SUPERVISOR
Akbar Parvazian,Behrouz Mirza,Zafarollah Kalantari
اکبر پروازیان (استاد راهنما) بهروز میرزا (استاد مشاور) سیدظفراله کلانتری (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammad Aliasgarian
محمد علی عسگریان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1387
TITLE
Study and simulation of mode conversion methods used for electron Bernstein wave generation in fusion plasma heating
Nonlinear effects observed in inhomogeneous plasmas are simulated using different methods. Particle in cell (PIC) method is used to simulate the conversion processes of electromagnetic modes used in heating the fusion energy equipment. Firsly, we tried to simulate conversion processes using Vlasov solver method but due to problems of parallel processing and wave creation, PIC method was used. However Vlasov solver method has been used to simulate the electrostatic and electromagnetic effects in a plasma with the characteristics of space plasmas. Vlasov solver is the method in which to study the motion of particles, the particle distribution function can be used. Vlasov equation is coupled with Maxwell's equations and their time evolution is calculated. By Fourier transformation of velocity in the distribution function in the Vlasov equation and removing the highest Fourier component via absorbing boundary conditions, the recurrence effect is strongly reduced. Particles distribution functions and electric and magnetic fields are discretized on the orthogonal grid of equal-sized cells in the position and inverted velocity. Their time evolution is evaluated using Runge-Kutta method. A series of electrostatic effects are simulated using Vlasov solver method. Firstly, the electrostatic electron Bernstein waves in a two-dimensional space is simulated. Then, the famous Bernstein-Landau paradox about the propagation and damping of electrostatic waves in magnetized and non-magnetized plasma has been investigated. Finally, the undamped Bernstein–Greene–Kruskal (BGK) modes due to nonlinear evolution of Langmuir electrostatic wave have been obtained. Also, using this method, an electromagnetic X mode wave in a magnetized plasma with the properties of space plasma is simulated. In PIC method, position and velocity of particles are defined in continuous space and fields in discrete space. Values of particles properties and fields are obtained sequentially at different times; this process starts from the initial conditions. To obtain these values, the relativistic Lorentz equation of motion is solved to obtain the position and velocity of particles along with Maxwell's equations for the fields. Ordinary-extraordinary-Bernstein (OXB) double mode conversion is investigated and simulated with using XOOPIC code in the TJ-II stellarator for the case when the input wave frequency is 28 GHz. To provide the conditions of TJ-II, nonuniform density and magnetic field profile is fully modeled. The first step of double conversion, the OX mode conversion is observed. By considering the components of the injected wave into the TJ-II and the reflected wave from UHR layer, we can easily identify O and X mode waves. Then by checking the electrical power of the injected and reflected O mode wave, the O-X mode conversion efficiency is obtained for the special case in which the angle between the injection direction and the toroidal magnetic field of stellarator is . The obtained value is 63% which is consistent with the results obtained using other simulation methods and also with experimental results. Direct X-B mode conversion in NSTX, by using XOOPIC in the case where the amplitude of the incoming wave is and frequency , is also investigated and simulated. With this range of input wave amplitude, the system is at nonlinear regime. It has been shown that the values obtained from the simulation are higher than theoretical values about 10 to 15 %. This difference could be due to nonlinear effects.
اثرات غیرخطی مشاهده شده در پلاسماهای ناهمگن با استفاده از روش های متفاوت شبیه سازی شده است. از روش محاسباتی ذره در جعبه (PIC) برای شبیه سازی فرآیندهای تبدیل مدهای الکترومغناطیسی مورد استفاده در گرمایش تجهیزات تولید انرژی همجوشی استفاده شده است. در ابتدا هدف این تز، شبیه سازی این فرآیندهای تبدیل مد با استفاده از روش حل دستگاه معادلات ولاسوف-ماکسول بود که با بروز مشکلات در پردازش موازی و ایجاد سطوح ساطع کنند? امواج، در ادامه روش ذره در جعبه مورد استفاده قرار گرفت. با این حال، حل دستگاه معادلات ولاسوف-ماکسول برای شبیه سازی اثرات الکتروستاتیکی و الکترومغناطیسی در پلاسمای دارای مشخصه پلاسماهای فضایی استفاده شده است. روش حل دستگاه معادلات ولاسوف-ماکسول روشی است که در آن برای بررسی حرکت ذرات، از تابع توزیع ذرات استفاده می شود. معادل? ولاسوف با دستگاه معادلات ماکسول جفت شده و تحول زمانی آنها محاسبه می شود. با تبدیل فوریه تابع توزیع موجود در معادل? ولاسوف در فضای سرعت و حذف بلندترین مؤلف? فوریه از طریق شرایط مرزی جذب کننده، اثر بازگشتی را می¬توان به شدت کاهش داد. توابع توزیع ذرات و میدان های الکتریکی و مغناطیسی، بر روی شبکه ای متعامد متشکل از سلول های هم اندازه در فضای مکان و وارون سرعت، گسسته شده و تحول زمانی آنها با استفاده از روش رونگه-کوتای مرتب? چهارم، ارزیابی می شود. به روش حل دستگاه ولاسوف-ماکسول، یک سری از اثرات الکتروستاتیکی شبیه سازی شده است. در ابتدا امواج الکتروستاتیکی برنشتاین الکترونی در یک فضای دوبعدی شبیه سازی شده است. سپس پارادوکس معروف برنشتاین-لاندائو در مورد انتشار و میرایی امواج الکتروستاتیک در پلاسمای مغناطیده و نامغناطیده بررسی شده است و در نهایت مدهای نامیرای برنشتاین-گرین-کروسکال (BGK) ناشی از تحول غیرخطی موج الکتروستاتیکی لانگمیر نشان داده شده اند. همچنین با استفاده از این روش، موج الکترومغناطیسی مد X در پلاسمای مغناطیده با مشخص? پلاسمای فضایی شبیه سازی شده است. در روش ذره در جعبه، ذرات در فضای پیوست? مکان و سرعت و میدان ها در فضای گسست? مکان تعریف می شوند. مقادیر مربوط به ذرات و میدان ها به صورت پی در پی در زمان های مختلف به دست می آیند و این روند از شرایط اولیه آغاز می شود. برای به دست آوردن این مقادیر معادل? حرکت لورنتس نسبیتی برای به دست آوردن مکان و سرعت ذرات همراه با دستگاه معادلات ماکسول برای میدان ها حل می شوند. تبدیل مد دوگان? امواج عادی-غیرعادی-برنشتاین (O-X-B)، با استفاده از کد ذره در جعب? XOOPIC در استرلیتور TJ-II برای حالتی که بسامد موج ورودی می باشد، بررسی و شبیه سازی شده است. برای فراهم کردن شرایط TJ-II ، نمای? غیریکنواخت چگالی و میدان مغناطیسی به طور کامل مدل سازی شده است. اولین گام تبدیل مد دوگانه که تبدیل مد O-X است، قابل مشاهده است. با بررسی مؤلفه های موج تزریق شده به داخل TJ-II و موج بازتابیده از لای? UHR، به راحتی می توان موج مد O و موج مد X را شناسایی کرد. در ادامه با بررسی توان الکتریکی تزریقی و بازتابید? موج مد O ، بازده تبدیل مد O-X برای حالت خاصی که درآن زاوی? بین راستای تزریق و میدان حلقوی استلریتور 47 درجه است به دست آمده است. مقدار به دست آمد? 63% است که با موارد حاصل از شبیه سازی به روش های دیگر محاسباتی و تجربه سازگار است. تبدیل مد مستقیم X-B نیز با استفاده از XOOPIC در توکامک کروی NSTX برای حالتی که در آن دامن? موج ورودی و بسامد موج ورودی می باشد، بررسی و شبیه سازی شده است. با چنین دامنه ای از موج ورودی، سیستم در رژیم غیرخطی قرار می گیرد. طول موج و سرعت گروه موج برنشتاین ایجاد شده در این روش از طریق شبیه سازی تعیین شده و با مقادیر به دست آمده از نظری? خطی انتشار امواج، مقایسه شده است. نشان داده شده است که مقادیر به دست آمده از شبیه سازی در حدود 10 الی 15% از مقادیر نظری بیشتر هستند. این تفاوت می تواند از اثرات غیرخطی ناشی شده باشد.