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Christopher James Rapson

• Beams of ions and electrons are a source of free energy which can be transferred to waves via an instability. Beams exist in almost all plasma environments, but their instabilities are particularly important for the dynamics of space plasmas. In the absence of collisions, the instability drives waves to large amplitudes and forms nonlinear structures such as solitary waves. The electric fields in these waves can scatter particles in the background plasma, or disrupt currents. Both of these effects are important for the overall dynamics of the plasma. In this thesis, both electron and ion beam plasma instabilities have been investigated in the linear plasma device VINETA and using a Particle-in-Cell simulation. The electron beam instability has been demonstrated by previous authors to be a useful diagnostic for the plasma density. The spatial resolution of previous results was confirmed at a few millimetres, and a temporal resolution of 1ms was shown for the first time. An ion beam was generated with a double plasma discharge. Compared to space, this environment and indeed most laboratory plasmas have considerably higher collisionality and a limited spatial extent which introduces gradients in the plasma. Gradients perpendicular to the beam propagation direction are linked to a decrease of both the wavelength and amplitude of the instability. It was observed in both experiment and simulation that gradients in sheaths at the boundaries of the plasma not only affect the time averaged plasma parameters, but also excite instabilities. Fluctuations within the sheath spread the beam in velocity space, effectively increasing its temperature. Warmer beams require a higher drift velocity to excite an instability. This was also confirmed by experimental and numerical results. Collisions are shown to be the dominant damping force for the electron beam instability. For ions, collisions play an important role in the simulation, but appear to be overshadowed by Landau damping from impurities in the experiment. When boundary conditions are removed from the simulation, wave amplitudes increase and nonlinear effects become important. Saturation by particle trapping and coalescence of phase space holes is observed, which could eventually lead to the solitary waves as they are observed in space plasmas.
• Ion- und Elektronenstrahlen stellen eine freie Energiequelle dar, die über einen Instabilitätsmechanismus Wellen anregen kann. Strahl-Plasma-Instabili-täten treten in nahezu allen Plasmen auf und sind insbesondere von großer Bedeutung für die Dynamik von Weltraumplasmen. Im Fall kollisionsfreier Plasmen erzeugt die Instabilität Wellen großer Amplituden und es kommt zur Ausbildung nichtlinearer Strukturen wie beispielsweise Einzelwellen. Die elektrischen Felder dieser Wellen kann Teilchen des Hintergrundplasmas streuen oder Ströme stören. Diesebeiden Effekte sind wichtig für die globale Dynamik des Plasmas. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Elektronen- sowie Ionenstrahl-getriebene Instabilitäten experimentell in der linearen Plasmaanlage VINETA und mit Hilfe von Particle-in-Cell Simulationen untersucht. Wie in vorigen Arbeiten wurde gezeigt, dass die Elektronenstrahlgetriebene Instabilität als Diagnostik für die Plasmadichte genutzt werden kann. Dabei wurde eine gute räumliche (5mm) und zeitliche (1ms) Auflösung erreicht. Ein Ionenstrahl wurde in einer sogennannten Doppel-Entladung erzeugt. Im Vergleich zu Weltraumplasmen ist die Kollisionalität im Laborplasma gewöhnlicherweise viel größer. Außerdem sorgt die begrenzte räumliche Ausdehnung für Gradienten im Plasma. Gradienten senkrecht zur Propagations-richtung des Strahls wurden mit einer Reduzierung in Wellenlänge und Amplitude der Instabilität assoziert. In Experimenten und in Simulationen wurde gezeigt, dass Gradienten in Grenzschichten nicht nur die zeitgemittelten Parameter beeinflussen,sondern auch selbst Instabilitäten anregen. Fluktuationen innerhalb der Schicht verteilen den Strahl im Geschwindigkeitsraum und erhöhen seine Temperatur. Dadurch ist eine höhere mittlere Geschwindigkeit notwendig, um eine Instabilität anzuregen. Dieser Effekt wurde in Experimenten und Simulationen bestätigt. Es wird gezeigt, dass Stöße die entscheidende Rolle bei der Elektronenstrahl-getriebenen Instabilität spielen. Bei Ionen sind Stöße wichtig in der Simulation, aber im Experiment scheint Landaudämpfung durch Verunreinigungen zu dominieren. Wenn Randeffekte künstlich aus den Simulationen entfernt werden, vergrößert sich die Amplitude und es kommt zum Auftreten nichtlinearer Effekte. Die Sättigung durch das Einfangen von Teilchen und die Verschmelzung von Phasenlöchern könnten zur Entwicklung von Einzelwellen führen, wie sie in Weltraumplasmen beobachtet werden