Tesi sul tema "Vlasov-Poisson equations"

Thesis (Ph.D.)--City University of Hong Kong, 2009.
"Submitted to Department of Mathematics in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy." Includes bibliographical references (leaves [84]-87)

Dans cette these, on etudie en premier lieu la continuite et la derivabilite des solutions d'equations aux derivees partielles lineaires du premier ordre par rapport a des perturbations imposees aux donnees du probleme: domaine sur lequel est posee l'equation, champ de vecteurs et donnee au bord. Nous montrons que la continuite a toujours lieu pour des donnees regulieres. Par contre, nous demontrons que la differentiabilite n'est pas toujours verifiee et nous mettons en evidence une condition suffisante de compatibilite geometrique entre les champs de vecteurs et l'ouvert de travail pour obtenir cette regularite. Dans une deuxieme partie, on enonce et on met numeriquement en oeuvre des algorithmes permettant de resoudre le systeme de vlasov-poisson stationnaire. Les methodes mises en oeuvre sont construites autour d'algorithmes de newton qui necessitent l'analyse de stabilite effectuee prealablement sur les equations aux derivees partielles du premier ordre. Nous proposons de resoudre le systeme de vlasov-poisson, mais on s'interesse aussi tout particulierement a l'approche numerique du regime critique de child-langmuir. Pour la resolution de chacun de ces deux problemes, un algorithme de newton est propose. On presente alors des simulations numeriques en dimension 1 d'espace puis en dimension 2 axi-symetrique.

We study a stochastic particle system with a logarithmically-singular inter-particle interaction potential which allows for inelastic particle collisions. We relate the squared Bessel process to the evolution of localized clusters of particles, and develop a numerical method capable of detecting collisions of many point particles without the use of pairwise computations, or very refined adaptive timestepping. We show that when the system is in an appropriate parameter regime, the hydrodynamic limit of the empirical mass density of the system is a solution to a nonlinear Fokker-Planck equation, such as the Patlak-Keller-Segel (PKS) model, or its multispecies variant. We then show that the presented numerical method is well-suited for the simulation of the formation of finite-time singularities in the PKS, as well as PKS pre- and post-blow-up dynamics. Additionally, we present numerical evidence that blow-up with an increasing total second moment in the two species Keller-Segel system occurs with a linearly increasing second moment in one component, and a linearly decreasing second moment in the other component.

Esta tesis está dedicada al desarrollo, aplicación y test de métodos para la simulación numérica de problemas procedentes de la física y de la ingeniería electrónica. La principal herramienta aplicada a lo largo de todo el trabajo es la ecuación de Vlasov (transporte) en la forma de la Boltzmann Transport Equation (BTE) para la descripción del transporte de partículas cargadas en plasmas y dispositivos electrónicos: las cargas se mueven bajo el efecto de un campo de fuerza y sufren scattering debido a otras cargas o fonones (pseudo-partículas que describen de manera efectiva las vibraciones de los iones del retículo cristalino).
La BTE ha de ser acoplada con una ecuación o sistema de ecuaciones para calcular el campo de fuerza: para estructuras simples se usa la ecuación de Poisson; para plasmas, donde los efectos magnéticos no se pueden despreciar debido a las altas velocidades de las partículas, se usa la fuerza de Lorentz, por lo cual se han de resolver las ecuaciones de Maxwell; en nanoestructuras, por ejemplo transistores con dimensiones confinadas, la ecuación de Poisson necesita ser acoplada con la ecuación de Schrödinger para la descripción de las dimensiones cuánticas y para la descomposición en sub-bandas, o niveles de energía.
Las colisiones son el scattering que las cargas padecen debido a las interacciones con otras cargas o con el retículo cristalino fijo, representado en forma de fonones. En la tesis se emplean diversos operadores de scattering: los más simples son operadores lineales de relajación; se estudia un modelo para la simulación de semiconductores donde se tienen en cuenta colisiones con fonones acústicos, en aproximación elástica, y fonones ópticos.
Tras la introducción, en el primer capítulo se desarrollan los métodos numéricos más importantes: primero un método de interpolación no oscilante (PWENO), necesario para evitar las oscilaciones producidas por la reconstrucción por polinomios de Lagrange, que incrementa la variación total cuando aparecen choques: las oscilaciones en el espacio de fases son características del problema, pero si el método añade oscilaciones espúreas (es decir, debidas al método en sí), entonces el resultado numérico no tiene sentido, o simplemente explota. El segundo método numérico fundamental es la técnica de splitting: cuando se resuelve un problema complicado, si se puede dividir en sub-problemas y resolverlos por separado, entonces se puede reconstruir una aproximación para el problema completo; esta técnica se usa para el time splitting (separación de la parte de transporte y de colisión) y el splitting dimensional (dividir el espacio de fases en posición y velocidad). La tercera herramienta fundamental es un sólver para advección lineal: se usan dos métodos, uno basado en trazar hacia atrás las características a nivel puntual y otro basado en reconstruir valores integrales en segmentos en lugar de puntos; el primero controla mejor las oscilaciones, el segundo fuerza la conservación de masa.
En el capítulo 2 estos métodos se aplican a algunos tests conocidos para averiguar su solidez.
En el capítulo 3 estos métodos se aplican a la simulación de un diodo, y los resultados se comparan con resultados anteriores obtenidos por esquemas Runge-Kutta basados en diferencias finitas para aproximar las derivadas parciales.
El capítulo 4 está dedicado a la construcción y simulación de modelos intermedios entre una ecuación cinética, con operador de colisión de tipo relajación, y su aproximación más grosera, ésta última siendo la ecuación del calor. Para obtener modelos intermedios, se busca un cierre de las ecuaciones de los momentos de orden cero y uno. Se proponen esquemas "asymptotic-preserving" para la ecuación cinética, que evitan la stiffness de la parte de advección a través de una descomposición de la función de distribución en su media más fluctuaciones. En cuanto a las clausuras de las ecuaciones de los momentos, se proponen esquemas de relajación para aislar las no-linealidades. Estos métodos son aplicados a un test conocido, el Su-Olson test.
El último capítulo está dedicado a la simulación de un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 2D de dimensión nanométrica en el que los electrones se comportan como partículas en una dimensión y como ondas en las dimensiones confinadas. La descomposición en sub-bandas se realiza a través de una ecuación de Schrödinger 1D en estado estacionario. Las dimensiones, así como las sub-bandas, están acopladas por la ecuación de Poisson en la expresión de la densidad, y por el operador de colisión. Se propone un sólver microscópico para estados transitorios, basado en técnicas de splitting para las BTEs (una para cada nivel de energía), métodos de características para el transporte y una iteración de tipo Newton para resolver el problema acoplado Schrödinger-Poisson para el cálculo del campo de fuerza.
This thesis is dedicated to the development, application and test of numerical methods for the numerical simulation of problems arising from physics and electronic engineering. The main tool which is used all along the work is the Vlasov (transport) equation in the form of the Boltzmann Transport Equation (BTE) for the description of the transport and collisions of charged particles in plasmas and electronic devices: charge carriers are driven by a force field and scattered by other carriers or phonons (pseudo-particles giving an effective representation of the oscillating field produced by the vibrating ions).
The BTE must be coupled to an equation or a system of equations for the computation of the force field: for simple structures the Poisson equation is used; for plasmas, where the magnetic phenomena cannot be neglected due to the high velocities of the particles, the Lorentz force is used, so the Maxwell equations have to be solved; for nanostructures, e.g. transistors with confined dimensions, the Poisson equation needs coupling with Schrödinger equation for the description of the quantum dimensions and the decomposition into subbands, or energy levels.
Collisions mean the scattering the carriers suffer due to the interactions with other carriers or the fixed lattice, in form of phonons. All along the thesis several scattering operator are used: the simplest ones are linear relaxation-time operators; a model for the simulation of a semiconductor is studied in which collisions are taken into account with acoustic phonons, in the elastic approximation, and optical phonons.
After the introduction, in the first chapter the most important numerical methods are developed: first of all a pointwise non-oscillatory interpolation method (PWENO) needed to avoid the simple Lagrange polynomial reconstruction, which increases the total variation when shocks appear: oscillations are part of the physics of the problem, but if the method adds spurious, non-physical oscillations, then the numerical result is meaningless, or it simply blows up. The second fundamental numerical method is the splitting technique: when solving a complicated problem, if we are able to subdivide it into sub-problem and solve them for separate, then we can reconstruct an approximation for the complete problem; this technique is used for both time splitting (separate transport from collisions) and dimensional splitting (split the phase space into either dimensions). The third fundamental instrument is the solver for linear advections: two methods are used, one based on pointwise following backwards the characteristics and another one based on reconstructing integral values along segments instead of point values; the first one controls better oscillations, the second one forces mass conservation.
These methods are applied in chapter 2 to some well-known benchmark tests to control their robustness.
In chapter 3 these methods are applied to the simulation of a diode, and the results compared to previous results obtained by Runge-Kutta schemes based on finite differences schemes for the approximation of the partial derivatives.
Chapter 4 is dedicated to the construction and simulation of intermediate models between a kinetic equation, with relaxation-time collision operator, and its coarsest approximation, this one being the heat equations. In order to obtain intermediate models, the moment equations are closed at zeroth and first order. Asymptotic-preserving schemes are proposed for the kinetic equation, which avoid the stiffness of the advection part by decomposing the distribution function into its average plus fluctuations. As for the moment closures, relaxation schemes are proposed in order to confine the non-linearities in the right hand side. These methods are then applied to a known benchmark, the Su-Olson test.
The last chapter is dedicated to the simulation of a nanoscaled 2D MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) in which electrons behave as particles in one dimension and as waves in the confined dimensions. The subband decomposition is realized through a stationary-state 1D Schrödinger equation. The dimensions as well as the subbands are coupled by the Poisson equation in the expression of the density and by the collision operator. A transient-state microscopic solver is proposed, based on splitting techniques for the BTE's (one for each energy level), characteristics methods for the transport and a Newton iteration for the solution of the coupled Schrödinger-Poisson system for computing the force field.

Cette thèse porte sur l'étude de quelques modèles cinétiques utilisés en physique des plasmas.Le premier modèle considéré est un système de Vlasov-Poisson 1D à deux espèces de particules (ions et électrons), dans un domaine d'espace borné, x∈(0,1), avec condition de réflexion directe au bord. Dans le cas linéaire, des caractéristiques généralisées sont définies, en s'assurant qu'on atteint le temps s=0 en un nombre fini de rebonds, le cas problématique étant celui où le champ électrique est sortant du domaine. Puis, pour des données initiales paires en vitesse, une solution globale continue est construite à l'aide des caractéristiques généralisées et d'un argument de point fixe. L'unicité locale d'une solution continue est démontrée, dans un cadre où il ne peut arriver deux rebonds successifs sur le même bord. Le second modèle étudié a été obtenu comme limite d'un système de Vlasov-Poisson à une espèce de particules en régime de rayon de Larmor fini. Pour des solutions vérifiant une condition de décroissance, une estimation de stabilité au sens de Wasserstein est prouvée, et une nouvelle preuve de l'existence de telles solutions est donnée. Le champ d'advection est alors lipschitzien. Enfin, des simulations numériques pour un système de Vlasov-Poisson à une dimension d'espace et de vitesse soumis à une onde extérieure sont réalisées pour étudier la réponse électronique. Un phénomène de battement entre deux ondes, l'une à la fréquence extérieure, l'autre à la fréquence de Landau, est mis en évidence
This thesis deals with the study of some kinetic models encountered in plasma physics.The first model considered is a 1D Vlasov-Poisson system representing the dynamics of two species of particles (ions and electrons) in a bounded set, x ∈ (0,1), with direct reflection boundary conditions. In the linear case, generalized characteristics are defined, ensuring the time s=0 to be reached after a finite number of bounces, the problematic case being when the electric field points outward of the boundary. Then, for initial conditions even in the velocity variable, a global continuous solution is built by means of generalized characteristics and a fixed point argument. Local uniqueness of a continuous solution is shown, in a frame where two successive bounces at the same boundary cannot occur. The second model was obtained as the limit of a Vlasov-Poisson system in the finite Larmor radius regime.For solutions satisfying a decay assumption, a Wasserstein stability estimate is proven, and a new proof of the existence of such solutions is given. The advection field is then Lipschitz continuous. Finally, numerical simulations are performed to investigate the kinetic response of electrons to an external drive. A beating between two waves, one at the external frequency, the other at the Landau frequency, is revealed

Cette thèse est consacrée à l'étude mathématique de quelques modèles d'équations aux dérivées partielles issues de la physique des plasmas. On s'intéresse principalement à l'analyse théorique de différents régimes asymptotiques de systèmes d'équations cinétiques de type Vlasov-Poisson-Fokker-Planck. Dans un premier temps, en présence d'un champ magnétique extérieur on se concentre sur l'approximation des électrons sans masse fournissant des modèles réduits lorsque le rapport me{mi entre la masse me d'un électron et la masse mi d'un ion tend vers 0 dans les modèles. Suivant le régime considéré, on montre qu'à la limite les solutions vérifient des modèles hydrodynamiques de type convection-diffusion ou sont données par des densités de type Maxwell-Boltzmann-Gibbs, suivant l'intensité des collisions dans la mise à l'échelle. En utilisant les propriétés hypocoercives et hypoelliptiques des équations, on est capable d'obtenir des taux de convergence en fonction du rapport de masse. Dans un second temps, par des méthodes similaires, on montre la convergence exponentielle en temps long vers l'équilibre des solutions du système de Vlasov-Poisson-Fokker-Planck sans champ magnétique avec des taux explicites en les paramètres du modèles. Enfin, on conçoit un nouveau type de schéma volumes finis pour des équations de convection-diffusion non-linéaires assurant le bon comportement en temps long des solutions discrètes. Ces propriétés sont vérifiées numériquement sur plusieurs modèles dont l'équation de Fokker-Planck avec champ magnétique
This thesis is devoted to the mathematical study of some models of partial differential equations from plasma physics. We are mainly interested in the theoretical study of various asymptotic regimes of Vlasov-Poisson-Fokker-Planck systems. First, in the presence of an external magnetic field, we focus on the approximation of massless electrons providing reduced models when the ratio me{mi between the mass me of an electron and the mass mi of an ion tends to 0 in the equations. Depending on the scaling, it is shown that, at the limit, solutions satisfy hydrodynamic models of convection-diffusion type or are given by Maxwell-Boltzmann-Gibbs densities depending on the intensity of collisions. Using hypocoercive and hypoelliptic properties of the equations, we are able to obtain convergence rates as a function of the mass ratio. In a second step, by similar methods, we show exponential convergence of solutions of the Vlasov-Poisson-Fokker-Planck system without magnetic field towards the steady state, with explicit rates depending on the parameters of the model. Finally, we design a new type of finite volume scheme for a class of nonlinear convection-diffusion equations ensuring the satisfying long-time behavior of discrete solutions. These properties are verified numerically on several models including the Fokker-Planck equation with magnetic field

Les satellites artificiels baignent dans un environnement radiatif hostile qui conditionne en partie leur fiabilité et leur durée de vie en opération : les ceintures de Van Allen. Afin de les protéger, il est nécessaire de caractériser la dynamique des électrons énergétiques piégés dans les ceintures radiatives. Elle est déterminée essentiellement par les interactions entre les électrons énergétiques et les ondes électromagnétiques existantes.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir un schéma numérique original pour la résolution du système d'équations modélisant ces interactions : les équations de Vlasov-Maxwell relativistes. Notre choix s'est orienté vers des méthodes d'intégration directe. Nous proposons trois nouvelles méthodes spectrales pour discrétiser en impulsion les équations : une méthode de Galerkin et deux méthodes de type collocation. Ces approches sont basées sur des fonctions de Hermite qui ont la particularité de dépendre d'un facteur d'échelle permettant d'obtenir une bonne résolution en vitesse.

Nous présentons dans ce manuscript les calculs conduisant à la discrétisation et à la résolution du problème de Vlasov-Poisson monodimensionnel ainsi que les résultats numériques obtenus. Puis nous étudions les extensions possibles des méthodes au problème complet relativiste. Afin de réduire les temps de calcul, une parallélisation et une optimisation des algorithmes ont été mises en \oe uvre. Enfin, les calculs de validation du code 1Dx-3Dv, à partir d'instabilités de types Weibel et whistlers, à une ou deux espèces d'électrons, sont détaillés.

Thesis (Ph.D.)--City University of Hong Kong, 2009.
"Submitted to Department of Mathematics in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy." Includes bibliographical references (leaves [90]-94)

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des simulations de plasma fusion et son objectif est double: (i) développer des méthodes numériques innovantes adaptées au schéma semi-lagrangien utilisé dans le code 5D gyrocinétique GYSELA, capables de résoudre le problème de grande amplitude de fluctuations et de variation de température au bord du plasma et (ii) prendre en compte des configurations magnétiques plus réalistes que les celles jusqu'alors simulées dans le code. Je présente une nouvelle approche pour la quadrature par splines qui limite le conditionnement pour l'obtention des coefficients de quadrature. Je présente une approche splines locales avec transport des dérivées entre chaque patch et démontrons sa stabilité pour une advection semi-lagrangienne. Les études approfondies des méthodes semi-lagrangiennes basées sur des splines non-uniformes ont été réalisées sur un modèle Vlasov-Poisson 1D-1V utilisé pour l'étude de la gaine dans un plasma. Le code VOICE (mini-application de GYSELA) qui est aussi utilisé pour les simulations de gaine a été modifié et optimisé sur GPU pour prendre en compte un maillage non-équidistant.Les matrices covariantes de transformations pour une nouvelle géométrie ont été dérivées et implémentées dans le code pour les équations de Vlasov 5D. Cette configuration magnétique plus réaliste a été validée numériquement sur les benchmarks linéaires d'étude des GAMs. Une plate-forme de tests du solveur de Poisson 2D a été développée pour pouvoir comparer numériquement ce solveur à 2 autres solveurs multigrilles: l'un qui utilise des volumes finis sur un maillage cartésien uniforme et l'autre, qui utilise des différences finies sur un maillage logique
This thesis lies within the context of fusion plasma simulations and it has a double objective: (i) develop new scalable numerical methods, adapted to the semi-lagrangian scheme used in the 5D gyrokinetic GYSELA code, capable of solving the problem of large fluctuations and temperature variations at the edge of the plasma, and (ii) take into account more realistic magnetic configurations than the concentric circles currently simulated by the code. I present a new approach for quadrature using splines, which limits the condition number for the procurement of such quadrature coefficients. I present a local spline method where derivatives are transported between patches, and show its stability for semi-lagrangian advection. The semi-lagrangian method based on non-uniform splines on a Vlasov-Poisson 1D-1V model is used for studies of the plasma sheath. The existing VOICE code (which is a mini version of GYSELA), designed to study such problems, has been modified and optimised on a GPU to operate on a non-uniform mesh. Co-variant and contra-variant transformation matrices of a new realistic magnetic configuration were derived and implemented in the code to allow the 5D Vlasov equations to take into account new geometry. The inclusion of this new magnetic configuration has been successfully numerically validated on the linear benchmarks used for GAM studies. In parallel, a test platform for the 2D Poisson solver was developed in order to numerically compare this spline finite elements solver to two other multi-grid solvers: (i) a solver using finite volumes on a uniform cartesian mesh with embedded boundaries, and (ii) a solver using finite differences on a logical mesh

Les résultats présentés dans cette thèse portent sur la construction et la simulation numérique de modèles théoriques de plasmas en présence d'une paroi absorbante. Ces modèles se basent sur des systèmes de Vlasov-Poisson ou Vlasov-Ampère à deux espèces en présence de conditions limites. Les solutions stationnaires recherchées vérifient l'équilibre des flux de charges dans la direction perpendiculaire à la paroi. Cette propriété s'appelle l'ambipolarité. A travers l'étude d'une équation de Poisson non linéaire, on montre le caractère bien posé d'un système de Vlasov-Poisson stationnaire 1d-1v pour lequel on détermine des distributions de particules entrantes et un potential au mur qui induisent l'ambipolarité et une densité de charge positive. On donne également une estimation de la taille de la couche limite au mur. Ces résultats sont illustrés numériquement. On prouve ensuite la stabilité linéaire des solutions stationnaires électroniques pour un modèle de Vlasov-Ampère instationnaire. Enfin, on étudie un modèle de Vlasov-Poisson stationnaire 1d-3v en présence d'un champ magnétique constant et parallèle à la paroi. On détermine les distributions de particules entrantes et un potentiel au mur qui induisent l'ambipolarité. On étudie une équation de Poisson non linéaire associée au modèle à l'aide d'une fonctionnelle non linéaire d'énergie qui admet des minimiseurs. On établit des bornes de paramètres à l'intérieur desquelles notre modèle s'applique et on propose une interprétation des résultats
This thesis focuses on the construction and the numerical simulation theoretical models of plasmas in interaction with an absorbing wall. These models are based on two species Vlasov-Poisson or Vlasov-Ampère systems in the presence of boundary conditions. The expected stationary solutions must verify the balance of the flux of charges in the orthogonal direction to the wall. This feature is called the ambipolarity.Through the study of a non linear Poisson equation, we prove the well-posedness of 1d-1v stationary Vlasov-Poisson system, for which we determine incoming particles distributions and a wall potential that induces the ambipolarity as well as a non negative charge density hold. We also give a quantitative estimates of the thickness of the boundary layer that develops at the wall. These results are illustrated numerically. We prove the linear stability of the electronic stationary solution for a non-stationary Vlasov-Ampère system. Finally, we study a 1d-3v stationary Vlasov-Poisson system in the presence of a constant and parallel to the wall magnetic field . We determine incoming particles distributions and a wall potential so that the ambipolarity holds. We study a non linear Poisson equation through a non linear functional energy that admits minimizers. We established some bounds on the numerical parameters inside which, our model is relevant and we propose an interpretation of the results

Etude des possibilites numeriques offertes par les methodes particulaires. La methode repose sur la possibilite de recreer l'evolution d'une quantite (continue) a partir de mouvements ponctuels. Application aux problemes d'ecoulement en mecanique des fluides et a celui du mouvement des electrons dans un plasma soumis a une difference de potentiel

Beaucoup de méthodes numériques ont été développées pour résoudre l'équation de Vlasov, car obtenir des simulations numériques précises en un temps raisonnable pour cette équation est un véritable défi. Cette équation décrit en effet l'évolution de la fonction de distribution de particules (électrons/ions) qui dépend de 3 variables d'espace, 3 variables de vitesse et du temps. L'idée principale de cette thèse est de réécrire l'équation de Vlasov sous forme d'un système hyperbolique par semi-discrétisation en vitesse. Cette semi-discrétisation est effectuée par méthode d'éléments finis. Le modèle ainsi obtenu est appelé équation de Vlasov réduite. Nous proposons différentes méthodes numériques pour résoudre efficacement ce modèle: méthodes des volumes finis, méthodes semi-Lagrangiennes et méthodes Galerkin discontinus
Many numerical methods have been developed in order to selve the Vlasov equation, because computing precise simulations in a reasonable time is a real challenge. This equation describes the time evolution of the distribution function of charged particles (electrons/ions), which depends on 3 variables in space, 3 in velocity and time. The main idea of this thesis is to rewrite the Vlasov equation in the form of a hyperbolic system using a semi-discretization of the velocity. This semi-discretization is achieved using the finite element method. The resulting model is called the reduced Vlasov equation. We propose different numerical methods to salve this new model efficiently: finite volume methods, semi-Lagrangian methods and discontinuous Galerkin methods

Le modèle de Vlasov-Poirron est utilisé pour étudier l'expansion dans le vide d'un plasma à deux composantes. L'étude fait intervenir des techniques à la fois numériques (codes dits eulériens) et analytiques (transformation de redimensionnement). Selon la géométrie de l'expansion, on montre l'apparition de doubles couches chargées, ou bien la neutralisation du plasma. La validité des modèles hydrodynamiques est aussi discutée. L'expansion dans le vide est ensuite étudiée pour un plasma quantique (modèle de Schrödinger-Poisson), a une et deux espèces, pour différentes géométries. Nous analysons la manière dont ces systèmes approchent leur limite classique. Ces résultats sont étendus a des systèmes confines (gaz d'électrons dans un champ magnétique uniforme), pour lesquels nous avons développé un code pour la résolution des équations de Schrödinger-Poisson a deux dimensions spatiales. Un troisième modèle que nous abordons est celui de Wigner (représentation de la mécanique quantique dans l'espace des phases). Nous étudions quelques propriétés analytiques des fonctions de Wigner (définition d'une entropie, lissage par convolution). Ces concepts sont appliques à l'étude numérique d'un oscillateur quantique non linéaire

On s'est interesse dans ce travail a l'etude de deux equations cinetiques. La premiere est une equation cinetique quantique homogene decrivant l'effet Compton. Ce phenomene se produit lorsque les photons entrent en collision avec les electrons. Le noyau dans l'integrale de collision presente une forte singularite en l'energie nulle. Un resultat d'existence locale en temps d'une solution entropique au probleme de Cauchy est obtenu pour de petites valeurs initiales. La deuxieme est une equation de Vlasov couplee avec l'equation de Poisson. Le systeme de Vlasov-Poisson modelise les interactions entre plasma et satellite. Plus precisement, on s'interesse au phenomene de charge electrostatique d'un satellite en orbite geostationnaire. Les particules, essentiellement des ions et des electrons, sont décrites suivant une approche cinétique. On considère le cas où la dynamique des ions et des électrons obéit à une équation de Vlasov et où le potentiel est donné par l'équation de Poisson. Le but est d'etudier ce probleme dans un cadre 3D dans tout l'espace. Une methode particulaire pour la resolution de l'equation de Vlasov est couplee a une methode d'elements finis et infinis pour la partie Poisson.

Cette thèse propose différentes méthodes théoriques et numériques pour simuler à coût réduit le comportement des plasmas ou des faisceaux de particules chargées sous l’action d’un champ magnétique fort. Outre le champ magnétique externe, chaque particule est soumise à champ électromagnétique créé par les particules elles-mêmes. Dans les modèles cinétiques, les particules sont représentées par une fonction de distribution f(x,v,t) qui vérifie l’équation de Vlasov. Afin de déterminer le champ électromagnétique, cette équation est couplée aux équations de Maxwell ou de Poisson. L’aspect champ magnétique fort est alors pris en compte par un dimensionnement adéquat qui fait apparaître un paramètre de perturbation singulière 1/ε
This thesis is devoted to the study of charged particle beams under the action of strong magnetic fields. In addition to the external magnetic field, each particle is submitted to an electromagnetic field created by the particles themselves. In kinetic models, the particles are represented by a distribution function f(x,v,t) solution of the Vlasov equation. To determine the electromagnetic field, this equation is coupled with the Maxwell equations or with the Poisson equation. The strong magnetic field assumption is translated by a scaling wich introduces a singular perturbation parameter 1/ε

Dans cette thèse, nous étudions l'ensemble des solutions d'équations aux dérivées partielles résultant de modèles d'astrophysique et de biologie. Nous répondons aux questions de l'existence, mais aussi nous essayons de décrire le comportement de certaines familles de solutions lorsque les paramètres varient. Tout d'abord, nous étudions deux problèmes issus de l'astrophysique, pour lesquels nous montrons l'existence d'ensembles particuliers de solutions dépendant d'un paramètre à l'aide de la méthode de réduction de Lyapunov-Schmidt. Ensuite un argument de perturbation et le théorème du Point xe de Banach réduisent le problème original à un problème de dimension finie, et qui peut être résolu, habituellement, par des techniques variationnelles. Le reste de la thèse est consacré à l'étude du modèle Keller-Segel, qui décrit le mouvement d'amibes unicellulaires. Dans sa version plus simple, le modèle de Keller-Segel est un système parabolique-elliptique qui partage avec certains modèles gravitationnels la propriété que l'interaction est calculée au moyen d'une équation de Poisson / Newton attractive. Une différence majeure réside dans le fait que le modèle est défini dans un espace bidimensionnel, qui est expérimentalement consistant, tandis que les modèles de gravitationnels sont ordinairement posés en trois dimensions. Pour ce problème, les questions de l'existence sont bien connues, mais le comportement des solutions au cours de l'évolution dans le temps est encore un domaine actif de recherche. Ici nous étendre les propriétés déjà connues dans des régimes particuliers à un intervalle plus large du paramètre de masse, et nous donnons une estimation précise de la vitesse de convergence de la solution vers un profil donné quand le temps tend vers l'infini. Ce résultat est obtenu à l'aide de divers outils tels que des techniques de symétrisation et des inégalités fonctionnelles optimales. Les derniers chapitres traitent de résultats numériques et de calculs formels liés au modèle Keller-Segel

The Vlasov-Poisson system is most commonly used to model the movement of charged particles in a plasma or of stars in a galaxy. It consists of a kinetic equation known as the Vlasov equation coupled with a force determined by the Poisson equation. The system in Euclidean space is well-known and has been extensively studied under various assumptions. In this paper, we derive the Vlasov-Poisson equations assuming the particles exist only on the 2-sphere, then take an in-depth look at particles which initially lie along a great circle of the sphere. We show that any great circle is an invariant set of the equations of motion and prove that the total energy, number of particles, and entropy of the system are conserved for circular initial distributions.
Graduate

Vlasov's equation describes the time evolution of the distribution function for a collisionless physical system of identical particles, such as plasma or galaxies. Together with Poisson's equation, which yields the potential, it forms the Vlasov-Poisson system. In Euclidean space this system has been extensively studied in the past century. It has been recently shown that the Valsov-Poisson system exhibits an interesting, counter-intuitive phenomenon called Landau damping. Our universe, however, may not be at on a large scale, so it is important to introduce and study a natural extension of the Vlasov-Poisson systems to spaces of constant curvature. Our starting point is the unit sphere S2, but we further restrict our study to one of its great circles. We show that, even for this reduced model, the potential function has more singularities than in the classical case. Our main result is to derive a Penrose stability criterion for the linear Landau damping phenomenon.
Graduate
0405
shengyis@uvic.ca

Various properties of linear infinite-dimensional Hamiltonian systems are studied. The structural stability of the Vlasov-Poisson equation linearized around a homogeneous stable equilibrium [mathematical symbol] is investigated in a Banach space setting. It is found that when perturbations of [mathematical symbols] are allowed to live in the space [mathematical symbols], every equilibrium is structurally unstable. When perturbations are restricted to area preserving rearrangements of [mathematical symbol], structural stability exists if and only if there is negative signature in the continuous spectrum. This analogizes Krein's theorem for linear finite-dimensional Hamiltonian systems. The techniques used to prove this theorem are applied to other aspects of the linearized Vlasov-Poisson equation, in particular the energy of discrete modes which are embedded within the continuous spectrum. In the second part, an integral transformation that exactly diagonalizes the Caldeira-Leggett model is presented. The resulting form of the Hamiltonian, derived using canonical transformations, is shown to be identical to that of the linearized Vlasov-Poisson equation. The damping mechanism in the Caldeira-Leggett model is identified with the Landau damping of a plasma. The correspondence between the two systems suggests the presence of an echo effect in the Caldeira-Leggett model. Generalizations of the Caldeira-Leggett model with negative energy are studied and interpreted in the context of Krein's theorem.
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