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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.43.2021.tde-11042022-211504
Documento
Autor
Nome completo
Caíke Crepaldi
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Guimarães Filho, Zwinglio de Oliveira (Presidente)
Batista, Antonio Marcos
Rodrigues Neto, Camilo
Título em português
Busca por evidências de dinâmica caótica nas flutuações turbulentas de densidade em plasmas
Palavras-chave em português
complexidade
entropia
física de plasmas
turbulência
Resumo em português
O transporte anômalo de partículas em plasmas confinados magneticamente compromete a qualidade do confinamento e dificulta atingir a fusão termonuclear controlada. Este transporte é vinculado às flutuações eletrostáticas turbulentas observadas na região de borda do plasma, cujo comportamento é um reflexo dos transportes difusivos e não-difusivos nessa região. Por conta da falta de modelos que descrevam essas flutuações ou o transporte subjacente, um dos interesses dos estudos dessas flutuações turbulentas é a caracterização de sua natureza dinâmica predominante. Além das ferramentas já utilizadas em física de plasmas para esse propósito, como a Análise de Quantificação de Recorrência, Análise de Multifractalidade, e a Análise de Densidade Espectral, uma nova metodologia para caracterização da natureza dinâmica subjacente a sinais experimentais é a análise do Diagrama de Complexidade-Entropia (C-H), apresentada por Rosso et al. com base no cálculo de medidas estatísticas utilizando a distribuição de probabilidades de estados de ordenação proposta por Bandt-Pompe. Segundo este método de análise, a posição relativa com que a série temporal é mapeada no diagrama C-H fornece indícios da natureza dinâmica predominante dos processos subjacentes. Neste trabalho, inicialmente mostramos que esta metodologia apresenta características interessantes para a análise de sinais experimentais, pois é robusta quanto à influência de variações lentas do sinal (derivas), ruídos de baixa frequência, e embaralhamentos, graças ao fato do cálculo das medidas de complexidade e entropia usar janelas temporais muito curtas (menos de 10 pontos). Entretanto, mostramos que a mesma apresenta limitações, sendo influenciada pelo tamanho da série temporal analisada e quanto a alguns métodos de pré-processamento de dados comuns, como subamostragem e filtros para suavização do sinal, que podem mudar a posição do ponto que representa a série temporal no plano C-H. Quando aplicada ao estudo das flutuações turbulentas de densidade na região de borda no plasma do tokamak TCABR medidas por sondas de Langmuir, o método indicou uma componente determinística forte nos sinais analisados, representando as séries na região caótica do diagrama. Além disso, o método apresentou resultados reprodutíveis e consistentes em diferentes disparos de plasma, apresentando sensibilidade às mudanças nas características do confinamento observadas em disparos perturbados pela polarização de um eletrodo inserido na região de borda do plasma para melhoria do confinamento.
Título em inglês
Searching for evidence of chaotic dynamics in turbulent fluctuations of plasma density
Palavras-chave em inglês
complexity
entropy
plasma physics
turbulence
Resumo em inglês
The anomalous particle transport in magnetically confined plasmas compromises the quality of the confinement and hinders the achievement of controlled thermonuclear fusion. This transport is linked to the turbulent electrostatic fluctuations observed in the edge region of the plasma, whose behavior is a reflection of the diffusive and non-diffusive transport in that region. Because of the lack of models that describe these fluctuations or underlying transport, one of the interests of studying these turbulent fluctuations is the characterization of their predominant dynamical nature. In addition to the analytical tools already used in plasma physics for this purpose, such as Recurrence Quantification Analysis, Multifractality Analysis, and Spectral Density Analysis, a new methodology for characterizing the underlying dynamical nature of experimental signals is the analysis of the Complexity-Entropy (C-H) Diagram, presented by Rosso et al. and based on the calculation of statistical measures using the probability distribution of ordinal states proposed by Bandt-Pompe. According to this analysis method, the relative position with which the time series is mapped on the C-H diagram provides evidence of the predominant dynamic nature of the underlying processes. In this work, we initially showed that this methodology has interesting characteristics for the analysis of experimental signals, as it is robust in terms of the influence of slow signal variations (drifts), low frequency noise, and shuffling, thanks to the fact that the complexity and entropy measures are calculated using very short time windows (with less than 10 points). However, we showed that this method has certain limitations, like being influenced by the size of the analyzed time series and by some common data pre-processing methods, such as subsampling and filters for signal smoothing, which can change the position of the point that represents the series in the C-H plane. When applied to the study of turbulent density fluctuations in the plasma edge region of the TCABR tokamak measured by Langmuir probes, the method implied a strong deterministic component in the analyzed signals, representing the series in the chaotic region of the diagram. In addition, the method displayed reproducible and consistent results in different plasma discharges, showing sensitivity to changes in the confinement characteristics observed in discharges disturbed by the polarization of an electrode inserted in the edge region of the plasma to improve confinement.
 
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Data de Publicação
2022-05-20
 
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