Ideal internal kink modes in a differentially rotating cylindrical plasma

The Velikhov effect leading to magnetorotational instability (MRI) is incorporated into the theory of ideal internal kink modes in a differentially rotating cylindrical plasma column. It is shown that this effect can play a stabilizing role for suitably organized plasma rotation profiles, leading to suppression of MHD (magnetohydrodynamic) instabilities in magnetic confinement systems. The role of this effect in the problem of the Suydam and the m = 1 internal kink modes is elucidated, where m is the poloidal mode number.

Contributions to the theory of magnetorotational instability and waves in a rotating plasma

The one-fluid magnetohydrodynamic (MHD) theory of magnetorotational instability (MRI) in an ideal plasma is presented. The theory predicts the possibility of MRI for arbitrary 0, where 0 is the ratio of the plasma pressure to the magnetic field pressure. The kinetic theory of MRI in a collisionless plasma is developed. It is demonstrated that as in the ideal MHD, MRI can occur in such a plasma for arbitrary P. The mechanism of MRI is discussed; it is shown that the instability appears because of a perturbed parallel electric field. The electrodynamic description of MRI is formulated under the assumption that the dispersion relation is expressed in terms of the permittivity tensor; general properties of this tensor are analyzed. It is shown to be separated into the nonrotational and rotational parts. With this in mind, the first step for incorporation of MRI into the general theory of plasma instabilities is taken. The rotation effects on Alfven waves are considered.

Analysis on the formation of a FRC by flux measurements and MHD simulations

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

MHD numerical simulations of colliding winds in massive binary systems - I. Thermal versus non-thermal radio emission

In the past few decades detailed observations of radio and X-ray emission from massive binary systems revealed a whole new physics present in such systems. Both thermal and non-thermal components of this emission indicate that most of the radiation at these bands originates in shocks. O and B-type stars and WolfRayet (WR) stars present supersonic and massive winds that, when colliding, emit largely due to the freefree radiation. The non-thermal radio and X-ray emissions are due to synchrotron and inverse Compton processes, respectively. In this case, magnetic fields are expected to play an important role in the emission distribution. In the past few years the modelling of the freefree and synchrotron emissions from massive binary systems have been based on purely hydrodynamical simulations, and ad hoc assumptions regarding the distribution of magnetic energy and the field geometry. In this work we provide the first full magnetohydrodynamic numerical simulations of windwind collision in massive binary systems. We study the freefree emission characterizing its dependence on the stellar and orbital parameters. We also study self-consistently the evolution of the magnetic field at the shock region, obtaining also the synchrotron energy distribution integrated along different lines of sight. We show that the magnetic field in the shocks is larger than that obtained when the proportionality between B and the plasma density is assumed. Also, we show that the role of the synchrotron emission relative to the total radio emission has been underestimated.

Diagnostic techniques for EHD and MHD interaction

The impact of plasma technologies is growing both in the academic and in the industrial fields. Nowadays, a great interest is focused in plasma applications in aeronautics and astronautics domains. Plasma actuators based on the Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) and Electro- Hydro-Dynamic (EHD) interactions are potentially able to suitably modify the fluid-dynamics characteristics around a flying body without utilizing moving parts. This could lead to the control of an aircraft with negligible response time, more reliability and improvements of the performance. In order to study the aforementioned interactions, a series of experiments and a wide number of diagnostic techniques have been utilized. The EHD interaction, realized by means of a Dielectric Barrier Discharge (DBD) actuator, and its impact on the boundary layer have been evaluated by means of two different experiments. In the first one a three phase multi-electrode flat panel actuator is used. Different external flow velocities (from 1 to 20m/s) and different values of the supplied voltage and frequency have been considered. Moreover a change of the phase sequence has been done to verify the influence of the electric field existing between successive phases. Measurements of the induced speed had shown the effect of the supply voltage and the frequency, and the phase order in the momentum transfer phenomenon. Gains in velocity, inside the boundary layer, of about 5m/s have been obtained. Spectroscopic measurements allowed to determine the rotational and the vibrational temperature of the plasma which lie in the range of 320 ÷ 440°K and of 3000 ÷ 3900°K respectively. A deviation from thermodynamic equilibrium had been found. The second EHD experiment is realized on a single electrode pair DBD actuator driven by nano-pulses superimposed to a DC or an AC bias. This new supply system separates the plasma formation mechanism from the acceleration action on the fluid, leading to an higher degree of the control of the process. Both the voltage and the frequency of the nano-pulses and the amplitude and the waveform of the bias have been varied during the experiment. Plasma jets and vortex behavior had been observed by means of fast Schlieren imaging. This allowed a deeper understanding of the EHD interaction process. A velocity increase in the boundary layer of about 2m/s had been measured. Thrust measurements have been performed by means of a scales and compared with experimental data reported in the literature. For similar voltage amplitudes thrust larger than those of the literature, had been observed. Surface charge measurements led to realize a modified DBD actuator able to obtain similar performances when compared with that of other experiments. However in this case a DC bias replacing the AC bias had been used. MHD interaction experiments had been carried out in a hypersonic wind tunnel in argon with a flow of Mach 6. Before the MHD experiments a thermal, fluid-dynamic and plasma characterization of the hypersonic argon plasma flow have been done. The electron temperature and the electron number density had been determined by means of emission spectroscopy and microwave absorption measurements. A deviation from thermodynamic equilibrium had been observed. The electron number density showed to be frozen at the stagnation region condition in the expansion through the nozzle. MHD experiments have been performed using two axial symmetric test bodies. Similar magnetic configurations were used. Permanent magnets inserted into the test body allowed to generate inside the plasma azimuthal currents around the conical shape of the body. These Faraday currents are responsible of the MHD body force which acts against the flow. The MHD interaction process has been observed by means of fast imaging, pressure and electrical measurements. Images showed bright rings due to the Faraday currents heating and exciting the plasma particles. Pressure measurements showed increases of the pressure in the regions where the MHD interaction is large. The pressure is 10 to 15% larger than when the MHD interaction process is silent. Finally by means of electrostatic probes mounted flush on the test body lateral surface Hall fields of about 500V/m had been measured. These results have been used for the validation of a numerical MHD code.

Moto di particelle cariche in campi elettromagnetici intensi

E stata risolta l'equazione d'onda per la radiazione elettromagnetica ed è stata trovata l'espressione (in forma di integrale) per un impulso monocromatico di frequenza angolare fissata e per un impulso di durata finita, imponendo che nello spazione dei vettori d'onda (k_x,k_y) l'impulso sia rappresentato da una funzione Gaussiana nella forma exp[-w_0^2(k_x^2+k_y^2)/4], dove w_0 rappresenta il waist trasverso. Per avere un'espressione analitica dell'impulso monocromatico e dell'impulso di durata finita si sono rese necessarie rispettivamente l'approssimazione parassiale e un'approssimazione di "fattorizzazione". Sono state analizzate, sia analiticamente sia numericamente, i limiti entro i quali queste approssimazioni possono essere considerate accurate. Le soluzioni esatte e le soluzioni approssimate sono state confrontate graficamente. Nel capitolo finale è stato analizzato il moto di una particella carica che interagisce con un pacchetto d'onda unidimensionale, mettendo in luce la fondamentale differenza tra il moto di questa particella nel vuoto e il moto della stessa in un plasma carico. Infatti, in accordo con il teorema di Lawson-Woodward, nel vuoto la particella non può essere accelerata per interazione diretta con il pacchetto d'onda, mentre nel plasma, a seguito del passaggio del pacchetto, la particella può aver acquistato energia.

Realizzazione e caratterizzazione chimico-fisica di una sorgente di plasma di non equilibrio operante a pressione atmosferica per la modifica superficale di materiali polimerici in ambiente controllato

Il plasma, quarto stato della materia, rappresenta un gas ionizzato in cui ioni ed elettroni si muovono a diverse energie sotto l’azione di un campo elettro-magnetico applicato dall’esterno. I plasmi si dividono in plasmi di equilibrio e di non equilibrio termodinamico, quest’ultimi sono caratterizzati da un’alta temperatura elettronica (oltre 10000 K) e da una bassa temperatura traslazionale degli ioni e delle specie neutre (300-1000 K). I plasmi di non equilibrio trovano largo impiego nella microelettronica, nei processi di polimerizzazione, nell’industria biomedicale e del packaging, consentendo di effettuare trattamenti di sterilizzazione e attivazione superficiale. Il lavoro di tesi è incentrato sui processi di funzionalizzazione e polimerizzazione superficiale con l’obbiettivo di realizzare e caratterizzare sorgenti di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica operanti in ambiente controllato. È stata realizzata una sorgente plasma operante a pressione atmosferica e in ambiente controllato per realizzare trattamenti di modifica superficiale e di polimerizzazione su substrati polimerici. L’efficacia e l’omogeneità dei trattamenti eseguiti sono stati valutati tramite misura dell’angolo di contatto. La caratterizzazione elettrica ha consentito di determinare i valori di densità di energia superficiale trasferita sui substrati al variare delle condizioni operative. Lo strato depositato durante il processo di polimerizzazione è stato analizzato qualitativamente tramite l’analisi chimica in spettroscopia infrarossa. L’analisi delle prove di funzionalizzazione dimostra l’uniformità dei processi plasma eseguiti; inoltre i valori dell’angolo di contatto misurati in seguito ai trattamenti risultano confrontabili con la letteratura esistente. Lo studio dei substrati trattati in atmosfera satura d’azoto ha rivelato una concentrazione superficiale di azoto pari al 3% attribuibile alla presenza di ammine, ammine protonate e gruppi ammidici; ciò conferma la bontà della soluzione realizzata e dei protocolli operativi adottati per la funzionalizzazione delle superfici. L’analisi spettroscopica dei trattamenti di polimerizzazione, ha fornito spettri IR confrontabili con la letteratura esistente indicando una buona qualità del polimero depositato (PEG). I valori misurati durante la caratterizzazione elettrica della sorgente realizzata risulteranno fondamentali in futuro per l’ottimizzazione del dispositivo. I dati raccolti infatti, determineranno le linee guida per il tailoring dei trattamenti plasma e per lo sviluppo della sorgente. Il presente lavoro di tesi, pur prendendo in esame una piccola parte delle applicazioni industriali dei plasmi non termici, conferma quanto queste siano pervasive nei comuni processi industriali evidenziandone le potenzialità e i numerosi campi d’applicazione. La tecnologia plasma è destinata ad essere imprescindibile per la ricerca di soluzioni innovative ai limiti dei processi tradizionali.

X rays from laser-plasma accelerators

Uno dei maggiori obiettivi della ricerca nel campo degli acceleratori basati su interazione laser-plasma è la realizzazione di una sorgente compatta di raggi x impulsati al femtosecondo. L’interazione tra brevi impulsi laser e un plasma, a energie relativistiche, ha recentemente portato a una nuova generazione di sorgenti di raggi x con le proprietà desiderate. Queste sorgenti, basate sulla radiazione emessa da elettroni accelerati nel plasma, hanno in comune di essere compatte, produrre radiazione collimata, incoerente e impulsata al femtosecondo. In questa tesi vengono presentati alcuni metodi per ottenere raggi x da elettroni accelerati per interazione tra laser e plasma: la radiazione di betatrone da elettroni intrappolati e accelerati nel cosiddetto “bubble regime”, la radiazione di sincrotrone da elettroni posti in un ondulatore convenzionale con lunghezza dell’ordine dei metri e la radiazione ottenuta dal backscattering di Thomson. Vengono presentate: la fisica alla base di tali metodi, simulazioni numeriche e risultati sperimentali per ogni sorgente di raggi x. Infine, viene discussa una delle più promettenti applicazioni fornite dagli acceleratori basati su interazione tra laser e plasma: il Free-electron laser nello spettro dei raggi x, capace di fornire intensità 108-1010 volte più elevate rispetto alle altre sorgenti.

Studio e applicazioni di modalità tomografiche con luce di sincrotrone.

Questo lavoro di tesi è incentrato sulla microtomografia con radiazione di sincrotrone, di cui vengono presentate le diverse modalità di acquisizione, mostrandone le potenzialità e mettendola a confronto con la microCT convenzionale. Le principali caratteristiche di un fascio di raggi X prodotto presso sorgenti di radiazione di sincrotrone sono le seguenti: la monocromaticità, che evita l’indurimento del fascio, la forte intensità, che permette una acquisizione dati rapida a risoluzione spaziale molto alta, con conseguente precisa mappatura delle strutture interne del campione, e l’alta coerenza, che porta ad ulteriori possibilità di imaging, come l’acquisizione in contrasto di fase. Grazie a queste caratteristiche la microCT con radiazione di sincrotrone rappresenta attualmente uno strumento di indagine di grande importanza in molteplici campi della ricerca, che vanno dalla scienza dei materiali, alla geologia, dal campo medico fino a quello dei Beni Culturali. In particolare, in questa sede, vengono illustrate e discusse alcune applicazioni in campo medico (mammografia) e in campo paleontologico e paleoantropologico (studio della microstruttura di denti fossili e moderni per ottenere informazioni riguardo il ciclo vitale, l’invecchiamento, la crescita, il processo di dentizione, la dieta, e così via).

Comet 1P/Halley multifluid MHD model for the Giotto fly-by

The interaction of comets with the solar wind has been the focus of many studies including numerical modeling. We compare the results of our multifluid MHD simulation of comet 1P/Halley to data obtained during the flyby of the European Space Agency's Giotto spacecraft in 1986. The model solves the full set of MHD equations for the individual fluids representing the solar wind protons, the cometary light and heavy ions, and the electrons. The mass loading, charge-exchange, dissociative ion-electron recombination, and collisional interactions between the fluids are taken into account. The computational domain spans over several million kilometers, and the close vicinity of the comet is resolved to the details of the magnetic cavity. The model is validated by comparison to the corresponding Giotto observations obtained by the Ion Mass Spectrometer, the Neutral Mass Spectrometer, the Giotto magnetometer experiment, and the Johnstone Plasma Analyzer instrument. The model shows the formation of the bow shock, the ion pile-up, and the diamagnetic cavity and is able to reproduce the observed temperature differences between the pick-up ion populations and the solar wind protons. We give an overview of the global interaction of the comet with the solar wind and then show the effects of the Lorentz force interaction between the different plasma populations.

Self-consistent multifluid MHD simulations of Europa's exospheric interaction with Jupiter's magnetosphere

The Jovian moon, Europa, hosts a thin neutral gas atmosphere, which is tightly coupled to Jupiter's magnetosphere. Magnetospheric ions impacting the surface sputter off neutral atoms, which, upon ionization, carry currents that modify the magnetic field around the moon. The magnetic field in the plasma is also affected by Europa's induced magnetic field. In this paper we investigate the environment of Europa using our multifluid MHD model and focus on the effects introduced by both the magnetospheric and the pickup ion populations. The model self-consistently derives the electron temperature that governs the electron impact ionization process, which is the major source of ionization in this environment. The resulting magnetic field is compared to measurements performed by the Galileo magnetometer, the bulk properties of the modeled thermal plasma population is compared to the Galileo Plasma Subsystem observations, and the modeled surface precipitation fluxes are compared to Galileo Ultraviolet Spectrometer observations. The model shows good agreement with the measured magnetic field and reproduces the basic features of the plasma interaction observed at the moon for both the E4 and the E26 flybys of the Galileo spacecraft. The simulation also produces perturbations asymmetric about the flow direction that account for observed asymmetries.

On a mathematical model arising in MHD perturbed equilibrium for Stellarator devices. A numerical approach.

Abstract?We consider a mathematical model related to the stationary regime of a plasma of fusion nuclear, magnetically confined in a Stellarator device. Using the geometric properties of the fusion device, a suitable system of coordinates and averaging methods, the mathematical problem may be reduced to a two dimensional free boundary problem of nonlocal type, where the corresponding differential equation is of the Grad?Shafranov type. The current balance within each flux magnetic gives us the possibility to define the third covariant magnetic field component with respect to the averaged poloidal flux function. We present here some numerical experiences and we give some numerical approach for the averaged poloidal flux and for the third covariant magnetic field component.

Plasma kinetics issues in an ESA study for a plasma laboratory in space

A study supported by the European Space Agency (ESA), in the context of its General Studies Programme, performed an investigation of the possible use of space for studies in pure and applied plasma physics, in areas not traditionally covered by ‘space plasma physics’. A set of experiments have been identified that can potentially provide access to new phenomena and to allow advances in several fields of plasma science. These experiments concern phenomena on a spatial scale (101–104 m) intermediate between what is achievable on the ground and the usual solar system plasma observations. Detailed feasibility studies have been performed for three experiments: active magnetic experiments, largescale discharges and long tether–plasma interactions. The perspectives opened by these experiments are discussed for magnetic reconnection, instabilities, MHD turbulence, atomic excited states kinetics, weakly ionized plasmas,plasma diagnostics, artificial auroras and atmospheric studies. The discussion is also supported by results of numerical simulations and estimates.

Structure of intermediate shocks in collisionsless anisotropic Hall-magnetohydrodynamics plasma models

The existence of discontinuities within the double-adiabatic Hall-magnetohydrodynamics (MHD) model is discussed. These solutions are transitional layers where some of the plasma properties change from one equilibrium state to another. Under the assumption of traveling wave solutions with velocity C and propagation angle θ with respect to the ambient magnetic field, the Hall-MHD model reduces to a dynamical system and the waves are heteroclinic orbits joining two different fixed points. The analysis of the fixed points rules out the existence of rotational discontinuities. Simple considerations about the Hamiltonian nature of the system show that, unlike dissipative models, the intermediate shock waves are organized in branches in parameter space, i.e., they occur if a given relationship between θ and C is satisfied. Electron-polarized (ion-polarized) shock waves exhibit, in addition to a reversal of the magnetic field component tangential to the shock front, a maximum (minimum) of the magnetic field amplitude. The jumps of the magnetic field and the relative specific volume between the downstream and the upstream states as a function of the plasma properties are presented. The organization in parameter space of localized structures including in the model the influence of finite Larmor radius is discussed

Instabilidades MHD no Tokamak TCABR

Este trabalho descreve o estudo das instabilidades magneto-hidro-dinâmicas (MHD) comumente observadas nas descargas elétricas de plasma no tokamak TCABR, do Instituto de Física da USP. Dois diagnósticos principais foram empregados para observar essas instabilidades: um conjunto poloidal de 24 bobinas magnéticas (bobinas de Mirnov) colocadas próximas à borda do plasma e um medidor de emissões na faixa do Ultra Violeta e de raios X moles com 20 canais (sistema SXR), cujo circuito de condicionamento de sinais foi aprimorado como parte deste trabalho. Esses diagnósticos foram escolhidos porque fornecem informações complementares, uma vez que o sistema SXR observa a parte central da coluna de plasma, enquanto as bobinas de Mirnov detectam as instabilidades MHD na região mais externa da coluna. As informações coletadas por esses diagnósticos foram submetidas à análise espectral com resolução temporal e espacial, possibilitando determinar a evolução das características espectrais e espaciais das instabilidades MHD observadas. Essas análises revelaram que durante a etapa inicial da formação do plasma (quando a corrente de plasma ainda está aumentando) ilhas magnéticas com números de onda decrescente, identificadas como sendo modos kink de borda, são detectadas nas bobinas de Mirnov. Após a formação do plasma, quando os parâmetros de equilíbrio estão relativamente estáveis (platô), oscilações são detectadas tanto nas bobinas de Mirnov quanto no sistema de SXR, indicando a presença de instabilidades MHD em toda a coluna de plasma. Em geral as oscilações medidas nas bobinas de Mirnov tem baixa amplitude e correspondem a pequenas ilhas magnéticas que foram identificadas como sendo modos de ruptura (modos tearing). Por outro lado, as instabilidades na região central foram identificadas como dentes de serra, que correspondem a relaxações periódicas da região interna à superfície magnética com fator de segurança q=1 e que são acompanhadas de oscilações precursoras, cuja amplitude depende da fase do ciclo de relaxação. Devido à essa modulação de amplitude, aparecem picos de frequência satélite nos espectrogramas dos sinais do SXR. Além disso, devido ao fato dos ciclos de relaxação não serem sinusoidais, os harmônicos da frequência de relaxação também aparecem nesses espectrogramas. No entanto, em muitas descargas do TCABR, a intensidade das oscilações medidas nas bobinas de Mirnov aumentam significativamente durante o platô, com efeitos sobre a frequência de todas as instabilidades MHD, até mesmo sobre os dentes de serra localizados na região central da coluna. Em todos os casos, observou-se que durante o platô a frequência das ilhas magnéticas coincide com a frequência das oscilações precursoras do dente de serra, apesar de serem duas instabilidades distintas, localizadas em posições radiais muito diferentes. Essa coincidência de frequências possibilitou descrever a evolução em frequência de todas as oscilações detectadas em diversos diagnósticos com base em apenas duas frequências básicas: a dos ciclos de relaxação dente de serra e a das ilhas magnéticas.