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Numerical and Experimental Investigation of Beam-Plasma-Instabilities

  • 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

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Metadaten
Author: Christopher James Rapson
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001283-5
Title Additional (German):Numerische und Experimentelle Untersuchung von Strahl-Plasma-Instabilitäten
Advisor:Dr. Olaf Grulke, Prof. Dr. Thomas Klinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/08/13
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2012/06/01
Contributing Corporation:Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, EURATOM Ass., Greifswald, Germany
Release Date:2012/08/13
Tag:Beam, Low Temperature Plasma, Particle in Cell Simulation, Plasma Instability, Plasma dynamics
GND Keyword:Kaltes Plasma, Plasma, Plasmadynamik, Plasmarandschicht, Plasmaschwingung
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.35.-g Waves, oscillations, and instabilities in plasmas and intense beams (see also 94.20.wf Plasma waves and instabilities in physics of the ionosphere; 94.30.cq MHD waves, plasma waves, and instabilities in physics of the magnetosphere; 96.50.Tf MHD waves, pl
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.40.-w Plasma interactions (nonlaser) / 52.40.Hf Plasma-material interactions; boundary layer effects
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.65.-y Plasma simulation / 52.65.Rr Particle-in-cell method
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.72.+v Laboratory studies of space- and astrophysical-plasma processes (see also 94.05.Rx in space plasma physics)
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.75.-d Plasma devices (for ion sources, see 29.25.Lg, Ni; for plasma sources, see 52.50.Dg) / 52.75.Xx Thermionic and filament-based sources (e.g., Q machines, double- and triple-plasma devices, etc.)