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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2014.tde-03092014-094958
Documento
Autor
Nome completo
Reneé Jordashe Franco Sgalla
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Elfimov, Artour (Presidente)
Nascimento, Ivan Cunha
Silveira, Francisco Eugenio Mendonça da
Viana, Ricardo Luiz
Ziebell, Luiz Fernando
Título em português
Investigação cinética de modos geodésicos de baixas frequências em plasmas magnetizados
Palavras-chave em português
amortecimento de Landau
efeitos de deriva
efeitos diamagnéticos
espectroscopia em GAM
fluxos zonais
GAM
modos acústicos geodésicos
ZF
Resumo em português
Devido à sua importância em turbulência causada por ondas de deriva e à aplicação com propósitos em diagnósticos de plasma, a investigação de fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) tem atraído bastante atenção na literatura em física de plasmas. Nesta tese, primeiramente consideramos efeitos de equilíbrio com rotação poloidal e toroidal nestes modos, posteriormente investigamos efeitos diamagnéticos em GAM a partir de um modelo de dois fluido, no qual incluímos viscosidade paralela de íons e, na parte final, consideramos amortecimento de Landau e efeitos diamagnéticos simultaneamente no estudo de GAM, porém, a partir do modelo girocinético. Efeitos diamagnéticos são causados por termos que envolvem gradientes de densidade e de temperatura provenientes da função Maxwelliana de equilíbrio. O acoplamento entre os harmônicos poloidais, $m = \pm1$, e as derivadas radiais de quantidades macroscópicas do plasma é responsável pelo aumento no valor da frequência no GAM de alta frequência e pela instabilidade no GAM de baixa frequência. Este tipo de instabilidade, que é proporcional à frequência diamagnética de elétrons e à razão entre os gradientes de temperatura e de densidade, é mais propenso a ocorrer em posições radiais em que o fator segurança é alto. Modos geodésicos são fracamente amortecidos devido a um mecânismo não colisional conhecido por amortecimento de Landau, o qual é causado pela interação entre a onda eletrostática e partículas carregadas, íons no caso, e a taxa de amortecimento é maior próximo ao centro da coluna de plasma, onde o fator de segurança assume valores mais baixos. O equilíbrio MHD com rotação foi investigado em três regimes com relação às superfícies magnéticas: isotérmico, adiabático e isométrico. Foi observado que o gradiente de temperatura possui sentido oposto em relação à velocidade de rotação poloidal apenas no regime isométrico. Ao considerar equilíbrio com rotação e superfícies magnéticas isotérmicas e incluir fluxo de calor na equação da energia, observamos que ZF apresentam frequência não-nula, a qual é proporcional à velocidade de rotação poloidal e inversamente proporcional ao fator de segurança. Como direções futuras ressaltamos que é importante considerar efeitos eletromagnéticos, estudar automodos geodésicos e incluir o efeito de partículas aprisionadas para o desenvolvimento da física de ZF e GAM. Tal desenvolvimento beneficiará tanto a área de transporte em tokamaks como a área de diagnósticos, na qual a obtenção do perfil radial da temperatura de íons e do fator de segurança é um dos objetivos. Nesta área, um novo tipo de diagnóstico conhecido como espectroscopia em modos acústicos geodésicos está sendo desenvolvido baseado no estudo de automodos.
Título em inglês
Kinetic investigation of low frequency geodesic modes in magnetized plasmas
Palavras-chave em inglês
diamagnetic effects
drift effects
GAM
GAM spectroscopy.
geodesic acoustic modes
Landau damping
ZF
zonal flows
Resumo em inglês
Due to the important role in drift wave turbulence and applications for plasma diagnostic purposes, the investigation of zonal flows (ZF) and associated geodesic acoustic modes (GAM) has arisen much attention in the plasma physics literature. In this thesis, first we consider equilibrium poloidal and toroidal rotation effects on these modes using the ideal MHD model, then we investigate diamagnetic effects on GAM using a two fluid model that includes parallel ion viscosity, and, in the final step, we include both Landau damping and diamagnetic effects on the study of GAM within the framework of the gyrokinetic model. By diamagnetic effects we mean the density and temperature radial gradients terms coming from the equilibrium Maxwellian distribution function. The effects caused by the coupling between the $m = \pm1$ poloidal harmonics and the radial derivatives of equilibrium macroscopic quantities are responsible for an increase in the frequency value of the high frequency GAM and for an instability in the low frequency GAM. This instability, which is proportional to the electron drift frequency and the ratio between ion temperature and density gradients, are more likely to occur in radial positions where the safety factor is high. We observe that geodesic modes are slowly damped by a collisionlees mechanism known as Landau damping which is caused by the wave particle interaction between the eletrostatic potential and the íons. This damping is enhanced near the center of the plasma column, where the safety factor has lower values. Equilibrium MHD with plasma rotation were investigated in three regimes regarding the magnetic surfaces: isotherm, adiabatic and isometric. It is found that the temperature gradient has opposite directions compared to the poloidal rotation only for the isometric regime. By considering equilibrium rotation with isotherm magnetic surfaces and including heat flux we observed that ZF has a non-zero frequency which is proportional to the poloidal velocity and the inverse of the safety factor. For future directions we point out that electromagnetic effects, geodesic eigenmodes and trapped particles physics should be important for the development of the ZF and GAM physics, either in the area of anomalous transport caused by drift wave turbulence or for diagnostic purposes for obtaining the radial profile of the ion temperature and the safety factor. In this area, a new kind of diagnostic known as geodesic acoustic mode spectroscopy is being developing based on the study of eigenmodes.
 
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Data de Publicação
2014-09-05
 
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