Ion-acoustic envelope modes in a degenerate relativistic electron-ion plasma

A self-consistent relativistic two-fluid model is proposed for one-dimensional electron-ion plasma dynamics. A multiple scales perturbation technique is employed, leading to an evolution equation for the wave envelope, in the form of a nonlinear Schrödinger type equation (NLSE). The inclusion of relativistic effects is shown to introduce density-dependent factors, not present in the non-relativistic case - in the conditions for modulational instability. The role of relativistic effects on the linear dispersion laws and on envelope soliton solutions of the NLSE is discussed.

Driving Flows in Laboratory Astrophysical Plasma Jets: The Mochi.LabJet Experiment

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

High Precision Plasma Etch for Pattern Transfer: Towards Fluorocarbon Based Atomic Layer Etching

A basic requirement of a plasma etching process is fidelity of the patterned organic materials. In photolithography, a He plasma pretreatment (PPT) based on high ultraviolet and vacuum ultraviolet (UV/VUV) exposure was shown to be successful for roughness reduction of 193nm photoresist (PR). Typical multilayer masks consist of many other organic masking materials in addition to 193nm PR. These materials vary significantly in UV/VUV sensitivity and show, therefore, a different response to the He PPT. A delamination of the nanometer-thin, ion-induced dense amorphous carbon (DAC) layer was observed. Extensive He PPT exposure produces volatile species through UV/VUV induced scissioning. These species are trapped underneath the DAC layer in a subsequent plasma etch (PE), causing a loss of adhesion. Next to stabilizing organic materials, the major goals of this work included to establish and evaluate a cyclic fluorocarbon (FC) based approach for atomic layer etching (ALE) of SiO2 and Si; to characterize the mechanisms involved; and to evaluate the impact of processing parameters. Periodic, short precursor injections allow precise deposition of thin FC films. These films limit the amount of available chemical etchant during subsequent low energy, plasma-based Ar+ ion bombardment, resulting in strongly time-dependent etch rates. In situ ellipsometry showcased the self-limited etching. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirms FC film deposition and mixing with the substrate. The cyclic ALE approach is also able to precisely etch Si substrates. A reduced time-dependent etching is seen for Si, likely based on a lower physical sputtering energy threshold. A fluorinated, oxidized surface layer is present during ALE of Si and greatly influences the etch behavior. A reaction of the precursor with the fluorinated substrate upon precursor injection was observed and characterized. The cyclic ALE approach is transferred to a manufacturing scale reactor at IBM Research. Ensuring the transferability to industrial device patterning is crucial for the application of ALE. In addition to device patterning, the cyclic ALE process is employed for oxide removal from Si and SiGe surfaces with the goal of minimal substrate damage and surface residues. The ALE process developed for SiO2 and Si etching did not remove native oxide at the level required. Optimizing the process enabled strong O removal from the surface. Subsequent 90% H2/Ar plasma allow for removal of C and F residues.

Análisis teórico del contacto plasma-superficie y sus aplicaciones industriales

Actualmente, la física de plasmas constituye una parte importante de la investigación en física que está siendo desarrollada. Su campo de aplicación varía desde el estudio de plasmas interestelares y cósmicos, como las estrellas, las nebulosas, el medio intergaláctico, etc.; hasta aplicaciones más terrenales como la producción de microchips o los dispositivos de iluminación. Resulta particularmente interesante el estudio del contacto de una superficie metálica con un plasma. Siendo la razón que, la dinámica de la interfase formada entre un plasma imperturbado y una superficie metálica, resulta de gran importancia cuando se trata de estudiar problemas como: la implantación iónica en una oblea de silicio, el grabado por medio de plasmas, la carga de una aeronave cuando atraviesa la ionosfera y la diagnosis de plasmas mediante sondas de Langmuir. El uso de las sondas de Langmuir está extendido a través de multitud de aplicaciones tecnológicas e industriales como método de diagnosis de plasmas. Algunas de estas aplicaciones han sido mencionadas justo en el párrafo anterior. Es más, su uso también es muy popular en la investigación en física de plasmas, por ser una de las pocas técnicas de diagnosis que proporciona información local sobre el plasma. El equipamiento donde es habitualmente implementado varía desde plasmas de laboratorio de baja temperatura hasta plasmas de fusión en dispositivos como tokamaks o stellerators. La geometría más popular de este tipo de sondas es cilíndrica, y la principal magnitud que se usa para diagnosticar el plasma es la corriente recogida por la sonda cuando se encuentra polarizada a un cierto potencial. Existe un interes especial en diagnosticar por medio de la medida de la corriente iónica recogida por la sonda, puesto que produce una perturbación muy pequeña del plasma en comparación con el uso de la corriente electrónica. Dada esta popularidad, no es de extrañar que grandes esfuerzos se hayan realizado en la consecución de un modelo teórico que explique el comportamiento de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma. Hay que remontarse a la primera mitad del siglo XX para encontrar las primeras teorías que permiten diagnosticar parámetros del plasma mediante la medida de la corriente iónica recogida por la sonda de Langmuir. Desde entonces, las mejoras en estos modelos y el desarrollo de otros nuevos ha sido una constante en la investigación en física de plasmas. No obstante, todavía no está claro como los iones se aproximan a la superficie de la sonda. Las dos principales, a la par que opuestas, aproximaciones al problema que están ampliamente aceptadas son: la radial y la orbital; siendo el problema que ambas predicen diferentes valores para la corriente iónica. Los experimentos han arrojado resultados de acuerdo con ambas teorías, la radial y la orbital; y lo que es más importante, una transición entre ambos ha sido recientemente observada. La mayoría de los logros conseguidos a la hora de comprender como los iones caen desde el plasma hacia la superficie de la sonda, han sido llevados a cabo en el campo de la dinámica de fluidos o la teoría cinética. Por otra parte, este problema puede ser abordado mediante el uso de simulaciones de partículas. La principal ventaja de las simulaciones de partículas sobre los modelos de fluidos o cinéticos es que proporcionan mucha más información sobre los detalles microscópicos del movimiento de las partículas, además es relativamente fácil introducir interacciones complejas entre las partículas. No obstante, estas ventajas no se obtienen gratuitamente, ya que las simulaciones de partículas requieren grandísimos recursos. Por esta razón, es prácticamente obligatorio el uso de técnicas de procesamiento paralelo en este tipo de simulaciones. El vacío en el conocimiento de las sondas de Langmuir, es el que motiva nuestro trabajo. Nuestra aproximación, y el principal objetivo de este trabajo, ha sido desarrollar una simulación de partículas que nos permita estudiar el problema de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma y que está negativamente polarizada con respecto a éste. Dicha simulación nos permitiría estudiar el comportamiento de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir, así como arrojar luz sobre la transición entre las teorías radiales y orbitales que ha sido observada experimentalmente. Justo después de esta sección introductoria, el resto de la tesis está dividido en tres partes tal y como sigue: La primera parte está dedicada a establecer los fundamentos teóricos de las sondas de Langmuir. En primer lugar, se realiza una introducción general al problema y al uso de sondas de Langmuir como método de diagnosis de plasmas. A continuación, se incluye una extensiva revisión bibliográfica sobre las diferentes teorías que proporcionan la corriente iónica recogida por una sonda. La segunda parte está dedicada a explicar los detalles de las simulaciones de partículas que han sido desarrolladas a lo largo de nuestra investigación, así como los resultados obtenidos con las mismas. Esta parte incluye una introducción sobre la teoría que subyace el tipo de simulaciones de partículas y las técnicas de paralelización que han sido usadas en nuestros códigos. El resto de esta parte está dividido en dos capítulos, cada uno de los cuales se ocupa de una de las geometrías consideradas en nuestras simulaciones (plana y cilíndrica). En esta parte discutimos también los descubrimientos realizados relativos a la transición entre el comportamiento radial y orbital de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir. Finalmente, en la tercera parte de la tesis se presenta un resumen del trabajo realizado. En este resumen, se enumeran brevemente los resultados de nuestra investigación y se han incluido algunas conclusiones. Después de esto, se enumeran una serie de perspectivas futuras y extensiones para los códigos desarrollados.

Indications of Conical Emission of Charged Hadrons at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider

Three-particle azimuthal correlation measurements with a high transverse momentum trigger particle are reported for pp, d + Au, and Au + Au collisions at root(S)NN = 200 GeV by the STAR experiment. Dijet structures are observed in pp, d + Au and peripheral Au + Au collisions. An additional structure is observed in central Au + Au data, signaling conical emission of correlated charged hadrons. The conical emission angle is found to be theta = 1.37 +/- 0.02(stat)(-0.07)(+0.06)(syst), independent of p perpendicular to.

Azimuthal di-hadron correlations in d plus Au and Au plus Au collisions at root s(NN)=200 GeV measured at the STAR detector

Yields, correlation shapes, and mean transverse momenta p(T) of charged particles associated with intermediate-to high-p(T) trigger particles (2.5 < p(T) < 10 GeV/c) in d + Au and Au + Au collisions at root s(NN) = 200 GeV are presented. For associated particles at higher p(T) greater than or similar to 2.5 GeV/c, narrow correlation peaks are seen in d + Au and Au + Au, indicating that the main production mechanism is jet fragmentation. At lower associated particle pT < 2 GeV/c, a large enhancement of the near- (Delta phi similar to 0) and away-side (Delta phi similar to pi) associated yields is found, together with a strong broadening of the away-side azimuthal distributions in Au + Au collisions compared to d + Au measurements, suggesting that other particle production mechanisms play a role. This is further supported by the observed significant softening of the away-side associated particle yield distribution at Delta phi similar to pi in central Au + Au collisions.

High-frequency acousto-electric single-photon source

We propose a single optical photon source for quantum cryptography based on the acoustoelectric effect. Surface acoustic waves (SAWs) propagating through a quasi-one-dimensional channel have been shown to produce packets of electrons that reside in the SAW minima and travel at the velocity of sound. In our scheme, the electron packets are injected into a p-type region, resulting in photon emission. Since the number of electrons in each packet can be controlled down to a single electron, a stream of single- (or N-) photon states, with a creation time strongly correlated with the driving acoustic field, should be generated.

A new avalanche model for solar flares

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

A low-inductance, long-life, triggered spark gap switch for Blumlein-driven lasers

A low inductance, triggered spark gap switch suitable for a high-current fast discharge system has been developed. The details of the design and fabrication of this pressurized spark gap, which uses only commonly available materials are described. A transverse discharge Blumlein-driven N2 laser incorporating this device gives a peak output power of 700 kW with a FWHM of 3 ns and an efficiency of 0.51%, which is remarkably high for a pulsed nitrogen laser system.

Conservative force fields in non-Gaussian statistics

In this Letter, we determine the kappa-distribution function for a gas in the presence of an external field of force described by a potential U(r). In the case of a dilute gas, we show that the kappa-power law distribution including the potential energy factor term can rigorously be deduced in the framework of kinetic theory with basis on the Vlasov equation. Such a result is significant as a preliminary to the discussion on the role of long range interactions in the Kaniadakis thermostatistics and the underlying kinetic theory. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Identification of geodesic chirping Alfven modes and q-factor estimation in hot core tokamak plasmas in ASDEX Upgrade

Alfven eigenmodes (AE) driven by ion cyclotron resonance heating are usually registered by different diagnostic channels in the hot core plasmas of large tokamaks like JET and ASDEX Upgrade. These AE appear very near to the extremum points of Alfven wave continuum, which is modified by the geodesic effect due to poloidal mode coupling. It is shown that the AE spectrum may be explored as the magnetic spectroscopy (like Alfven cascades by Sharapov et al 2001 Phys. Lett. A 289 127) to determine the q-factor minimum and geodesic frequency at the magnetic axis in standard sawtoothed discharges without reversed shear.

Rotation effect on geodesic and zonal flow modes in tokamak plasmas with isothermal magnetic surfaces

The electrostatic geodesic mode oscillations are investigated in rotating large aspect ratio tokamak plasmas with circular isothermal magnetic surfaces. The analysis is carried out within the magnetohydrodynamic model including heat flux to compensate for the non-adiabatic pressure distribution along the magnetic surfaces in plasmas with poloidal rotation. Instead of two standard geodesic modes, three geodesic continua are found. The two higher branches of the geodesic modes have a small frequency up-shift from ordinary geodesic acoustic and sonic modes due to rotation. The lower geodesic continuum is a newzonal flowmode (geodesic Doppler mode) in plasmas with mainly poloidal rotation. Limits to standard geodesic modes are found. Bifurcation of Alfven continuum by geodesic modes at the rational surfaces is also discussed. Due to that, the frequency of combined geodesic continuum extends from the poloidal rotation frequency to the ion-sound band that can have an important role in suppressing plasma turbulence.