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Etudy of the linear and nonlinear regimes in an unmagnetized electron-ion plasma.
(Universidad de Concepción., 2020) Carril Pardo, Hugo Alexis; Araneda Sepúlveda, Jaime Andrés; Navarro Maldonado, Roberto Elías
In order to study how the dynamics of an unmagnetized Maxwellian electron plasma is modified by the presence of mobile positive heavy ions, the present work aims to study the regimes of damped and nonlinear perturbations in a driftless Maxwellian electron-ion plasma, considiring a mass ratio mi/me = 1836.153 and charge ratio qi/|qe| = 1.0, specifically in the range of low frequencies (ωr ≤ 0.2ωpe) and velocities in the order of the ion acoustic phase velocity vφ,IA for the excited wavenumber, primarily for the temperature ratio Ti/Te = 1.0. Also, the response of the plasma is studied for different temperature ratios Ti/Te above and below Ti/Te = 1.0. The whole study is accomplished through numerical simulations of the Vlasov-Poisson system of equations using spectral interpolation in position and velocity, and symplectic integration in the time dependency. It is expected that in the case of damped perturbations both Langmuir and ion acoustic waves propagate relatively independent from each other and exhibit opposite behaviors in the velocity range of interest, whereas in the nonlinear case, electrostatic solitary waves are expected to arise due to the presence of heavy mobile ions related to electron trapping and ion acoustic solitons. It is expected that dynamics related to the ions is accentuated with lower ratios Ti/Te.
Inestabilidades paramétricas de una onda de alfvén circularmente polarizada en un plasma de varias especies iónicas: efectos cinéticos.
(Universidad de Concepción., 2007) Kauffmann Figueroa, Karla Andrea; Araneda Sepúlveda, Jaime Andrés
Se quiere investigar las inestabilidades paramétricas de una onda de Alfv¶en circularmente polarizada que se propaga en un plasma de electrones protones y partículas alfa a lo largo de un campo magnético de fondo. El interés principal es introducir efectos cinéticos en los modelos de fluidos ya existentes para observar modificaciones en las propiedades dispersivas del plasma y si esto lleva a inestabilidades adicionales que se encuentran ausentes en los modelos que describen a un plasma únicamente como un fluido. Las inestabilidades paramétricas son de gran importancia, ya que pueden conducir a fenómenos turbulentos en plasmas y calentamiento y aceleración de partículas.
Saturación de la energía magnética de ondas ión-ciclotrón en plasmas térmicamente anisotrópicas
(Universidad de Concepción., 2017) Pons Vargas, Sebastian Ignacio; Araneda Sepúlveda, Jaime Andrés; Navarro Maldonado, Roberto
Las ondas electromagnéticas ión-ciclotrón son componentes importantes en plasmas espaciales, astrofísicos y de laboratorio. En estos sistemas las funciones de distribución de velocidades de protones se encuentran normalmente fuera del equilibrio termodinámico, con anisotropías térmicas T⊥ 6= T. Estas anisotropías son una fuente de energía libre que permite la excitación de inestabilidades, siendo éstas las responsables del crecimiento de ondas electromagnéticas. Para poder cuantificar los efectos de estas inestabilidades es conveniente conocer las amplitudes y las escalas temporales de saturación de las fluctuaciones del campo magnético. Aunque la teoría lineal es una excelente herramienta para estudiar las tasas de crecimiento de las inestabilidades, esta teoría no es suficiente para predecir la máxima amplitud a la que crecerán las ondas excitadas (saturación). En este trabajo se emplea teoría cinética lineal para plasmas magnetizados y simulaciones híbridas-PIC para estudiar la relajación de distribuciones de protones inicialmente anisotrópicas. Se describen expresiones analíticas que dan cuenta de la saturación de la energía de ondas ión-ciclotrón y su relación con la variación de la energía cinética de las partículas, otras expresiones que permiten representar la evolución temporal de estas energías y una relación que permite predecir las escalas temporales a las cuales la energía magnética satura.
Sobre la Interacción Onda-Partícula en un Plasma Electroestático no Colisional Bajo Comportamiento Crítico.
(Universidad de Concepción., 2022) Sandoval Peñailillo, Isaías Alejandro; Araneda Sepúlveda, Jaime Andrés
It is known that Landau damping occurs due to the interaction between the wave (with velocity vφ = ω/k) and the resonant particles (v ≈ vφ), since in a plasma with a Maxwellian velocity distribution there are more particles (v . vφ) absorbing wave energy than particles (vφ . v) giving energy. Such modeling has proven to be true when the initial perturbation amplitude 0 is large enough for nonlinear effects to manifest in the plasma (like particle trapping), distorting the velocity distribution around vφ and thus showing that there is an efficient energy exchange that pro duces Landau damping. However, This modeling is incorrect for explain the Landau damping when 0 → 0, this means there is a limit value ∗ 0 1, below which energy exchange is not effective, and consequently the velocity distribution is not deformed around vφ even with Landau damping, showing that such modeling is not valid to explain the Landau damping for 0 < ∗ 0 . In this work we show that this limit exists and it is calculated by interpreting the Wave-Particle interaction as a second-order phase transition. We validate this with a technique developed by the author, which quantifies the efficiency of energy transmission through numerical solutions of the Vlasov-Poisson 1D system equations in quadruple computational precision, to show that well below that limit the velocity distribution does not deform around vφ even though Landau damping remains, until the energy decays to 0 for t → +∞ (computationally speaking, down to numerical noise).
Teoría cinética de inestabilidades paramétricas en plasmas
(Universidad de Concepción., 2011) Muñoz Sepúlveda, Patricio A.; Araneda Sepúlveda, Jaime Andrés
En la presente tesis se abordara el problema de interacion no lineal onda-onda de inestabilidades parametricas en plasmas, describiendo con modelos cinéticos el decaimiento de una onda de Alfven en el rango de frecuencias ion-ciclotron, circularmente polarizada y de propagacion paralela a lo largo de una campo magnetico estatico de fondo. El sistema a considerar será en primera instancia un plasma electrón-protón en donde, por el rango de frecuencias considerado y la diferencia entre la masa de dichas particulas, los primeros siempre se consideraran como un fluido sin masa. Dicho problema ha sido estudiado analiticamente durante mucho tiempo mediante modelos de fluidos (MHD, ver [Hollweg, 1994]) y cineticos hibridos (con ecuacion de Vlasov, ver [Araneda, 1998]) que incorporan amortiguamiento Landau (para los protones) en direccion longitudinal (al campo magnetico de fondo), logrando identificar que la onda madre (o pump) de Alfven decae en ondas hijas que son inestables para ciertos parámetros, generando asi las tres clasicas inestabilidades llamadas modulacional, de batido (beat) y de decaimiento. Ellas son de suma importancia para entender la fenomenologia relacionada con la propagación de ondas de Alfven en ambientes de plasmas espaciales, tales como la generación de turbulencia en el viento solar. Estas inestabilidades parametricas y su contexto seran discutidas en el capitulo 2 de esta tesis, en donde además se resolverá con modelos conocidos las relaciones de dispersión para poder establer comparaciones con las mejoras posteriores; mientras que las definiciones basicas de física de plasmas y las caracteristicas de ondas de Alfv´en ser´an dadas en el capitulo 1. Es en este contexto que el objetivo principal (y original) de esta tesis es extender los modelos de fluidos y cineticos-hibridos para este plasma electron-proton, incluyendo los efectos del amortiguamiento ion-ciclotron en la direccion transversal (al campo magnetico de fondo), mediante la obtencion de una relacion de dispersion completamente cinetica que describa el decaimiento de la onda de Alfven mencionada. Para ello, se adaptara el metodo desarollado en [Matsuda, 1986] para este rango de frecuencias, esperando identificar nuevos efectos sobre las inestabilidades parametricas mediante una comparacion con los resultados de modelos previos, ademas de establecer los regimenes de parametros en que ellos seran mas importantes. Estos resultados seran validados tambien con simulaciones hibridas, que describen mucho mas fielmente el plasma real que cualquier calculo analitico. Todo este analisis sera realizado en el capitulo 4 de esta tesis. Como complemento a lo anterior, el objetivo secundario sera investigar los efectos de añadir, al plasma anterior, un beam de iones con cierta velocidad relativa respecto a la poblacion de protones, tal como es frecuentemente observado en plasmas del viento solar (ver [Marsch, 2006]). Este sistema sera estudiado, principalmente, con el modelo cinetico-hibrido antes mencionado, tratando de buscar ciertos efectos y fenomenos no hallados en estudios previos sobre el tema. Dichos resultados seran validados tambien con simulaciones hibridas. Todo este estudio sera realizado en el capitulo 3 de esta tesis.
Vlasov-poisson simulations of the transverse instability of BGK-like modes in bump-on-tail distributed plasmas.
(Universidad de Concepción., 2020) Gidi Chomalí, Jorge Abraham; Araneda Sepúlveda, Jaime Andrés; Navarro Maldonado, Roberto Elías
Se utilizan simulaciones directas del sistema de Vlasov-Poisson en 2 dimensiones espaciales para estudiar la formación e inestabilidad transversal de modos tipo BGK originados por interacción auto-consistente en plasmas con distribuciones bump-ontail. La configuración de bump-on-tail excita modos paralelos y oblicuos al beam de manera consistente con predicciones de teoría lineal. Al ser formado un modo tipo BGK, las tasas de crecimiento de los modos oblicuos son modificadas, y siguen relaciones sencillas con respecto a la inestabilidad original de bump-on-tail. Cuando los modos oblicuos alcanzan energías comparables a la energía del modo tipo BGK, este ´ultimo colapsa, y un amplio espectro de harmónicos transversales es saturado.

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