Μη γραμμική αλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με πλάσμα
Creators: name: Τσιρώνης, Χρήστος Σ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2007
Subjects: Αλληλεπίδραση κύματος-σωματιδίου
Μη γραμμική δυναμική
Wave-particle interaction
Nonlinear

description: Η διατριβή αυτή ασχολείται με ορισμένες από τις μορφές αλληλεπίδρασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με πλάσμα κα τις εφαρμογές τους. Η αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων με ηλεκτρομαγνητικά κυμάτα εμπλέκεται στην περιγραφή και κατανόηση πολλών φαινομένων. Εκτός από την αστροφυσική, όπου συνδέεται με παρατηρήσεις ακτινοβολίας από επιταχυνόμενα φορτία, πχ. στην ιονόσφαιρα ή κατά την διάρκεια ηλιακών εκλάμψεων, έχει σημαντικές πειραματικές εφαρμογές τόσο στην παραγωγή υψίσυχνης ακτινοβολίας, πχ. από γυροτρόνια και free electron lasers, όσο και στη θέρμανση του πλάσματος και τη δημιουργία μη επαγόμενων ρευμάτων σε μηχανές σύντηξης (tokamaks, stellarators). Η διατριβή επικεντρώνεται στην περιγραφή της διάδοσης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε πλάσμα μέσα σε θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες. Η μελέτη αυτή γίνεται με στόχο την καλύτερη κατανόηση της εξέλιξης του κύματος και του πλάσματος, και δίνει έμφαση (α) στη μη γραμμική αλληλεπίδραση κύματος-φορτίου, (β) στον στατιστικό χαρακτήρα του πλάσματος (κινητικά φαινόμενα), (γ) στην πολυπλοκότητα της γεωμετρίας της κυματικής δέσμης. Η προσέγγιση του ψυχρού πλάσματος γιά την κυματική διάδοση, η γραμμική θεωρία γιά την απορρόφηση του κύματος και η ημιγραμμική θεωρία για την εξέλιξη της κατανομής των φορτίων είναι τα πιό διαδεδομένα εργαλεία γιά τη μελέτη της εξέλιξης του κύματος στο πλάσμα. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις όπου η ισχύς των θεωριών αυτών είναι αμφίβολη, και τότε τα κινητικά ή/και τα μη γραμμικά φαινόμενα παίζουν σημαντικό ρόλο στη χρονική και χωρική εξέλιξη του συστήματος. Το περιεχόμενο της διατριβής είναι χωρισμένο σε έξι κεφάλαια. Στο πρώτο παραθέτουμε βασικές έννοιες γιά το πλάσμα και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, καθώς και τις κυριότερες εφαρμογές, ενώ στο έκτο κάνουμε μιά ανακεφαλαίωση με επίκεντρο τα κυριότερα αποτελέσματα, καθώς και μιά συζήτηση γύρω από τις πιθανές επεκτάσεις της τωρινής δουλειάς. Στο Κεφ. 2 μελετάμε την επίδραση υψίσυχνων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε αραιό μαγνητισμένο πλάσμα, εστιάζοντας στην ενεργειακή και χωρική διάχυση των ηλεκτρονίων εγκάρσια στο μαγνητικό πεδίο. Στο Κεφ. 3 μελετάται η αλληλεπίδραση κύματος-πλάσματος από τη σκοπιά της επίδρασης του πλάσματος στο κύμα. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται εδώ είναι οι ασυμπτωτικές μέθοδοι γιά την επίλυση της κυματικής εξίσωσης. Τα Κεφ. 4 και 5 είναι προσανατολισμένα στην πληρέστερη περιγραφή του συστήματος πλάσμα-κύμα. Η αυτοσυνεπής ανάλυση της μη γραμμικής αλληλεπίδρασης πλάσματος-κύματος αποτελεί το περιεχόμενο του Κεφ. 4, ενώ στο Κεφ. 5 εφαρμόζουμε τον αλγόριθμο FDTD γιά την επίλυση της κυματικής εξίσωσης χωρίς προσεγγίσεις
description: This thesis deals with some of the forms of interaction of high-frequency electromagnetic waves with plasmas and their applications. The interaction of ions/electrons with electrostatic and electromagnetic waves plays a key role in the description and understanding of many phenomena relevant to charged particle acceleration and plasma instabilities in astrophysical systems, accelerators and controlled thermonuclear fusion devices. In cases where there is a resonance of the Doppler-shifted wave frequency with the cyclotron harmonics, the interaction is stimulated by significant energy exchange between the wave and the particles. This effect, apart from Astrophysics where it is related to the observations of radiation from accelerated particles, as e.g. in the ionosphere or during solar flares, has important experimental applications both in the production of coherent high-frequency electromagnetic radiation, e.g. from gyrotrons or free electron lasers, as well as in plasma heating and non-inductive current drive in modern fusion devices (tokamaks, stellarators). The research work in this thesis is mostly focused on the description of the propagation and absorption of electromagnetic radiation in the fusion plasma. The study is performed with the goal of better understanding the evolution of the wave-plasma system, taking into account (a) nonlinear wave-particle interaction, (b) kinetic plasma effects, (c) complexity in the geometry of the wave beam profile. The cold plasma approximation for the wave propagation, the linear theory of plasma oscillations for the cyclotron absorption and the quasilinear theory for the evolution of the particle distribution function are the most popular tools for the study of the wave evolution when interacting with the plasma and vice versa. However, there are cases where the validity of these theories becomes questionable, and the kinetic and/or nonlinear effects play an important role in the spatial and temporal evolution of the system. The content of this thesis is divided in six chapters. In the first chapter a necessary introduction takes place, where we write about the basic aspects of the plasma state and the electromagnetic waves, together with the most important applications, while in the last one we summarize the most significant results and discuss the possible extensions of the current work. In Chap. 2 we consider the effect of high-frequency electromagnetic waves in underdense magnetized plasmas, with the main applications being for the ionospheric plasma. The high frequency, of the order of the electron-cyclotron frequency, in conjuction with the low plasma density allow for approximating the plasma as an ensemble of non-interacting electrons. The basic course of the analysis goes along the Hamiltonian formalism for charged-particle motion in electromagnetic fields. We focus on the characteristics of the energetic and spatial diffusion of the electrons across the magnetic field, under the effect of electromagnetic waves of both high and moderate amplitude, where the dynamics of the phase-space is extremely complex. In Chap. 3 we study the wave-plasma interaction from the viewpoint of the effect of the plasma on the wave. The techniques of interest here are the frequencydomain asymptotic methods for the solution of the wave equation. The novelty in this study lies in the generalization of the beam tracing asymptotic method to include (a) the description of beams with arbitrary electric field profile, (b) the analysis of the propagation and absorption of non-Gaussian beams in fusion plasmas. Non-Gaussian beams may arise due to a malfunction of the wave-launching system, or during the propagation in the plasma, in heating and current drive experiments involving cyclotron waves. In terms of the beam tracing method, we specify the sequence for tracing arbitrary beams, which among others involves the generalization of the definition of the beam width. As an application, we study the properties of the propagation of non-Gaussian beams in (a) simplified plasma geometry, (b) the transmission line of electromagnetic radiation in a tokamak. Chap. 4 and 5 are oriented to the more thorough description of the plasmawave system. The self-consistent analysis of the nonlinear interaction of electromagnetic through asymptotic methods in the frequency domain, because, in Fourier space, the solution of the wave equation appears less difficulty. However, in many cases of interest, like e.g. mode conversion, the assumptions of the asymptotic methods break down and the solution becomes questionable. In Chap. 5 we apply a full-wave numerical method for the solution of Maxwell's equations, the FDTD algorithm. In general, since FDTD is formulated in time domain, it is obligatory to express the plasma response in time domain. However, in the case of a constantfrequency wave propagating in a stationary plasma, we establish that the FDTD method can be applied directly using the frequency-domain dielectric tensor