Inferência bayesiana de parâmetros de plasma a partir da técnica de espalhamento coletivo de Thomson em um gás

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13002 (2023) Citar este artigo

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A técnica de espalhamento Coletivo Thomson foi implementada para estudar a estagnação de um sopro de gás de revestimento único. Os parâmetros do plasma são determinados modelando teoricamente o fator de forma de espalhamento em combinação com a inferência Bayesiana para fornecer o conjunto dos parâmetros mais prováveis ​​que descrevem os dados experimentais. A análise dos dados revela que os fluxos de entrada são capazes de se interpenetrar parcialmente. A estimativa do caminho livre médio mostra uma transição gradual de um regime fracamente colisional para um regime colisional à medida que o plasma chega ao eixo. Além disso, descobrimos que a energia do íon em \(\mathrm{r}=2,5\,\mathrm{mm}\) é \({13,6}_{-0,9}^{+1,0}\,\mathrm{keV} \) e é principalmente de natureza cinética e representa \({98}_{-9}^{+10} \%\) da energia total. Esta energia cinética é muito maior que o valor no eixo de \({3.7}_{-0.5}^{+0.4}\,\mathrm{keV}\) que é \({84}_{-14}^{ +15} \%\) da energia total. A transferência de energia para os elétrons e as perdas por radiação são consideradas insignificantes neste momento. Uma possível explicação para este desequilíbrio energético é a presença de um campo magnético azimutal maior que \(\sim 4.7\,\mathrm{T}\) que desvia os íons verticalmente. As incertezas citadas representam intervalos de credibilidade de 68%.

Gas-puff é um membro da configuração Z-pinch, na qual uma coluna de gás supersônico é injetada no volume entre o cátodo e o ânodo de um gerador de energia pulsada. Quando a corrente do gerador ioniza e flui através do gás, é gerado um campo magnético azimutal que comprime a coluna radialmente até atingir a estagnação (momento de compressão máxima). Sopros de gás têm sido estudados como fontes potenciais de raios X e nêutrons1,2,3, e também para estudos de fusão magnetoinercial (MIF)4.

Acredita-se comumente que na estagnação a energia cinética do plasma implodente é rapidamente termalizada (no tempo de equilíbrio da energia íon-íon), e uma grande fração da energia cinética é convertida em energia térmica. Então, se a temperatura do íon for suficientemente alta, são produzidas reações de fusão (quando o deutério é usado como gás de trabalho) e a energia térmica é convertida em energia cinética do produto de fusão. No caso de fontes de radiação, os íons transferem sua energia térmica para os elétrons (no tempo de equilíbrio energético íon-elétron), que por sua vez perdem sua energia por meio de ionização e radiação . Porém, neste trabalho mostramos que esse quadro clássico nem sempre é o caso e que a física da estagnação é mais complexa.

Além disso, existem outros processos de estagnação que não são totalmente compreendidos. Por exemplo, geralmente é observada aceleração de íons para energias maiores que a tensão do driver; muitas teorias foram sugeridas, mas o mecanismo de aceleração ainda permanece fonte de controvérsia7. Além disso, a verdadeira temperatura do íon foi considerada difícil de medir. Maron et al.8 mostraram que o valor obtido com a espectroscopia Doppler pode ser várias vezes superior ao valor real e que representa todo o movimento hidrodinâmico do plasma e não o seu movimento térmico. Isto mostra que são necessários mais diagnósticos e análises de dados precisas para compreender completamente a física durante a estagnação.

A técnica de espalhamento Thomson (TS) provou ser uma ferramenta poderosa para diagnosticar plasmas de alta densidade de energia. Com esta técnica é possível estimar a temperatura eletrônica (\({\mathrm{T}}_{\mathrm{e}}\)), temperatura iônica (\({\mathrm{T}}_{\mathrm {i}}\)), densidade eletrônica (\({\mathrm{N}}_{\mathrm{e}}\)), velocidade do plasma (\({\mathrm{V}}_{\mathrm{p }}\)), estado de ionização (\(\mathrm{Z}\)) simultaneamente9,10,11. Esta técnica coleta luz espalhada pela flutuação da densidade eletrônica em um determinado volume quando um laser de sondagem interage com o plasma. A forma do espectro coletado contém informações sobre os parâmetros do plasma. Sua principal vantagem sobre outras técnicas de espectroscopia é que pode medir localmente a partir de um volume bem determinado e é independente de mecanismos de ampliação como o efeito Stark ou Zeeman. No entanto, o grande número de parâmetros \(({\mathrm{T}}_{\mathrm{e}}, {\mathrm{T}}_{\mathrm{i}}, {\mathrm{N}}_ {\mathrm{e}}, {\mathrm{V}}_{\mathrm{p}},\mathrm{ Z})\) e a complicada dependência do modelo matemático com os parâmetros (ver Eq. 2) fazem é difícil estimar simultaneamente todos os parâmetros com a incerteza associada. O método convencional de análise envolve vários parâmetros fixos que são obtidos a partir de diagnósticos complementares ou por suposições de experimentos anteriores. O melhor ajuste é encontrado minimizando o qui-quadrado, enquanto a incerteza é estimada usando um método do tipo Monte Carlo9,12. No entanto, esta abordagem de estimativa pontual não garante atingir o mínimo global, especialmente nos casos em que o ajuste é multimodal ou quando diferentes combinações de parâmetros podem ajustar bem os dados experimentais (resultando num qui-quadrado semelhante), o que é chamado em a literatura como 'função instável'13. Para lidar com esses casos é importante ter uma visão mais geral da distribuição dos parâmetros que nos permite determinar o quanto cada parâmetro influencia a forma do espectro e a correlação entre os parâmetros14.