Volltext-Downloads (blau) und Frontdoor-Views (grau)
The search result changed since you submitted your search request. Documents might be displayed in a different sort order.
  • search hit 1 of 10
Back to Result List

Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-43289

Kinetic Theory of Electron-Positron Plasmas

  • In this thesis, I present work motivated, in part, by a series of upcoming laboratory experiments (APEX), which seeks to uncover some of the inner workings of turbulence and stability in electron- positron plasmas in closed field-line systems. I present the results of several distinct, but connected, problems addressing the theory of electron-positron plasmas. This work is partitioned into several parts, which loosely correspond to different particulars of the APEX experiment and the different theoretical physics problems which reside within. I begin with the derivation of a kinetic theory for plasmas which are optically thin to cyclotron emission, as indeed, experimental pair plasmas are expected to be. The results of this section include: (1) the derivation of a general kinetic theory of cyclotron radiation in electron-ion plasmas; (2) a calculation showing that cyclotron emission results in strongly anisotropic distribution functions on the radiation timescale; (3) calculation of the evolution of the distribution function under collisional scattering which, in the absence of any radiation terms, acts to drive the plasma towards a Maxwellian; (4) generalisation of this theory to more exotic geometries; (5) specialisation of this theory to pair plasmas of experimental interest; and (6) presentation of the applications and the limitations of this theory. The second project is primarily concerned with non-neutral plasmas. We begin with gyrokinetic theory and a novel extension of this theoretical framework to plasmas with arbitrary degree of neutrality in straight field-line geometry. I go on to discuss the gyrokinetic stability theory of such plasmas in this simplified geometry. I conclude this project with a discussion of some further nuances in the theory of singly-charged non-neutral plasmas, this time concerning global features. Namely, I declare an interest in the equilibria such plasmas might be able to attain. The final project pertains to plasmas which are in state of Maxwellian equilibrium i.e., electron- positron plasmas with sufficiently large number densities of each species to attain a stationary quasineutral plasma. To this end, I present gyrokinetic flux-tube simulations of electron-positron plasmas in complex, and experimentally relevant, magnetic geometries on the road towards a study of gyrokinetic turbulence. The results of this work include: (1) the first simulations of electron- positron plasmas in a stellarator and ring-dipole geometry; (2) an analytic theory of trapped particle modes in electron-positron plasmas, a result which can also be verified numerically; and (3) extension of several important theoretical results in electron-positron plasmas to experimentally relevant geometries. The culmination of this project is the roadmap ahead towards demonstration of the so-called “inward pinch” effect in electron-positron plasmas in a magnetic Z-pinch.
  • In dieser Arbeit stelle ich Arbeiten vor, die zum Teil durch eine Reihe von bevorstehenden Laborexperimenten (APEX) motiviert sind, die darauf abzielen, einige der inneren Abläufe von Turbulenz und Stabilität in Elektron-Positron-Plasmen in geschlossenen Feldliniensystemen aufzudecken. Ich präsentiere die Ergebnisse mehrerer verschiedener, aber miteinander verbundener Probleme, die sich mit der Theorie von Elektron-Positron-Plasmen befassen. Diese Arbeit ist in mehrere Teile gegliedert, die lose den verschiedenen Besonderheiten des APEX-Experiments und den verschiedenen Problemen der theoretischen Physik, die darin enthalten sind, entsprechen. Ich beginne mit der Herleitung einer kinetischen Theorie für Plasmen, die für Zyklotronemission optisch dünn sind, wie es bei den experimentellen Paarplasmen zu erwarten ist. Die Ergebnisse dieses Abschnitts umfassen: (1) die Ableitung einer allgemeinen kinetischen Theorie der Zyklotronstrahlung in Elektron-Ionen-Plasmen; (2) eine Berechnung, die zeigt, dass die Zyklotronemission zu stark anisotropen Verteilungsfunktionen auf der Strahlungszeitskala führt; (3) eine Berechnung der Entwicklung der Verteilungsfunktion unter kollisionaler Streuung, die in Abwesenheit jeglicher Strahlungsterme das Plasma in Richtung eines Maxwells treibt; (4) eine Verallgemeinerung dieser Theorie auf exotischere Geometrien; (5) eine Spezialisierung dieser Theorie auf Paarplasmen von experimentellem Interesse; und (6) die Darstellung der Anwendungen und der Grenzen dieser Theorie. Das zweite Projekt befasst sich hauptsächlich mit nicht-neutralen Plasmen. Wir beginnen mit der gyrokinetischen Theorie und einer neuartigen Erweiterung dieses theoretischen Rahmens auf Plasmen mit beliebigem Neutralitätsgrad in gerader Feldliniengeometrie. Ich fahre fort mit der Diskussion der gyrokinetischen Stabilitätstheorie solcher Plasmen in dieser vereinfachten Geometrie. Ich schließe dieses Projekt mit einer Diskussion über einige weitere Ich schließe dieses Projekt mit einer Diskussion einiger weiterer Nuancen in der Theorie von einfach geladenen, nicht-neutralen Plasmen ab, diesmal bezüglich globaler Eigenschaften. Ich erkläre nämlich mein Interesse an den Gleichgewichten, die solche Plasmen erreichen können. Das letzte Projekt bezieht sich auf Plasmen, die sich im Zustand des Maxwellschen Gleichgewichts befinden, d.h. Elektron-Positron-Plasmen mit ausreichend großen Anzahldichten jeder Spezies, um ein stationäres quasineutrales Plasma zu erreichen. Zu diesem Zweck präsentiere ich gyrokinetische Flux-Tube-Simulationen von Elektron-Positron-Plasmen in komplexen und experimentell relevanten magnetischen Geometrien auf dem Weg zu einer Untersuchung der gyrokinetischen Turbulenz. Die Ergebnisse dieser Arbeit umfassen: (1) die ersten Simulationen von Elektron-Positron-Plasmen in einer Stellarator- und Ring-Dipol-Geometrie; (2) eine analytische Theorie der gefangenen Teilchenmoden in Elektron-Positron-Plasmen, ein Ergebnis, das auch numerisch verifiziert werden kann; und (3) die Erweiterung mehrerer wichtiger theoretischer Ergebnisse in Elektron-Positron-Plasmen auf experimentell relevante Geometrien. Der Höhepunkt dieses Projekts ist der Weg zur Demonstration des sogenannten "Inward Pinch"-Effekts in Elektron-Positron-Plasmen in einem magnetischen Z-Pinch.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar

Statistics

frontdoor_oas
Metadaten
Author: Daniel KennedyORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-43289
Title Additional (English):Kinetische Theorie von Elektron-Positron-Plasmen
Referee:Prof. Dr. Per Helander, Prof. Dr. Paolo Ricci, Prof. Dr. Peter Catto
Advisor:Prof. Dr. Per Helander
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of first Publication:2021/02/22
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/02/10
Release Date:2021/02/22
GND Keyword:Plasma Physics
Pagenumber:248
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik