Skip to main content
SUPERVISOR
Zafarollah Kalantari,Akbar Parvazian
سیدظفراله کلانتری (استاد مشاور) اکبر پروازیان (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Barani
محمد بارانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Analytical and numerical investigation of Landau damping of longitudinal oscillations in Boltzmann–Gibbs and nonextensive statistics
During researches on Tokamaks, it was clear that the ohmic heating used in them was not sufficient to obtain the temperatures needed for initiation of a self-sustaining thermonuclear reaction. Therefore a search was begun for methods of heating which could supplement ohmic heating. One of them is radio frequency (RF) wave heating. In this thesis, it has been shown thatinteractions between waves and particles can lead to either wave damping or wave instability depending on the shape of the velocity distribution of the particles and magnitude of the waves. This fact is based on Landau problem which has been deduced from imaginary part of the wave frequency during propagation. Beside, cold plasma wave in a background magnetic field has been described and main modes in such waves have been discussed not only mathematically but also physically. A certain additional subtle and practical aspects of wave propagation in an inhomogeneous plasma has been discussed. We also have shown that how the energy content of a wave is related to its dispersion relation. The particle-in-cell (PIC) computational method allows the statistical representation of general distribution functions in phase space. It has been shown that how nonlinearities occur after the existence of a perturbed electrostatic wave. Non-extensive statistical mechanics (NSM) has been developed as auseful tool to describe the complex systems whose properties cannot be exactlydescribed by Boltzmann–Gi (B-G) statistical mechanics. It is thought tobe a useful generalization of B-G statistics and to be appropriate for the statisticaldescription of the long-range interaction systems such as Plasmas. The generalized dispersion equation and Landau coefficient for longitudinal oscillationin an unmagnetized, collisionless and isotropic plasma with non-extensiveq-distribution like statistics is derived and compared with conventional distribution. Surprisingly it has been shown that how the damping rate depends on wave number of oscillations. A characteristic wave number is deduced as a criterion for comparing the damping in the two statistics. Key words Wave-plasma interaction, RF heating, Landau damping, inhomogeneities, nonlinearity, Particle-In-Cell (PIC) computational method, Boltzmann–Gi (B-G) statistics,q-distribution.
پس از پیشرفت های قابل توجه در محصور سازیِ مغناطیسیِ پلاسمایِ همجوشی، فیزیک دانان متوجه شدند برای رساندن پلاسما به دمای مطلوبِ همجوشی (keV 10) دچار مشکل هستند. به عنوان مثال، گرمایش اهمی(عبور جریان الکتریکی درون پلاسما جهت گرم کردن آن) در دماهای بالاتر از keV1 کارایی خود را از دست می داد و پلاسما به یک رسانای خوب تبدیل می شد و مقاومت اهمی از خود نشان نمی داد. برای حل این مشکلات استفاده از امواج رادیویی پیشنهاد و با موفقیت به کار گرفته شد. مسئله لاندائو بر پایه توصیف جنبشیِ پلاسما، راه را برای فهم برهمکنش های موج-پلاسما هموار کرده و دایره وسیعی از پدیده های گرمایش توسط امواج برای رسیدن به شرایط اشتعالِ(همجوشی) مطلوب را توصیف کرد. با کمک روش لاندائو در حل پاشندگی امواج الکترواستاتیک در پلاسمای غیرمغناطیده سرد، نشان داده می شود که مبادله انرژی توسط موج در کجا مفید و در کجا و چه زمانی آسیب زننده به شرایط پلاسمای مورد نظر خواهد بود. در این پایان نامه تئوری ناهمگنی، شرایط ریاضی و فیزیکی آن را برای یک سیستم پلاسمایی اعمال کردیم که در حل معادلات آن از روش WK استفاده شد. کد محاسباتی XES1 بر اساس روش شبیه سازی «ذره در جعبه» به کار گرفته شد تا نتایجِ حاصل از شبیه سازی –بدون پیچیدگی های تحلیلیِ ناشی از رفتار غیر خطی و ناهمگنی- در حضور موج ورودی بررسی شود. توجه به رفتار تابع توزیع و فضای فاز ذرات در حین تحولات پلاسما نشان می دهد که انرژی که ذرات پلاسما به طور خالص دریافت می کنند مقداری مثبت خواهد بود. این امر موجب گرمایش و آماده شدن پلاسما برای شرایط گداخت خواهد شد.ذراتِ به دام نیفتاده - در اثر برهمکنش با میدان الکتریکیِ موج اختلالیِ ورودی- به خاطر تمایلی که به سمت سرعت فاز موج ورودی پیدا می کنند، انرژی بالاتری را کسب می کنند و به این ترتیب میرایی موج و گرمادهی به سیستم پلاسمایی بدون برخورد ذرات با یکدیگر اتفاق می افتد. نتایج شبیه سازی نشان می دهداگر اختلال های بزرگ تری به سیستم وارد کنیم، پایداری سیستم در زمان های اولیه به شدت تحت الشعاع موج اختلالی قرار گرفته و گردابه ها که حاصل رفتار غیر خطی در پلاسما هستند ظاهر می شوند. در زمان های بزرگ تر تغی یرات ملایم تر می شود به گونه ای که از افت و خیزهای شدید خبری نیست و تعداد قله های افت و خیز کاهش می یابد. پس از آن سیستم پایدار شده و تابع توزیع شکل تقریبا ثابتی به خود می گیرد. نتیجه امر این است که دراثر ورود موج به سیستم، انرژی ذرات پلاسما بالا رفته و پس از افت و خیز های نسبتا بزرگ و خارج از حالت تعادل، تابع توزیع شروع به نرم شدن می کند و در نهایت در حالت بالاتری از نظر انرژی باقی می ماند. فیزیک آماری نشان می دهد که در «سیستم های نابهنجار» مانند سیستم های بزرگ که بین ذرات آن ها نیروهای بلند-برد وجود دارد و سیستم های اتلافی(دور از حالت تعادل)، آمارِ واقعی از آمار بولتزمن- گیبس انحراف نشان می دهد. از آن جایی که فُزون وَربودن در فیزیک آماری یک فرض بدیهی (نه یک مفهوم بنیادی) است، با تعریف آنتروپی های نافُزون وَر، می توان برای چنین سیستم هاییمانند محیط های پلاسمایی که تحت تاثیر ناپایداری ها از حالت اولیه خود خارج می شوند توصیفات بهتری ارائه کرد. در این رساله همچنین از روش لاندائو برای تابع توزیعی که بر اساس آمار نافزون ور نوشته شده استفاده کرده ایم تا ضریب لاندائو را برای سیستم پلاسماییِ نافزون ور با دقت بیشتری به طور تحلیلی به دست آوریم. نتایجِ حاصل از هردو آمار(کلاسیک و نافزون ور) با یکدیگر مقایسه شده و در نهایت معیاری برای غلبه میرایی موج در هر یک به دست آمده است.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی