Συνοπτική περιγραφή:

Η έρευνα επικεντρώνεται στη μελέτη των μηχανισμών γέννησης των ασταθειών πλάσματος σε διατάξεις Z-Pinch μέσω της διερεύνησης της μετάβασης ύλης από τη στερεά κατάσταση στο πλάσμα. Αναπτύσσουμε ολοκληρωμένη μεθοδολογία που συνδυάζει προηγμένες πειραματικές τεχνικές οπτικής διάγνωσης (σκιαγραφία, συμβολομετρία, schlieren) και multiphysics υπολογιστικές προσομοιώσεις (FEM-BEM-MHD) για τη μελέτη της παραγόμενης Ηλεκτρο-Θερμο-Μηχανικής (ΗΘΜ) αστάθειας στη στερεά φάση, η οποία δρα ως εκκινητής για τις  Magnetohydrodynamic (MHD) αστάθειες που αναπτύσσονται αργότερα στη φάση του πλάσματος.

Keywords: Z-pinch plasmas, plasma instabilities, electro-thermo-mechanical instability, magnetohydrodynamic instabilities, multiphysics simulations, optical probing diagnostics

Αναλυτική περιγραφή

Η μελέτη των ασταθειών πλάσματος αποτελεί θεμελιώδες ερευνητικό αντικείμενο με κρίσιμες εφαρμογές στη σύντηξη μαγνητικής αδράνειας και στη σύντηξη με αδρανειακό περιορισμό. Η ερευνητική μας ομάδα αναπτύσσει και εφαρμόζει μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία που συνδυάζει υψηλής ακρίβειας πειράματα και προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα για τη μελέτη των μηχανισμών γέννησης των ασταθειών πλάσματος από τη στερεά φάση της ύλης.

Πειραματική Προσέγγιση

Χρησιμοποιούμε διάταξη Z-Pinch ρεύματος 40-50 kA με χρόνο ανόδου 60 ns για τη θέρμανση μεταλλικών συρμάτων (Cu, Ag) διαμέτρου 250-300 μm και μήκους 5-15 mm. Αναπτύξαμε τεχνικές οπτικής διάγνωσης με παλμούς laser διάρκειας 150 ps στα 532 nm για την ταυτόχρονη καταγραφή της χρονικής εξέλιξης του υλικού από τη στερεά έως τη φάση πλάσματος:

• Τροποποιημένη περίθλαση Fraunhofer: Μέτρηση διαστολής του σύρματος με χωρική ανάλυση ~1 μm πριν το σχηματισμό πλάσματος.

• Σκιαγραφία (Shadowgraphy): Ποιοτική και ποσοτική αξιολόγηση ασταθειών πλάσματος μέσω της δεύτερης παραγώγου της πυκνότητας.

• Απεικόνιση Schlieren: Διάκριση μεταξύ ουδέτερου αερίου και πλάσματος.

• Συμβολομετρία Mach-Zehnder: Μέτρηση πυκνότητας ηλεκτρονίων πλάσματος.

Υπολογιστική Προσέγγιση

Για την κατανόηση και πρόβλεψη της συμπεριφοράς των υλικών, αναπτύσσουμε προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα πολλαπλών φάσεων και φυσικών πεδίων:

• Μοντέλο FEM-BEM (LS-DYNA): Προσομοίωση της ηλεκτρο-θερμο-μηχανικής συμπεριφοράς από τη στερεά φάση έως το πλάσμα, λαμβάνοντας υπόψη:

  • Εξισώσεις Maxwell με προσέγγιση δινορρευμάτων

  • Δύναμη Lorentz και θέρμανση Joule

  • Θερμο-ελαστοπλαστική συμπεριφορά (μοντέλο Johnson-Cook)

  • Καταστατικές εξισώσεις (EOS) Gruneisen και Burgess

  • Εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία ιδιότητες υλικών

• Σύζευξη με MHD κώδικα (GORGON/PLUTO): Τα αποτελέσματα πυκνότητας και θερμοκρασίας από το FEM χρησιμοποιούνται ως αρχικές συνθήκες για τη μελέτη της εξέλιξης του πλάσματος και των MHD ασταθειών.

Εφαρμογές και Βασικά Ευρήματα

Ανακάλυψη της ΗΘΜ Αστάθειας: Αποδείξαμε για πρώτη φορά ότι η ενσωμάτωση των πραγματικών θερμο-ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων του στερεού υλικού είναι καταλυτική για την κατανόηση των ασταθειών που αναπτύσσονται πριν το σχηματισμό πλάσματος. Ονομάσαμε αυτή την αστάθεια Ηλεκτρο-Θερμο-Μηχανική (ΗΘΜ) αστάθεια.

Αναλυτικό Μοντέλο ΗΘΜ Αστάθειας: Αναπτύξαμε αναλυτική σχέση διασποράς που περιγράφει τον ρυθμό ανάπτυξης της ΗΘΜ αστάθειας στην ελαστική περιοχή, λαμβάνοντας υπόψη τον πλήρη θερμοελαστικό τανυστή τάσης Cauchy.

Επίδραση Επικαλύψεων: Δείξαμε ότι η προσθήκη διηλεκτρικής επικάλυψης πολυϊμιδίου πάχους 13 μm σε σύρμα Cu μειώνει το πλάτος της ΗΘΜ αστάθειας κατά 3.5 φορές και οδηγεί σε καταστολή των MHD ασταθειών στη φάση του πλάσματος.

Συσχέτιση Μηκών Κύματος: Τα αναπτυσσόμενα μήκη κύματος της ΗΘΜ αστάθειας στη στερεά φάση (225-350 μm) βρίσκονται στην ίδια περιοχή τιμών με τα αρχικά μήκη κύματος των MHD ασταθειών στο πλάσμα, επιβεβαιώνοντας τον ρόλο της ΗΘΜ ως μηχανισμού σποράς.

Παραδείγματα

Ηλεκτρο-Θερμο-Μηχανική αστάθεια

Εξέλιξη Αστάθειας από Στερεό σε Πλάσμα. Πρώτη πλήρης καταγραφή της εξέλιξης του πλάτους αστάθειας από τη στερεά φάση έως τη φάση πλάσματος.

Επιλεγμένες Δημοσιεύσεις

Kaselouris, E., Skoulakis, A., Fitilis, I., Chatzakis, J., Clark, E.L., Dimitriou, V., Papadogiannis, N.A., Tatarakis, M. (2022). A study on the electro-thermo-mechanical instability as a seed for the magneto-hydrodynamic instabilities. Plasma Physics and Controlled Fusion, 64, 105008. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ac8829

Kaselouris, E., Tamiolakis, G., Dimitriou, V., Tatarakis, M. (2021). The influence of the load’s geometrical characteristics on the generation of the electro-thermo-mechanical instability in a single wire Z-pinch. Journal of Physics: Conference Series, 1730, 012092. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1730/1/012092

Kaselouris, E., Tamiolakis, G., Fitilis, I., Skoulakis, A., Dimitriou, V., Tatarakis, M. (2021). Instability growth mitigation study of a dielectric coated metallic wire in a low current Z-pinch configuration. Plasma Physics and Controlled Fusion, 63, 085010. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ac05f4

Kaselouris, E., Dimitriou, V., Fitilis, I., Skoulakis, A., Koundourakis, G., Clark, E.L., Bakarezos, M., Nikolos, I.K., Papadogiannis, N.A., Tatarakis, M. (2017). The influence of the solid to plasma phase transition on the generation of plasma instabilities. Nature Communications, 8, 1713. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02000-6

Kaselouris, E., Fitilis, I., Skoulakis, A., Koundourakis, G., Clark, E.L., Chatzakis, J., Bakarezos, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V., Tatarakis, M. (2018). Preliminary investigation on the use of low current pulsed power Z-pinch plasma devices for the study of early stage plasma instabilities. Plasma Physics and Controlled Fusion, 60, 014031. https://doi.org/10.1088/1361-6587/aa904b

Fitilis, I., Skoulakis, A., Kaselouris, E., Nikolos, I.K., Bakarezos, E., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V., Tatarakis, M. (2015). Diagnosing the initial stages from solid to plasma phase for dense plasma explosions. Proceedings of Science, (ECPD2015), 127. https://pos.sissa.it/240/127/pdf