Inferenza bayesiana dei parametri del plasma dalla tecnica di diffusione Thomson collettiva su un gas

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13002 (2023) Citare questo articolo

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La tecnica dello scattering collettivo di Thomson è stata implementata per studiare la stagnazione di un singolo sbuffo di gas di linea. I parametri del plasma sono determinati modellando teoricamente il fattore di forma di scattering in combinazione con l'inferenza bayesiana per fornire l'insieme dei parametri più probabili che descrivono i dati sperimentali. L'analisi dei dati rivela che i flussi in entrata sono in grado di compenetrarsi parzialmente. La stima del percorso libero medio mostra una transizione graduale da un regime debolmente collisionale a uno collisionale man mano che il plasma raggiunge l'asse. Inoltre, troviamo che l'energia ionica in \(\mathrm{r}=2.5\,\mathrm{mm}\) è \({13.6}_{-0.9}^{+1.0}\,\mathrm{keV} \) ed è prevalentemente di natura cinetica e rappresenta il \({98}_{-9}^{+10} \%\) dell'energia totale. Questa energia cinetica è molto maggiore del valore sull'asse di \({3.7}_{-0.5}^{+0.4}\,\mathrm{keV}\) che è \({84}_{-14}^{ +15} \%\) dell'energia totale. Il trasferimento di energia agli elettroni e le perdite di radiazione risultano ormai trascurabili. Una possibile spiegazione per questo squilibrio energetico è la presenza di un campo magnetico azimutale maggiore di \(\sim 4.7\,\mathrm{T}\) che devia gli ioni verticalmente. Le incertezze citate rappresentano intervalli credibili del 68%.

Gas-puff è un membro della configurazione Z-pinch, in cui una colonna di gas supersonico viene iniettata nel volume tra il catodo e l'anodo di un generatore di energia pulsata. Quando la corrente del generatore si ionizza e attraversa il gas, si genera un campo magnetico azimutale che comprime radialmente la colonna fino a raggiungere la stagnazione (momento di massima compressione). Gli sbuffi di gas sono stati studiati come potenziali fonti di raggi X e neutroni1,2,3 e anche per studi sulla fusione magneto-inerziale (MIF)4.

Si ritiene comunemente che durante la stagnazione l'energia cinetica del plasma implodente venga rapidamente termalizzata (al momento dell'equilibrio dell'energia ione-ione) e una grande frazione dell'energia cinetica venga convertita in energia termica. Quindi, se la temperatura degli ioni è sufficientemente elevata, si producono reazioni di fusione (quando si utilizza il deuterio come gas di lavoro) e l'energia termica viene convertita in energia cinetica del prodotto della fusione. Nel caso delle sorgenti di radiazioni, gli ioni trasferiscono la loro energia termica agli elettroni (al momento dell'equilibrio energetico ione-elettrone), che a loro volta perdono la loro energia attraverso la ionizzazione e la radiazione1,5,6. Tuttavia, in questo lavoro mostriamo che questo quadro classico non è sempre vero e che la fisica della stagnazione è più complessa.

Inoltre, ci sono altri processi di stagnazione che non sono completamente compresi. Ad esempio, di solito si osserva l'accelerazione degli ioni a energie maggiori della tensione del driver; Sono state suggerite molte teorie, ma il meccanismo di accelerazione rimane ancora fonte di controversia7. Inoltre, la vera temperatura degli ioni è risultata difficile da misurare. Maron et al.8 hanno dimostrato che il valore ottenuto con la spettroscopia Doppler può essere molte volte superiore al valore reale e che rappresenta tutto il movimento idrodinamico nel plasma piuttosto che il suo movimento termico. Ciò dimostra che sono necessarie più diagnosi e analisi accurate dei dati per comprendere appieno la fisica della stagnazione.

La tecnica dello scattering Thomson (TS) si è rivelata un potente strumento per diagnosticare i plasmi ad alta densità di energia. Con questa tecnica è possibile stimare la temperatura elettronica (\({\mathrm{T}}_{\mathrm{e}}\)), ionica (\({\mathrm{T}}_{\mathrm {i}}\)), densità elettronica (\({\mathrm{N}}_{\mathrm{e}}\)), velocità del plasma (\({\mathrm{V}}_{\mathrm{p }}\)), stato di ionizzazione (\(\mathrm{Z}\)) simultaneamente9,10,11. Questa tecnica raccoglie la luce diffusa dalla fluttuazione della densità elettronica ad un certo volume quando un laser di sonda interagisce con il plasma. La forma dello spettro raccolto trasporta informazioni sui parametri del plasma. Il suo principale vantaggio rispetto ad altre tecniche di spettroscopia è che può misurare localmente da un volume ben determinato ed è indipendente da meccanismi di ampliamento come l'effetto Stark o Zeeman. Tuttavia, il gran numero di parametri \(({\mathrm{T}}_{\mathrm{e}}, {\mathrm{T}}_{\mathrm{i}}, {\mathrm{N}}_ {\mathrm{e}}, {\mathrm{V}}_{\mathrm{p}},\mathrm{ Z})\) e la complicata dipendenza del modello matematico dai parametri (vedi Eq. 2) rendono è difficile stimare simultaneamente tutti i parametri con la relativa incertezza associata. Il metodo di analisi convenzionale prevede diversi parametri fissi ottenuti da diagnosi complementari o da ipotesi di esperimenti precedenti. L'adattamento migliore si ottiene minimizzando il chi quadrato, mentre l'incertezza viene stimata utilizzando un metodo simile a Monte Carlo9,12. Tuttavia, questo approccio di stima puntuale non garantisce il raggiungimento del minimo globale, soprattutto nei casi in cui l'adattamento è multimodale o quando diverse combinazioni di parametri possono adattarsi bene ai dati sperimentali (con conseguente chi quadrato simile), che viene chiamato in la letteratura come “funzione instabile”13. Per affrontare questi casi è importante avere una visione più generale della distribuzione dei parametri che ci permette di determinare quanto ciascun parametro influenza la forma dello spettro e la correlazione tra i parametri14.