Байесовский вывод параметров плазмы с помощью метода коллективного томсоновского рассеяния на газе

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13002 (2023) Цитировать эту статью

270 доступов

Подробности о метриках

Метод коллективного томсоновского рассеяния был применен для исследования застоя одиночного газового лайнера. Параметры плазмы определяются путем теоретического моделирования форм-фактора рассеяния в сочетании с байесовским выводом, чтобы обеспечить набор наиболее вероятных параметров, описывающих экспериментальные данные. Анализ данных показывает, что входящие потоки способны частично взаимопроникать. Оценка длины свободного пробега показывает постепенный переход от слабостолкновительного к столкновительному режиму по мере приближения плазмы к оси. Кроме того, мы находим, что энергия ионов при \(\mathrm{r}=2,5\,\mathrm{мм}\) равна \({13,6}_{-0,9}^{+1,0}\,\mathrm{кэВ} \) и имеет в основном кинетическую природу и представляет собой \({98}_{-9}^{+10} \%\) полной энергии. Эта кинетическая энергия намного превышает значение на оси \({3,7}_{-0,5}^{+0,4}\,\mathrm{keV}\), которое равно \({84}_{-14}^{ +15} \%\) от полной энергии. Передача энергии электронам и радиационные потери к этому времени оказываются незначительными. Возможным объяснением этого энергетического дисбаланса является наличие азимутального магнитного поля, превышающего \(\sim 4.7\,\mathrm{T}\), которое отклоняет ионы вертикально. Указанные неопределенности представляют собой 68% вероятных интервалов.

Газовая затяжка является частью конфигурации Z-пинча, при которой столб сверхзвукового газа впрыскивается в объем между катодом и анодом импульсного генератора энергии. Когда ток генератора ионизируется и протекает через газ, создается азимутальное магнитное поле, которое сжимает столб радиально до тех пор, пока он не достигнет стагнации (момента максимального сжатия). Газовые клубы изучались как потенциальные источники рентгеновского излучения и нейтронов1,2,3, а также для исследований магнитоинерционного термоядерного синтеза (МИФ)4.

Принято считать, что при застое кинетическая энергия сжимающейся плазмы быстро термализуется (во время равновесия энергии между ионами), и большая часть кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию. Затем, если температура ионов достаточно высока, происходят реакции синтеза (когда в качестве рабочего газа используется дейтерий) и тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию продукта синтеза. В случае источников излучения ионы передают свою тепловую энергию электронам (во время установления энергетического равновесия между ионами), которые, в свою очередь, теряют свою энергию за счет ионизации и излучения1,5,6. Однако в этой работе мы показываем, что эта классическая картина не всегда имеет место и физика в условиях застоя более сложна.

Кроме того, существуют и другие процессы стагнации, которые до конца не изучены. Например, обычно наблюдается ускорение ионов до энергий, превышающих напряжение драйвера; было предложено множество теорий, но механизм ускорения до сих пор остается источником споров7. Кроме того, оказалось, что истинную ионную температуру трудно измерить. Марон и др.8 показали, что значение, полученное с помощью доплеровской спектроскопии, может быть в несколько раз выше реального значения и что оно отражает все гидродинамическое движение в плазме, а не ее тепловое движение. Это показывает, что для полного понимания физики в условиях стагнации необходимо больше диагностики и точного анализа данных.

Метод томсоновского рассеяния (ТС) оказался мощным инструментом для диагностики плазмы с высокой плотностью энергии. С помощью этого метода можно оценить электронную температуру (\({\mathrm{T}}_{\mathrm{e}}\)), ионную температуру (\({\mathrm{T}}_{\mathrm {i}}\)), электронная плотность (\({\mathrm{N}}_{\mathrm{e}}\)), скорость плазмы (\({\mathrm{V}}_{\mathrm{p }}\)) состояние ионизации (\(\mathrm{Z}\)) одновременно9,10,11. Этот метод собирает свет, рассеянный флуктуациями электронной плотности в определенном объеме при взаимодействии зондирующего лазера с плазмой. Собранная форма спектра несет информацию о параметрах плазмы. Его главное преимущество перед другими методами спектроскопии заключается в том, что он может производить локальные измерения в четко определенном объеме и не зависит от механизмов уширения, таких как эффект Штарка или Зеемана. Однако большое количество параметров {\mathrm{e}}, {\mathrm{V}}_{\mathrm{p}},\mathrm{ Z})\) и сложная зависимость математической модели от параметров (см. уравнение 2) делают сложно оценить одновременно все параметры с связанной с ними неопределенностью. Традиционный метод анализа включает несколько фиксированных параметров, которые получаются в результате дополнительной диагностики или на основе предположений предыдущих экспериментов. Наилучшее соответствие находится путем минимизации хи-квадрата, а неопределенность оценивается с использованием метода Монте-Карло9,12. Однако этот подход точечной оценки не гарантирует достижения глобального минимума, особенно в случаях, когда подгонка является мультимодальной или когда различные комбинации параметров могут хорошо соответствовать экспериментальным данным (что приводит к аналогичному хи-квадрату), что называется в литература как «нестабильная функция»13. Для решения этих случаев важно иметь более общее представление о распределении параметров, позволяющее нам определить, насколько каждый параметр влияет на форму спектра и корреляцию между параметрами14.