the approach described in the literature, in which the dimensionless groups that constitute the model are selected by attempts. Factorial experiments are employed to study a plasma torch, with hot cathode, stabilized by longitudinal eddy-flow of the plasma gas and designed to heat air. The effects of changes on the geometry of the discharge chamber are evaluated over the characteristic voltage x current, the heat flux to the electrodes, the cathode wear, the mean arc length, the amplitude of the variations in this length and over the stability of the torch. The effects of changes on the anode diameter over caracteristic voltage x current and thermal loses at the electrodes are confirmed by this analysis. The presence of other effects are pointed out.

É feita uma revisão crítica das propriedades fundamentais dos sistemas de Ermakov, compreendendo a lei de superposição não linear e a linearização dos sistemas de Ermakov nos casos em que a função freqüência depende apenas do tempo. Apresentam-se as aplicações mais relevantes dos sistemas de Ermakov na mecânica quântica. A teoria de Lewis e Riesenfeld é apresentada e utilizada na procura de estados coerentes e fases de Berry geométricas para sistemas quânticos. Sistemas de Ermakov generalizados são sis.temas de Ermakov cuja função freqüência depende não apenas do tempo, mas também das variáveis dinâmicas e suas derivadas. Encontram-se sistemas de Ermakov generalizados que admitem linearização. Com isto, são ampliados resultados previamente conhecidos na literatura, concernentes aos casos em que a freqüência depende apenas do tempo. Analisa-se a estrutura do grupo de simetrias de Lie geométricas dos sistemas de Ermakov generalizados. São consideradas algumas extensões dos sistemas de Ermakov a muitas dimensões, com ênfase nas abordagens baseadas em simetrias de Lie. É considerada a questão da existência de formulações Hamiltonianas associadas aos sistemas de Ermakov generalizados, com aplicação a um problema de três corpos com potencial de Calogero e a um sistema admitindo simetria dinâmica. Aplicando o teorema de Noether aos sistemas de Ermakov generalizados Hamiltonianos, encontra-se uma nova classe de sistemas dinâmicos completamente integrável. É obtida a solução exata das equações de movimento clássica e quântica para esta nova classe de sistemas. O teorema de Noether é aplicado ao movimento não relativístico de uma partícula carregada sob ação de um campo eletromagnético geral. Com isto, obtém-se um par de equações diferenciais parciais lineares satisfeitas pelos campos elétrico e magnético compatíveis com a existência de simetrias de Noether geométricas. A solução deste par de equações é analisada com profundidade no caso em que o campo magnético é devido a um monopolo magnético fixo na origem. É obtido o grupo de simetrias de Noether e as constantes de movimento exatas associadas. Aplica-se este resultado aos sistemas de uma partícula carregada sob ação de um monopolo magnético com a superposição de forças harmônica ou gravitacional dependentes do tempo. Em ambos os casos, considera-se uma força centrífuga extra. / The key properties of Ermakov systems are critically reviewed, including the nonlinear superposition law relating the solutions for the equations of motion and the linearization of Ermakov systems with frequency function depending only on time. The most relevant applications of Ermakov systems in quantum mechanics are presented. Thc Lewis and Riesenfeld theory is reviewed and used in the search for coherent states and geometric Berry's phases for quantum systems. Generalized Ermakov systems are Ermakov systems with frequency function depending also on the dynamical variables and their time derivatives. The linearization of generalized Ermakov systems is considered, extending known results on the literature concerning usual Ermakov systems. The Lie group structure of generalized Ermakov systems is analysed. Multi- dimensional extensions of generalized Ermakov systems obtained by Lie symmetry analysis are studied. New Hamiltonian formulations associated to generalized Ermakov systems are presented, with application to a three-body Calogero potential and to a system possessing dynamical symmetry. Noether's theorem applied to Hamiltonian generalized Ermakov systems leads to a new completely integrable dynamical system. The exact solutions for the corresponding classical and quantum equations of motion are found. Noether's theorem is applied to nonrelativistic charged particle motion under general electromagnetic fields. The electromagnetic fields compatible with Noether point symmetries are shown to satisfy a pair of coupled, linear partial differential equations. The solution for this pair of linear equations is found when the magnetic field is due to a magnetic monopole fixed at the origin. The associated Noether symmetries and constants of motion are obtained. The result is applied to the motion of a charged particle under a magnetic monopole with superimposed time-dependent harmonic or gravitacional forces. In both cases the influence of an additional centrifugai force is allowed.

A distribuição de velocidade das partículas alfa produzidas a uma razão constante em reações termonucleares, em um plasma Maxwelliano, obtida analiticamente a partir da equação de Fokker-Planck. A distribuição assintótica no tempo pode ser dividida em três regiões: uma região termalizada com uma distribuição quase Maxwelliana, uma região de freamento com distribuição segundo uma lei de potência e uma região de alta energia com uma distribuição exponencial rapidamente decrescente. Um tratamento mais detalhado, que inclui a evolução temporal, um termo de perda e um campo elétrico paralelo fraco e realizado para a região de freamento, que contem a maioria das partículas alfa, e a evolução temporal e dada também para a cauda de alta energia. A evolução temporal das densidades de partículas, de momentum, de energia cinética e de fluxo de calor e calculada . As contribuições dos elétrons e íons de fundo são dadas separadamente para mostrar os efeitos de cada espécie. Em particular, obtém-se que os elétrons são aquecidos mais rapidamente pelas partículas alfa do que o são os íons de fundo. / The velocity distribution of alpha particles produced ata constant rate by thermonuclear reactions in a Maxwellian plasma is obtained analytically from the Fokker-Planck equation. The time-asymptotic distribution can be divided into three regions: a thermalized region with a nearly Maxwellian distribution, a slowing-down region with a power law distribution, and a high-energy region with a rapidly decreasing exponential distribution. A more detailed treatment, including the time evolution, a loss term and a weak parallel electric field is given for the slowing- down region, which contains the majority of the alpha particles. The time evolution is also found for the high-energy tail. The time evolution of the density of particles, momentum density, kinetic energy density and heat flux density is calculated. The electron and background ion contributions are given separately to show the effects of each species. In particular it is found that the electrons are more rapidly heated by the alpha particles than are the background ions.

A partir da teoria híbrida cinética foi, recentemente, deduzida uma equação de autovalores para as perturbações eletromagnéticas de frequências w~wci em o-pinches não colisionais e anisotrópicos na temperatura de íons. Esta equação é aqui reduzida a duas equações diferenciais ordinárias, de segunda ordem e homogêneas, mediante uma expansão do raio de larmor do íons térmicos. O termo de ordem zero desta expansão reproduz a relação de dispersão para plasmas homogêneos anisotrópicos enquanto que o termo de ordem e2 (primeira correção não nula) contém, entre outras, ressonâncias de Cherenkov, as quais não compareciam no tratamento homogêneo; mostra-se que estas ressonâncias acontecem para velocidades ~vin/BiII e números de onda típicos dos modos instáveis no caso homogêneo o que ressalta a importância do efeito na estabilidade dos modos íon-ciclotrônicos de Alfvén. O mecanismo físico de base para este fenômeno é discutido e apontado como um efeito FLR de maior importância. Para um plasma encerrado num cilindro perfeitamente condutor são estabelecidos condições de contorno que refletem a existência de relação de dispersão global. Deduz-se ainda uma relação de dispersão local, válida para meios fracamente inomogêneos e que é analisada numericamente revelando substancial redução das razões de crescimento previstas pelo tratamento homogêneo. / From hybrid-kinetic theory an eigenvalue equation for electromagnetic perturbations with w~wci in collisionless theta-pinches with anisotropic ion energy was recently derived. In the present work this equation is reduced to two ordinary second order linear differential equations by an expansion in the thermal ion Larmor radius. The zeroth order expression yields the usual dispersion relation for anisotropic homogeneous plasmas whereas the second order terms (first significant correction) contain Cherenkov resonances, absent in the former treatment, which are reached for speeds ~viII/biII and wavenumbers typical of unstable modes in the homo geneus case, indicating this importance on the stability of modes driven by ion energy anisotropy. These equations are supplemented by appropriate boundary conditions for the case when the plasma is surrounded by a perfectly conducting cylindrical wall. The physical mechanics underlying the influence of Cherenkov resonance parallel to the confining magnetic field as a FLR effect on stability behavior is illustrated. For weak inhomogeneities a local dispersion relation is obtained and numerically analyzed to show significant reduction of growth rate as compared to the homogeneous.

A distribuição de velocidade das partículas alfa produzidas a uma razão constante em reações termonucleares, em um plasma Maxwelliano, obtida analiticamente a partir da equação de Fokker-Planck. A distribuição assintótica no tempo pode ser dividida em três regiões: uma região termalizada com uma distribuição quase Maxwelliana, uma região de freamento com distribuição segundo uma lei de potência e uma região de alta energia com uma distribuição exponencial rapidamente decrescente. Um tratamento mais detalhado, que inclui a evolução temporal, um termo de perda e um campo elétrico paralelo fraco e realizado para a região de freamento, que contem a maioria das partículas alfa, e a evolução temporal e dada também para a cauda de alta energia. A evolução temporal das densidades de partículas, de momentum, de energia cinética e de fluxo de calor e calculada . As contribuições dos elétrons e íons de fundo são dadas separadamente para mostrar os efeitos de cada espécie. Em particular, obtém-se que os elétrons são aquecidos mais rapidamente pelas partículas alfa do que o são os íons de fundo. / The velocity distribution of alpha particles produced ata constant rate by thermonuclear reactions in a Maxwellian plasma is obtained analytically from the Fokker-Planck equation. The time-asymptotic distribution can be divided into three regions: a thermalized region with a nearly Maxwellian distribution, a slowing-down region with a power law distribution, and a high-energy region with a rapidly decreasing exponential distribution. A more detailed treatment, including the time evolution, a loss term and a weak parallel electric field is given for the slowing- down region, which contains the majority of the alpha particles. The time evolution is also found for the high-energy tail. The time evolution of the density of particles, momentum density, kinetic energy density and heat flux density is calculated. The electron and background ion contributions are given separately to show the effects of each species. In particular it is found that the electrons are more rapidly heated by the alpha particles than are the background ions.

A partir da teoria híbrida cinética foi, recentemente, deduzida uma equação de autovalores para as perturbações eletromagnéticas de frequências w~wci em o-pinches não colisionais e anisotrópicos na temperatura de íons. Esta equação é aqui reduzida a duas equações diferenciais ordinárias, de segunda ordem e homogêneas, mediante uma expansão do raio de larmor do íons térmicos. O termo de ordem zero desta expansão reproduz a relação de dispersão para plasmas homogêneos anisotrópicos enquanto que o termo de ordem e2 (primeira correção não nula) contém, entre outras, ressonâncias de Cherenkov, as quais não compareciam no tratamento homogêneo; mostra-se que estas ressonâncias acontecem para velocidades ~vin/BiII e números de onda típicos dos modos instáveis no caso homogêneo o que ressalta a importância do efeito na estabilidade dos modos íon-ciclotrônicos de Alfvén. O mecanismo físico de base para este fenômeno é discutido e apontado como um efeito FLR de maior importância. Para um plasma encerrado num cilindro perfeitamente condutor são estabelecidos condições de contorno que refletem a existência de relação de dispersão global. Deduz-se ainda uma relação de dispersão local, válida para meios fracamente inomogêneos e que é analisada numericamente revelando substancial redução das razões de crescimento previstas pelo tratamento homogêneo. / From hybrid-kinetic theory an eigenvalue equation for electromagnetic perturbations with w~wci in collisionless theta-pinches with anisotropic ion energy was recently derived. In the present work this equation is reduced to two ordinary second order linear differential equations by an expansion in the thermal ion Larmor radius. The zeroth order expression yields the usual dispersion relation for anisotropic homogeneous plasmas whereas the second order terms (first significant correction) contain Cherenkov resonances, absent in the former treatment, which are reached for speeds ~viII/biII and wavenumbers typical of unstable modes in the homo geneus case, indicating this importance on the stability of modes driven by ion energy anisotropy. These equations are supplemented by appropriate boundary conditions for the case when the plasma is surrounded by a perfectly conducting cylindrical wall. The physical mechanics underlying the influence of Cherenkov resonance parallel to the confining magnetic field as a FLR effect on stability behavior is illustrated. For weak inhomogeneities a local dispersion relation is obtained and numerically analyzed to show significant reduction of growth rate as compared to the homogeneous.

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.

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.

Orientadores: Jayr de Amorim Filho, Marco Aurélio Pinheiro de Lima / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T21:57:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ridenti_MarcoAntonio_D.pdf: 6265448 bytes, checksum: 384897ffe1b8b10a23a0ab7c3b206b76 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho plasmas não térmicos gerados em pressão atmosférica e sustentados por ondas de superfície em micro-ondas, tendo o argônio como gás de alimentação, foram estudados experimentalmente e teoricamente tendo em vista aspectos pouco compreendidos de suas propriedades físicas e aplicações voltadas ao tratamento de biomassa. Medições da composição elementar e dos parâmetros físicos foram realizados por meio de técnicas de diagnóstico baseadas em espectrometria de massa e espectroscopia óptica de emissão. O sistema físico foi modelado por meio das equações de continuidade das espécies neutras e carregadas, da equação do calor e da equação de Boltzmann dos elétrons, que foram acopladas utilizando um procedimento auto-consistente. Uma vez obtido o quadro geral das propriedades do plasma, foi estabelecida a condição de operação adequada ao tratamento das amostras derivadas de biomassa. O tratamento foi realizado sobre quatro tipo de amostras: lignina, xilana, celulose e bagaço de cana-de-açúcar. Dentre as contribuições importantes deste trabalho podem ser destacadas: (i) a verificação experimental do papel dos íons moleculares do argônio no processo de contração da descarga; (ii) a determinação do perfil axial no plasma dos principais íon positivos e negativos, da densidade e temperatura eletrônicas, da temperatura do gás e da densidade do estado metaestável Ar(1s5); (iii) verificação da seletividade do tratamento a plasma, tendo sido observada uma alteração significativa dos espectros de absorção no infravermelho nos casos da lignina e da xilana, mas não no caso da celulose. Esse último resultado sugere uma rota inusitada para novas tecnologias de deslignificação e síntese de novos materiais a partir de biomassa / Abstract: In this work non-thermal argon plasmas produced at atmospheric pressure and sustained by microwave surface waves were theoretically and experimentally studied in view of their non understood aspects and also the applications aimed at biomass treatment. Measurements of elemental composition and physical parameters were carried by means of plasma diagnostic techniques such as mass spectrometry and optical emission spectroscopy. Plasma modelling based on the self-consistent solution of the continuity equations of the neutral and charged species, the heat equation and the electron Boltzmann equation was developed to describe the plasma properties. Once a complete picture of the plasma behaviour was obtained, a promising condition for plasma treatment was established. Four types of biomass derived material were plasma treated: lignin, cellulose, xylan and sugarcane bagasse. Among the important contributions of this work one may highlight the following: (i) the experimental verification of the crucial role of argon molecular ions in the discharge contraction; (ii) axial profile determination of the main positive and negative ions, the electronic temperature and density, the gas temperature and the metastable state Ar(1s5) density; (iii) important modification of the infrared absorption spectra after plasma treatment in the cases of lignin and xylan, but not in the case of cellulose, suggesting a unexpected route for delignification and new materials synthesis from biomass / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Aurea Rosas Vasconcellos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-14T14:54:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Machado_CarlosJoseFreire_M.pdf: 1260621 bytes, checksum: 5a71880453b263d66a4e6f0542a28c6d (MD5) Previous issue date: 1985 / Resumo: Utilizamos o método do operador estatístico de não-equilíbrio desenvolvido, por D. N. Zubarev, baseado no formalismo da entropia máxima de E. T. Jaynes, para derivar um conjunto de equações de transporte que descrevem a evolução temporal de um plasma de semicondutor altamente excitado. A partir deste conjunto de equações obtemos a evolução temporal das variáveis termodinâmicas intensivas de interesse para a descrição do processo de relaxação do plasma, e aplicamos ao estudo dos semicondutores GaAs, CdS e CdSe / Abstract: Not informed. / Mestrado / Física / Mestre em Física