Dinâmica não-linear da instabilidade feixe-plasma biodimensional

Abstract

O presente trabalho desenvolve a abordagem bidimensional, tanto no espaço de velocidades como no espaço de número de onda, para determinar a evolução temporal dos modos eletrostáticos íon-sônico e de Langmuir, e das partículas (elétrons) em plasmas. A teoria empregada para o sistema feixe-plasma em questão usa a abordagem de turbulência fraca desenvolvida pelo Professor Peter H. Yoon, que se empenha em generalizar a teoria de turbulência fraca estabelecida ate então. A análise numérica bidimensional permite abordar questões como isotropização da distribuição de partículas e dispersão angular de ondas, impraticável na simplificação unidimensional. De forma sumária, os resultados obtidos permitem (i) reconhecer a importância dos processos de espalhamento não-linear na produção de elétrons energéticos, (ii) sugerir que o chamado condensado de Langmuir decorre de um \efeito dimensional" ou decorre de efeitos não-lineares de ordem superior, ou mesmo de um tratamento mais acurado de efeitos não-lineares já contabilizados, mas de forma aproximada, (iii) reconhecer que um elevado grau de isotropização da distribuição eletrônica somente é alcançado para densidades do feixe suficientemente elevadas, (iv) identificar que um sistema com feixes antissimétricos _e altamente eficaz na produção de oscilações íon-sônicas, quando comparado a um sistema de feixe _único. Adicionalmente, estudam-se sistemas com inomogeneidade espacial e uma ou duas dimensões em velocidade e número de onda; lineares e não-lineares. Os resultados permitem uma melhor compreensão do comportamento do sistema feixe-plasma ao longo do espaço. Por _m, determina-se uma nova ferramenta matem ática que permite calcular a relação de dispersão para funções distribuição de velocidade arbitrárias. Ainda, uma nova abordagem num erica semianal tica e introduzida a qual resulta em reduzido tempo de processamento e estabilidade num erica aumentada.

The present work develops the bidimensional approach, both in velocity and wave number spaces, in order to establish the temporal evolution of ion-sound and Langmuir electrostatic modes, and particles (electrons) in plasmas. The framework for the beamplasma system considered is the weak turbulence approach developed by Professor Peter H. Yoon, who has worked toward the generalization of the weak turbulence theory so far established. The bidimensional numerical analysis allows one to address issues such as isotropization of particle distributions and angular dispersion of waves, unfeasible within the unidimensional simpli cation. Brie y, the results obtained allow one to (i) recognize the importance of nonlinear scattering in the production of energetic electrons, (ii) suggest that the so called Langmuir condensate either stem from a "dimensional e ect"or is due to higher order nonlinear e ects, or even to a more accurate approach of nonlinear e ects already accounted, but in an approximated form, (iii) recognize that a high degree of isotropization of electron distribution is only attained for su ciently high beam densities, (iv) identify that a system with anti-symmetric beams is highly e cient in producing ion-sound waves, compared to a single beam system. In addition, systems with spatial inhomogeneities are studied either in one or two dimensions in velocity and wave number spaces; both linear and nonlinear. The results allow for a better understanding of the beam-plasma system along the space. Finally, a novel mathematical tool is devised which allows for the calculation of dispersion relations for arbitrary distribution functions. Still, a novel semi-analytical numerical approach is introduced which allows for reduced processing time and higher numerical stability.