A Van der Pol-Mathieu equation for the dynamics of dust grain charge in dusty plasmas

The chaotic profile of dust grain dynamics associated with dust-acoustic oscillations in a dusty plasma is considered. The collective behaviour of the dust plasma component is described via a multi-fluid model, comprising Boltzmann distributed electrons and ions, as well as an equation of continuity possessing a source term for the dust grains, the dust momentum and Poisson's equations. A Van der Pol–Mathieu-type nonlinear ordinary differential equation for the dust grain density dynamics is derived. The dynamical system is cast into an autonomous form by employing an averaging method. Critical stability boundaries for a particular trivial solution of the governing equation with varying parameters are specified. The equation is analysed to determine the resonance region, and finally numerically solved by using a fourth-order Runge–Kutta method. The presence of chaotic limit cycles is pointed out.

Application of Mathieu functions for the study of non-slanted reflection gratings

In this work we prensent an analysis of non-slanted reflection gratings by using exact solution of the second order differential equation derived from Maxwell equations, in terms of Mathieu functions. The results obtained by using this method will be compared to those obtained by using the well known Kogelnik's Coupled Wave Theory which predicts with great accuracy the response of the efficieny of the zero and first order for volume phase gratings, for both reflection and transmission gratings.

L2-stability of nonstationary feedback systems: Frequency-domain criteria

A frequency-domain positivity condition is derived for linear time-varying operators in2and is used to develop2stability criteria for linear and nonlinear feedback systems. These criteria permit the use of a very general class of operators in2with nonstationary kernels, as multipliers. More specific results are obtained by using a first-order differential operator with a time-varying coefficient as multiplier. Finally, by employing periodic multipliers, improved stability criteria are derived for the nonlinear damped Mathieu equation with a forcing function.

Nonlinear Dynamic Responses of the Tensioned Tether under Parametric Excitations

The nonlinear dynamic responses of the tensioned tether subjected to combined surge and heave motions of floating platform are investigated using 2-D nonlinear beam model. It is shown that if the transverse-axial coupling of nonlinear beam model and the combined surge-heave motions of platform are considered, the governing equation is not Mathieu equation any more, it becomes nonlinear Hill equation. The Hill stability chart is obtained by using the Hill's infinite determinant and harmonic balance method. A parameter M, which is the function of tether length, the surge and heave amplitude of platform, is defined. The Hill stability chart is obviously different from Mathieu stability chart which is the specific case as M=0. Some case studies are performed by employing linear and nonlinear beam model respectively. It can be found that the results differences between nonlinear and linear model are apparent.

Dinâmica não linear de m Pêndula eletromecânico com excitação vertical

Pós-graduação em Matemática - IBILCE

Análise da estabilidade de sistemas dinâmicos periódicos usando Teoria de Sinha

Pós-graduação em Matemática - IBILCE

Potenciais periódicos: aplicação à espectroscopia do benzeno

Pós-graduação em Física - FEG

Messung des Landé-gJ-Faktors im Grundzustand von Ca + und Untersuchung des Speicherverhaltens von Elektronen in einem Penningkäfig

Ionenkäfige und speziell Penningfallen stellen sich in der Atomphysik als außergewöhnliche Werkzeuge heraus. Zum einen bieten diese 'Teilchencontainer' die Möglichkeit atomphysikalische Präzisionsmessungen durchzuführen und zum anderen stellen Penningfallen schwingungsfähige Systeme dar, in welchen nichtlineare dynamische Prozesse an gespeicherten Teilchen untersucht werden können. In einem ersten Teil der Arbeit wurde mit der in der Atomphysik bekannten Methode der optischen Mikrowellen-Doppelresonanz Spektroskopie der elektronische g-Faktor von Ca+ mit einer Genauigkeit von 4*10^{-8} zu gJ=2,00225664(9) bestimmt. g-Faktoren von Elektronen in gebundenen ionischen Systemen sind fundamentale Größen der Atomphysik, die Informationen über die atomare Wellenfunktion des zu untersuchenden Zustandes liefern. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde hinsichtlich der Untersuchungen zur nichtlinearen Dynamik von parametrisch angeregten gespeicherten Elektronen beobachtet, dass ab bestimmten kritischen Teilchendichten in der Penningfalle die gespeicherten Elektronen kollektive Eigenschaften manifestieren. Weiterhin wurde bei der Anregung der axialen Eigenbewegung ein Schwellenverhalten der gemessenen Subharmonischen zur 2*omega_z-Resonanz beobachtet. Dieser Schwelleneffekt lässt sich mit der Existenz eines Dämpfungsmechanismus erklären, der auf die Elektronenwolke einwirkt, so dass eine Mindestamplitude der Anregung erforderlich ist, um diese Dämpfung zu überwinden. Durch Bestimmung der charakteristischen Kurven der gedämpften Mathieuschen Differentialgleichung konnte das beobachtete Phänomen theoretisch verstanden werden.

Systematische Untersuchung von Instabilitäten an lasergekühlten 40 Ca + - Ionen in einer linearen Paulfalle

In linearen Paulfallen gespeicherte und lasergekühlte Ionen stellen in weiten Bereichen der Physik ideale Objekte hinsichtlich störungsfreier und präziser Messungen atomarer Übergangsfrequenzen und der gezielten Manipulation von Quantenzuständen dar. Eine Einschränkung dieser optimalen Bedingungen erfolgt durch Heizmechanismen, die aus Abweichungen des Speicherpotentials von der idealen Quadrupolform resultieren. Höhere Potentialordnungen führen zu einer Kopplung der radialen Bewegungsmoden und bei bestimmten Speicherparametern zu nichtlinearen Resonanzen. Hierbei werden die Ionenbahnen durch eine Energieaufnahme aus dem Speicherfeld destabilisiert. Dieses kann zu Linienverbreiterungen, einer Limitierung der Kohärenzzeiten und unter Umständen zu einem Ionenverlust führen. Die systematische Untersuchung dieser Instabilitäten in einer linearen Paulfalle erfolgt durch Spektroskopie an einer kleinen Anzahl lasergekühlter ^40Ca^+ - Ionen. Der experimentell zugängliche Speicherbereich wird mit hoher Auflösung abgetastet. Durch eine eingehende Quantifizierung der Falleneigenschaften werden die nichtlinearen Resonanzen eindeutig den erzeugenden Potentialtermen zugeordnet. Die Resonanzlinien zeigen eine charakteristische Aufspaltung, deren Größe vom angelegten Axialpotential bestimmt wird. Diese zusätzliche Kopplung der Radialbewegung an die Axialbewegung führt zu einer modifizierten Resonanzbedingung. Nichtlineare Resonanzen treten massenspezifisch auf. Da eine präzise Kontrolle der Axialpotentiale sehr einfach ist, könnten die beobachteten radial-axial koppelnden Resonanzen eine Anwendung in der Massenspektrometrie finden.

Detailed analysis of a conservative difference approximation for the time fractional diffusion equation

Diffusion equations that use time fractional derivatives are attractive because they describe a wealth of problems involving non-Markovian Random walks. The time fractional diffusion equation (TFDE) is obtained from the standard diffusion equation by replacing the first-order time derivative with a fractional derivative of order α ∈ (0, 1). Developing numerical methods for solving fractional partial differential equations is a new research field and the theoretical analysis of the numerical methods associated with them is not fully developed. In this paper an explicit conservative difference approximation (ECDA) for TFDE is proposed. We give a detailed analysis for this ECDA and generate discrete models of random walk suitable for simulating random variables whose spatial probability density evolves in time according to this fractional diffusion equation. The stability and convergence of the ECDA for TFDE in a bounded domain are discussed. Finally, some numerical examples are presented to show the application of the present technique.