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Cette thèse a eu pour objectif le développement d’un contrôle du profil de rotation d’une colonne de plasma. Cette étude est menée dans le but du développement d’une nouvelle génération d’expériences utilisant les plasmas à fort taux d’ionisation pour étudier les phénomènes d’induction magnétique. Au cours de cette thèse, un grand nombre de techniques de mesures optiques et électrostatiques ont été mis en place. Ces dispositifs expérimentaux ont permis la caractérisation de l’évolution des paramètres plasmas en fonction des paramètres expérimentaux et une meilleure description du plasma. Une attention particulière a été porté à la mesure de la température ionique du plasma par deux dispositifs optiques différents : un Fabry-Pérot de grande finesse et un dispositif de Fluorescence induite par laser (LIF). L’établissement du profil de vitesse azimutal du plasma a été mesuré grâce à des sondes de Mach et expliqué en s’appuyant sur les profils radiaux des paramètres plasmas. L’impact sur cette vitesse azimutale de l’injection localisée de courant dans le plasma par une électrode émissive de grande taille a été étudié. Nous avons démontré qu’il est possible de contrôler la forme du profil de vitesse ainsi que son amplitude grâce à ce dispositif d’injection de courant. Enfin, l’apparition d’ondes de dérives pour de fort champs magnétiques a été observée, ainsi que l’interaction entre l’émission de courant dans le plasma et la dynamique de ces ondes. / The goal of this PhD is to develop a setup controlling the rotation profile of a plasma column. This study is realized within the aim of developing a new type of experiments using the strongly ionized plasmas to study magnetic induction phenomena. A great number of plasma diagnostics have been set up during the PhD, including electrostatic and optical diagnostics. These measurement technics have allowed us to characterize the evolution of the plasma parameters depending on the experimental conditions and to build a better description of the plasma. A special focus has been made on the measurement of the ion temperature by two different setups: a Fabry-Pérot with a high finesse and a Laser Induced Fluorescence (LIF) setup. The mean azimuthal velocity profile of the plasma has been measured using Mach probes and explained based on the plasma parameters radial profiles. The effect of localized current injection inside the plasma by a large size emissive electrode has been studied. We have shown that the shape and the amplitude of the velocity profile can be controlled thanks to this setup. Finally, the appearance of drift waves with high magnetic fields has been observed, along with the interaction between the current injection and the dynamic of these waves.

São analisados os campos eletromagnéticos de baixa frequência devidos a limitadores magnéticos ergódicos e desviadores ergódicos e a densidade de potência absorvida em plasmas cilíndricos de tokamaks, considerando os efeitos da deriva diamagnetica e da rotação de plasma com velocidade paralela às linhas de campo magnético de equilíbrio. É considerado o tensor dielétrico de plasma frio colisional para esse modelo. Para a banda de frequências f < 30 kHz e modos com números poloidal/toroidal 31-1, para plasma com fator de segurança com crescimento monótono, e 21-1, para plasma com fator de segurança com um mínimo entre o centro e a borda do mesmo, a densidade de potência absorvida é negativa para frequências menores que a específica de deriva de elétrons e pode ser entendida como uma instabilidade. Esse modo pode ser estabilizado a medida que a frequência se aproxima do valor do mínimo do contínuo de Alfvén na região da superfície magnética racional considerada. Para os modos -311 e -2/1 a densidade de potência absorvida é positiva. A rotação de plasma com velocidade de f106 cm/s no centro do plasma não tem efeitos significativos sobre os resultados em comparação com a deriva diamagnética. Para a banda de frequências 30 7 f < 150 kHz podem ser excitadas ondas de Alfvén de deriva rápidas. A excitação dessas ondas depende da derivada do fator de segurança e das derivadas das frequências angulares diamagnêticas, nos casos de cisalhamento quase nulo e de cisalhamento negativo no centro do plasma, sendo a resistência de antena positiva e oscilatória com os valores dos máximos crescendo com a frequência. Ondas de Alfvén globais são excitadas no centro do plasma para modos poloidal/toroidal com sinais opostos (M/N<O) para plasmas com fator de segurança com crescimento monótono e fre- qüências menores que a mínima do contínuo de Alfvén. Os campos magnéticos do limitador magnético ergódico e do desviador ergódico comlsem a reação do plasma apresentam grandes diferenças. / Low frequency fields and power density absorption excited by ergodic magnetic lirniters and ergodic divertors are analyzed under the influence of the diamagrietic drift effect and the plasma rotation, whicli is parallel to the magnetic field, in the cylindrical plasma model of tokamaks. The dielectric tensor for that model is taken in the collisiorial cold plasma limit. For the frequency band f < 30 kHz the power density absorption for modes witli poloidal/toroidal numbers 31-1 in the plasma with monotonically growing safety factor and 21-1 for the plasma with safety factor with a minimum between the plasma core and the edge, is found to be negative for frequencies below a specific electron drift angular frequency and it can be understood as an instability. The unstable mode can be stabilized as the frequency approaclies tlie Alfvén continuum minimum at the position of the rational magnetic surface. For the modes -311 and -211 the power density absorption is positive. The plasma rotation with core velocity f106 cm/s has no effect in comparison with diamagnetic drift. For the frequency band 30 7 f < 150 kHz it is shown that fast drift Alfvén waves can be excited as eigenmodes. The excitation of these waves depends on the derivatives of the safety factor and the diamagnetic drift angular frequencies in the cases of flat or negative shear in the plasma core and the antenna resistance is positive and oscillatory with the maxima growing with the frequency. Global Alfvén wave resonances are excited at the plasma core for poloidal/toroidal mode numbers with opposite signs (M/N<O) for a monotonically growing safety factor and the frequencies below the minimum of the Alfvén continuum. The ergodic magnetic limiter and ergodic divertor magnetic fields with/witliout the plasma back reaction shows strong differences.

Tokamaks de baixa razão de aspecto (LART), também chamados tokamaks esféricos (ST), são dispositivos concebidos teoricamente para ter um alto fator beta IND. T, típico de um disposito de efeito estrição de campo reverso (RFP) ou Spheromak (beta IND. T SETA INFINITO, mas com geometria similar a um ultra-LART), porém mantendo o confinamento de um tokamak convencional, adicionado às melhores propriedades de estabilidade. Aqui beta IND. T 3 BARRAS 91/ V IND. p) INT. pdV/(B IND. To POT. 2/ 2mü IND. 0), B IND. To 3 BARRAS B IND. T POT. vac (R IND. 0) e p é a pressão do plasma. START foi o primeiro LART a demonstrar essas caracterísiticas em temperaturas de T IND. i APROXIMADAMENTE IGUAL A T IND. e 10 POT. 2eV. O trabalho descrito nesta tese teve como objetivo o desenvolvimento e a utilização de sistemas de diagnóstivos para o estudo dos regimes de operação da densidade do plasma no START. Desenvolveu-se um interferômetro de dupla-passagem de feixe ao longo do plano médio horizontal do vaso, com a finalidade de medir a densidade média de linha do plasma. Esse interferômetro era composto de um laser HCN (337müm), uma mesa óptica e detectores (díodos Schottky). Mediu-se n BARRA IND. e < 10 POT. 18_ > 2x10 POT. 20m POT. -3. Desenvolveu-se um sistema de pré-ionização por ondas ressonantes elétron-ciclotrônicas, baseado num gerador klystron de 6GHz e P IND. ECR-P < ou =3kW, para o auxílio na ruptura elétrica do gás no regime Tokamak, reduzindo o valor de fluxo magnético necessário para romper e manter a descarga e aumentar sua reprodutibilidade. Observou-se, a pressões de preenchimento 1,1-1,5X10 POT. -5 mbar, uma maior reprodutibilidade da descarga e redução do tempo de ruptura do gás com o aumento de P IND. ECR-P. Colocou-se também em operação um injetor de pastilhas criogênicas (8-9K) de deutério, D IND.2, com o objetivo de aumentar a densidade ) do plasma. Esse era do tipo canhão de gás, de uma única pastilha com valores de massa 3 x 10 IND. 19 átomos e velocidadee de 50-400m/s, propulsiopnadas por gás H IND. 2 (0-4bar). Pastilhas forma injetadas da parte superior do START, quase verticalmente, na região de alto campo magnético do vaso, em regimes ôhmico e aquecido por feixes de partículas neutras (NBI), de alto e baixo beta IND. T, aumentando substancialmente a densidade. Com o uso desses diagnósticos, estudaram-se os regimes de alta e baixa densidade, Com injeção de gás, obteve-se n BARRA IND. e POT. max = 1,0x10 POT.20 densidade de Greenwald N IND. G POT. max APROXIMADAMENTE IGUAL À 0,9) e observou-se a contração da coluna do plasma e o colapso das descargas em duas fases, semelhante ao que ocorre nos Tokamaks convencionais. Observou-se um aumento da densidade com o uso de NBI, mas não da densidade de Greenwald. Obteve-se, também, via injeção de pastilha, simultaneamente, altas densidades (N IND. G 1,0-1,1), grande eficiência de reposição de partículas ( 100%) e melhoria no confinamento em descargas de altos valores de beta IND. T 9 23-27%). É provável que o limite de pressão tenha sido atingido. / Low Aspect Ratio Tokamaks (LARTs) or Spherical Tokamaks (STs) are devices theoretically conceived to have the high toroidal T of the Reversed- Field Pinch and Spheromak (T but similar geometry to an ultra-LART) whilst retaining the confinement of the conventional Tokamak together with improved stability. Here T = (1/Vp) f pdV/ (B2TO/2o) BT= BT (Ro), and p is the plasma pressure. START was the first LART to demonstrate these features at temperatures of Tt ~Te ~102eV. The work described in this thesis has aimed to develop and use diagnostics and their use for studying the density operating regimes on START. A double-pass mid plane interferometer was commissioned for measuring the plasma density. This system was composed by an existing HCN laser (337 ), an optical table, and detectors (Schottky diodes).

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

No Orbitron, elétrons de um pequeno filamento aquecido são injetados entre dois cilindros coaxiais com energia e modelo angular tal que eles orbitam ao redor do cilindro central (uma d.d.p. é aplicada entre os cilindros). Com a superposição de um potencial r.f. ao potencial logarítmico presente no Orbitron, picos de corrente negativa no catodo (cilindro externo) são observados para frequências bem definidas, indicando a ejeção dos elétrons de sua órbita original, presumivelmente devido à um alargamento da órbita com aumento do apogeu até sua coleta no cilindro externo. O comportamento das frequências observadas com vários parâmetros característicos so Orbitron foram estudados e um modelo teório é proposto.

1 - As equações de Vlasov-Maxwell são deduzidas, a partir da equação de Liouville, supondo-se que as interações eletromagnéticas entre as partículas do plasma sejam dadas na aproximação de Darwin. A dedução revela uma analogia da Teoria Cinética de Plasmas com a Mecânica Quântica. 2 - Apresenta-se a obtenção, mediante o algoritmo de iteração-renormalização de Kraichnan, das equações da Aproximação da Interação Direta para turbulência num plasma descrito pela equação de Vlasov.Nessa exposição explicitam-se melhor o significado e as propriedades fundamentais da &quot;função resposta&quot;. 3 - Relativamente ao modelo de Schottky para a coluna positiva de descargas elétricas em gases, discute-se a consistência da aproximação usual para o campo elétrico ambipolar. Discute-se, também, um modelo de Schottky generalizado para colunas positivas de descargas em gases fracamente eletronegativos. Finalmente, apresenta-se, para a coluna positiva de uma descarga em oxigênio, um modelo que não se baseia na hipótese de difusão ambipolar. As previsões feitas com base no modelo mostram boa concordância com dados experimentais.

Dentre várias técnicas de diagnóstico de plasma, uma das mais importantes existentes atualmente é a espectroscopia por emissão de feixe, para a determinação da densidade de plasmas e suas flutuações. Este trabalho visou o desenvolvimento de um canhão de feixes de Li+ através da emissão termiônica de um composto cristalino chamado b-eucryptita. Esse composto é normalmente usado em forma pastosa, e feixes de Li+ com intensidade abaixo de 200mA/cm2 são obtidos, com energia de aceleração &lt; 10keV. Neste trabalho, contudo, feixes de 3mA/cm2 de intensidade foram obtidos, com energia de aceleração entre 0,5 e 3keV. Este significativo aumento de densidade do feixe deveu-se a mudança de forma do b-eucryptita de pastoso para vítreo. Ao ser elevada a temperatura do b-eucryptita a 1300oC, sob pressão de 5 x 10-5 Torr, esse composto atingiu seu ponto de fusão, e passou a emitir Li+ com intensidade 10 vezes mais alta do que antes da fusão. Após ser resfriado até a temperatura ambiente, o b-eucryptita assumiu a forma vítrea, e manteve a alta emissão de íons de Li+ adquirida com a fusão. Utilizando o b-eucryptita na forma vítrea no canhão com geometria de Pierce acoplado a lente eletrostática cilíndrica no modo einzel, feixes de Li+ com densidade de corrente abaixo de 50mA/cm2 e diâmetro entre 0,5cm e 2cm, para uma energia de aceleração &lt;2keV foram obtidos. Esta redução da corrente se deve ao fato de que à baixa energia (&lt;3keV) o efeito da carga espacial sobre o feixe é muito intenso, limitando assim sua intensidade e aumentando seu diâmetro.

Este trabalho consiste na elaboração conceitual de uma cavidade coaxial que possua a seletividade de modos necessária para obter um girotron que opere em regime contínuo e em modo único de alta ordem, com potência de radiação em torno de um megawatt e frequência de 280 GHz. Uma discriminação radial de modos é conseguida explorando as diferenças nas estruturas transversais dos modos competidores, investigando a geometria adequada para o tarugo central cônico, como também utilizando-se da seletividade ôhmica. Para modos cujas autofreqüências são próximas, pode-se fazer com que os fatores Qt associados a estes modos sejam significativamente diferentes para assegurar uma seleção efetiva de modos. Em um dos ressoadores estudos neste trabalho, a separação em freqüência entre o modo de interesse TE12,7, e o seu competidor mais próximo TE36,9.1 é de aproximadamente 0,1%, enquanto que a razão entre os fatores Qt correspondentes setá em torno de 3,0, fazendo com que este modo parasita não seja excitado. É realizado um estudo comparativo entre as correntes de partida para a cavidade vazia e coaxial. Este estudo indica que a cavidade coaxial é menos susceptível às oscilações parasitas do que a cavidade vazia. Também se discutem a implicações da geometria da cavidade no aquecimento de suas paredes devido ao efeito ôhmico. Derivam-se expressões analíticas para a corrente limite e para a redução na tensão de aceleração do feixe devido ao efeito de cargas espaciais, e utilizam-se tais resultados em feixes de elétrons de diversas características. Considerando o efeito de cargas espaciais, o ressoador coaxial mostra-se mais atrativo do que a cavidade vazia. Finalmente, considera-se o modelo autoconsistente do girotron para encontrar sua eficiência. As eficiências do girotron que utiliza cavidade coaxial são comparáveis às do girotron que utiliza cavidade vazia.

Neste trabalho estão apresentados os detalhes do projeto construção de um equipamento para produção de filmes finos de polímeros por polimerização a plasma via descarga CC e outro sistema via descarga de microondas, bem como a caracterização do reator e dos filmes finos de poliacetileno produzidos. Inicialmente foram feitas a caracterização do reator operando no modo CC (pressão do reator, tensão e corrente da descarga). Com isso foi possível determinar a região operacional do reator. Variando estes parâmetros foi caracterizado o plasma no que se refere à temperatura de elétrons, densidade de elétrons e comprimento de Debye. Após ter sido determinado a região operacional do sistema no modo CC, foram feitos filmes finos a partir do acetileno comercial, os quais foram caracterizados opticamente (Índice de refração, coeficiente de absorção, transmitância em 514 nm). Também foram feitos espectros de transmissão na região visível. Os filmes obtidos no reator de microondas foram caracterizados através da medida de transmitância em 514 nm e dos espectros de transmissão na região visível. Como caracterização química dos filmes finos foram feitos espectros de infravermelho de um filme fino crescido sobre cristal do NaCl no reator CC e de pastilhas de KBr com resíduo do reator CC e microondas.