Optagelse af energistrøm i et plasma ved at måle spredt lys

Uanset om vi studerer kernen i vores sol eller indersiden af ​​en fusionsreaktor, forskere skal bestemme, hvordan energi strømmer i plasma. Forskere bruger simuleringer til at beregne strømmen. Simuleringerne er afhængige af den klassiske termiske transportmodel. På trods af over 50 års forskning, en ad hoc -multiplikator er ofte påkrævet. Uden det, simuleringen matcher ikke virkelige observationer. Nu, et team udtænkte en måde at måle energiflow på og bestemte, hvorfor modellerne har brug for multiplikatoren. Yderligere, teamets nye tilgang lader dem kvantitativt teste simuleringer.

Teamets målinger viser, at de mest sofistikerede modeller forudsiger varmefluxen under alle testede forhold. Nu, forskere kan videreudvikle termiske transportmodeller. Også, de kan lettere studere og afprøve modeller.

På forskellige områder af plasmafysik, herunder astrofysik, inertial indeslutningsfusion, og magnetohydrodynamik, klassisk termisk transport (f.eks. Spitzer-Harm og Brajinskii) danner grundlaget for beregning af varmeflux (energistrøm). På trods af over 50 års forskning, der kræves ofte en ad hoc -multiplikator for at tage højde for uregelmæssig fysik (f.eks. ikke -lokale effekter, turbulens, eller ustabilitet) og til at matche globale eksperimentelle observerbare. Motiveret af behovet for kvantitativt at behandle dette emne, denne forskning udviklede en ny kollektiv Thomson-spredningsteknik, der direkte sonderer modifikationer af elektronfordelingsfunktionen som følge af varmeflux [R.J. Henchen et al., Physical Review Letters (2018)]. Ved hjælp af denne teknik, gyldigheden af ​​den klassiske transportteori, når elektron-ion-middelværdiens frie vej er tilstrækkeligt kortere end elektrontemperaturskalaens længde, og dens nedbrydning i det ikke-lokale transportregime blev demonstreret for første gang. I de regimer, hvor den klassiske teori bryder sammen, elektronfordelingsfunktioner i overensstemmelse med ikke-lokal termisk transport blev bestemt ved hjælp af det målte kollektive Thomson-spredningsspektrum og giver nu et kvantitativt eksperimentelt datasæt til direkte sammenligning med ikke-lokale modeller [R.J. Henchen et al., Physics of Plasmas (2019)].

Denne forskning bruges ikke kun til at teste modeller for termisk transport, men også det nye koncept har åbnet en stærk vej til måling af elektronfordelingsfunktioner. Anerkendelsen af, at det komplette kollektive Thomson-spredningsspektrum kan bruges til at måle vilkårlige elektronfordelingsfunktioner har muliggjort nylige målinger, der har isoleret samspillet mellem laser-plasma-interaktioner og hydrodynamik. Nylige målinger har nu vist, at lasere i inertial indeslutningsfusion eksperimenter rutinemæssigt driver ikke-Maxwellian elektronfordelingsfunktioner, og at disse fordelingsfunktioner direkte påvirker laser-plasma ustabilitet. Inklusive disse målte ikke-Maxwellian elektronfordelingsfunktioner er påkrævet i laser-plasma ustabilitetsmodellerne for at matche den målte tværstråle energioverførsel. Dette kan have betydelige konsekvenser for nuværende indirekte fusionseksperimenter, hvor ad hoc-multiplikatorer i øjeblikket er påkrævet i krydsstrålenergioverførselsmodelleringen, der er bygget op omkring Maxwellian-fordelingsfunktioner. Inklusiv ikke-Maxwellian elektronfordelingsfunktioner ser ud til at eliminere behovet for disse multiplikatorer. Forskere forventer, at inkludering af resultaterne af denne forskning i modelleringen vil føre til mere forudsigelige simuleringer af indirekte fusionsforsøg på National Ignition Facility.