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dc.contributor.advisorStroth, Ulrich (Prof. Dr. rer. nat.)de
dc.contributor.authorAziz, Farahde
dc.date.accessioned2011-07-25de
dc.date.accessioned2016-03-31T07:52:53Z-
dc.date.available2011-07-25de
dc.date.available2016-03-31T07:52:53Z-
dc.date.issued2011de
dc.identifier.other347770371de
dc.identifier.urihttp://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-64210de
dc.identifier.urihttp://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1924-
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.18419/opus-1907-
dc.description.abstractPlasma is a nonlinear and dispersive medium that supports the propagation of several types of electrostatic and electromagnetic waves. Ion-acoustic waves are very simple kind of waves that take the form of solitary waves, if the effects of nonlinearity and dispersion are balanced with each other in the plasma. A solitary wave is called a soliton if it retains its shape during propagation and after collision with another solitary wave. In the present thesis, the research work is mainly focused on the theoretical, experimental and numerical analyses of ion-acoustic solitons. The analytical part deals with the soliton propagation, reflection and transmission in an inhomogeneous plasma having electrons being trapped in the soliton potential. The experimental and simulation parts emphasize on the soliton evolution mechanisms and their propagation in a Double-Plasma (DP) device. One-dimensional propagation of the solitons is analyzed under the effects of ion temperature, density inhomogeneity and temperature and concentration of trapped electrons. Here, the usual KdV equation is found to be modified by variable coefficients and an additional term appearing due to the density gradient present in the plasma. This modified KdV (mKdV) equation is solved by using a novel technique, called sine-cosine method. The linear and nonlinear analyses lead us to infer that the soliton propagation characteristics are significantly modified in the presence of even a small population electrons trapped by the wave potential and hence interact strongly with the wave during its propagation. Apart from the one dimensional propagation of mKdV solitons, oblique reflection of the solitons from a density gradient is investigated in the plasma. In relation to the transmission and reflection of the solitons from a semi-transparent grid, conditions are obtained for the obliqueness of the propagation and maximum drift velocity of ions. Also, a transmission-reflection conservation law is derived, based on which the mechanism of soliton reflection and transmission is explored in detail. The contribution of trapped electrons to the solitons’ propagation, reflection and transmission is examined through energy, amplitude and width of the solitons, in addition to the effects of temperature and drift of the ions. As mentioned, the experimental and simulation studies are conducted in a DP device. This device consists of two plasma regions, the source chamber and a target chamber, both housed in a common vacuum chamber. Here, the excitation of linear and nonlinear ion-acoustic waves is carried out by applying bursts of sinusoidal signals on the grid that separates the source and the target chambers. The soliton generation mechanism in the target chamber is explored by carrying out diagnostic measurements using a Langmuir probe. It is observed that the soliton profiles are accompanied by a burst of fast ions and a depression of ions, when electron temperature Te remains much larger than the ion temperature Ti, i.e. Te >> Ti. Soliton profiles are investigated for different peak-to-peak amplitudes, durations and frequencies of the applied grid signal. Particle-In-Cell (PIC) simulations are carried out in order to study in detail the evolution and propagation mechanism of the solitons. The simulation results show similar features as observed in the experiment for Te/Ti > 10. A detailed insight into the soliton evolution mechanism is obtained based on the ion phase- space distributions obtained from the simulations. Also, the effect of the amplitude, duration and frequency of the excitation signal on the soliton evolution is simulated. The simulated soliton is found to behave in a consistent manner under the effect of the parameters and it acquires a saturation in its amplitude after undergoing an initial enhancement. However, the simulations with Te/Ti < 10 having higher concentrations of resonant ions show strong interaction of the waves with the ions, producing another soliton through energy exchange mechanism. Finally, the generation mechanism of this second soliton is discussed based on the simulation studies.en
dc.description.abstractEin Plasma ist ein nichtlineares und dispersives Medium, das die Ausbreitung vielfältiger Typen von elektrostatischen und elektromagnetischen Wellen ermöglicht. Ion-akustische Wellen sind relativ simple Wellen, die die Form von solitären Wellen annehmen, wenn die Auswirkungen von Nichtlinearität und Dispersion im Plasma einander ausgleichen. Solitäre Wellen werden als Solitonen bezeichnet, wenn sie ihre Form bei der Ausbreitung und nach Kollision mit einem anderen Soliton nicht ändern. Die vorliegende Dissertation beschränkt sich im Wesentlichen auf die theoretische, experimentelle und numerische Untersuchung von Ionen-akustischen Solitonen. Der analytische Teil befasst sich mit der Ausbreitung, der Reflexion und der Transmission von Solitonen in einem inhomogenen Plasma mit eingeschlossen Elektronen. Der experimentelle Teil und die Simulationen behandeln die Untersuchung von Soliton-Entstehungsmechanismen und ihre Propagation in einem Double-Plasma (DP) Experiment. Die eindimensionale Ausbreitung von Solitonen wird unter dem Einfluss von Ionen-Temperatur, Dichte-Inhomogenität und Temperatur sowie Konzentration der eingefangenen Elektronen analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass die übliche KdV-Gleichung durch variable Koeffizienten und eine zusätzlichen Term, der aufgrund des Dichtegradienten im Plasma erscheint, modifiziert wird. Diese modifizierte KdV-Gleichung (mKdV) wird unter Verwendung einer neuartigen Technik namens Sinus-Cosinus-Methode gelöst. Die lineare und nichtlineare Analysen lassen uns schlussfolgern, dass die Soliton-Ausbreitungseigenschaften in der Gegenwart bereits kleiner Populationen von eingefangenen Elektronen signifikant geändert werden, da diese Elektronen von dem Potenzial der Welle gefangen werden und damit während ihrer Ausbreitung stark mit der Welle wechselwirken. Neben der eindimensionalen Ausbreitung von mKdV-Solitonen, wird auch die schiefe Reflexion der Solitonen an einem Dichtegradienten im Plasma untersucht. Im Zusammenhang mit der Transmission und Reflexion der Solitonen an einen semitransparenten Gitter, werden die Bedingungen für die Schiefe der Ausbreitung und die maximale Ionendriftgeschwindigkeit hergeleitet. Es wird auch eine Transmission- Reflexions-Erhaltungsgleichung hergeleitet, auf deren Grundlage der Mechanismus der Soliton-Reflexion und Transmission im Detail untersucht werden. Der Einfluss der eingefangenen Elektronen auf die Ausbreitung, Reflexion und Transmission der Solitonen wird durch Bestimmung der Energie, Amplitude und Breite der Solitonen untersucht, zusätzlich zu den Auswirkungen von Temperatur und Drift der Ionen. Wie bereits erwähnt, werden die experimentellen und Simulationsstudien in einem DP-Gerät durchgeführt. Dieses Gerät besteht aus zwei Plasma-Regionen, der Source-Kammer und der Target-Kammer, die sich beide in einem gemeinsamen Vakuumgefäß befinden. Hier wird die Anregung von linearen und nichtlinearen Ionen-Schallwellen durch das Anlegen von sinusförmigen Burst-Signalen auf dem Gitter, dass die Source und die Target-Kammern trennt, durchgeführt. Der Soliton-Erzeugungsmechanismus in der Target-Kammer wird durch Messungen mit Hilfe einer Langmuir-Sonde untersucht. Es wird beobachtet, dass die Profile der Solitonen von einem Ausbruch von schnellen Ionen und einer Abnahme der Ionen begleitet werden, wenn die Elektronentemperatur Te größer als die Ionentemperatur Ti ist, d.h. Te >> Ti. Soliton-Profile werden für unterschiedliche Peak-to-Peak-Amplituden, Laufzeiten und Frequenzen der angelegten Gitter-Signale untersucht. Particle-In-Cell (PIC) Simulationen werden durchgeführt, um den Entstehungs-und Ausbreitungsmechanismus der Solitonen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen ähnliche Eigenschaften wie in den beobachteten Experimente für Te/Ti > 10. Detaillierte Einblicke liefern die Simulationen auch in die Soliton-Entstehungsmechanismen basierend auf der Ionen-Phasenraum-Verteilung. Weiterhin wird die Auswirkung der Amplitude, der Dauer und der Frequenz des Anregungssignals auf die Soliton-Entwicklung simuliert. Die simulierten Solitonen verhalten sich in einer konsistenten Weise unter der Auswirkung der Parameter und erreichen eine Sättigung in ihrer Amplitude nach Durchlaufen einer ersten Steigerung. Zusätzlich zeigen die Simulationen bei Te/Ti < 10 mit höheren Konzentrationen von resonanten Ionen eine starke Wechselwirkung der Wellen mit den Ionen, wodurch ein weiteres Soliton durch einen Energie-Austausch-Mechanismus entsteht. Abschließend wird der Entstehungsmechanismus dieses zweiten Solitons basierend auf den Simulationsstudien diskutiert.de
dc.language.isoende
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccessde
dc.subject.classificationSoliton , Simulation , Plasmatheoriede
dc.subject.ddc530de
dc.subject.othermKdV-Gleichungde
dc.subject.othersoliton , PIC simulation , double-Plasma device , modified KdV equationen
dc.titleIon-acoustic solitons : analytical, experimental and numerical studiesen
dc.title.alternativeIonen-akustische Solitonen : analytische, experimentelle und numerische Studiende
dc.typedoctoralThesisde
dc.date.updated2011-07-25de
ubs.dateAccepted2011-07-11de
ubs.fakultaetFakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnikde
ubs.institutInstitut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologiede
ubs.opusid6421de
ubs.publikation.typDissertationde
ubs.thesis.grantorFakultät Mathematik und Physikde
Appears in Collections:04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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