Συνοπτική περιγραφή:

Η έρευνα επικεντρώνεται στη μελέτη της δημιουργίας και δυναμικής εξέλιξης πλάσματος σε διατάξεις X-Pinch. Αναπτύσσουμε ολοκληρωμένη μεθοδολογία που συνδυάζει προηγμένες πειραματικές τεχνικές οπτικής διάγνωσης (σκιαγραφία, συμβολομετρία τριών καρέ) και multiphysics υπολογιστικές προσομοιώσεις MHD (GORGON, PLUTO) για τη μελέτη της εξέλιξης του πλάσματος, του σχηματισμού jets, της δημιουργίας θερμών σημείων (hot spots) και της παραγωγής ακτίνων Χ για εφαρμογές ακτινογραφίας υψηλής ανάλυσης.

Keywords: X-pinch plasmas, magnetohydrodynamic simulations, plasma jets, X-ray radiography, optical probing diagnostics, plasma instabilities

Αναλυτική περιγραφή

Η μελέτη πλασμάτων X-Pinch αποτελεί θεμελιώδες ερευνητικό αντικείμενο με σημαντικές εφαρμογές στην ακτινογραφία υψηλής ανάλυσης βιολογικών δειγμάτων, στην απεικόνιση πυκνών πλασμάτων και στη μελέτη αστροφυσικών φαινομένων στο εργαστήριο. Η ερευνητική μας ομάδα αναπτύσσει και εφαρμόζει μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία που συνδυάζει υψηλής ακρίβειας πειράματα και προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα MHD για τη μελέτη της δυναμικής εξέλιξης του πλάσματος από την αρχική εκτόνωση έως το σχηματισμό jets και την παραγωγή ακτίνων Χ.

Πειραματική Προσέγγιση

Χρησιμοποιούμε διάταξη X-Pinch ρεύματος (45 kA, χρόνος ανόδου 50 ns) για τη θέρμανση λεπτών συρμάτων βολφραμίου (W) ή επιχρυσωμένου βολφραμίου (Au-plated W) διαμέτρου 5 μm. Αναπτύξαμε τεχνικές οπτικής διάγνωσης για την ταυτόχρονη καταγραφή της χρονικής εξέλιξης του πλάσματος:

• Σκιαγραφία τριών καρέ (Three-frame shadowgraphy): Ποιοτική και ποσοτική αξιολόγηση ασταθειών πλάσματος και σχηματισμού εκτοξεύσεων.

• Συμβολομετρία Mach-Zehnder τριών καρέ: Μέτρηση επιφανειακής ηλεκτρονιακής πυκνότητας πλάσματος.

• Ακτινογραφία σημειακής προβολής (Point-projection radiography): Απεικόνιση εσωτερικών δομών δειγμάτων με ανάλυση ~40 μm.

• Ανιχνευτές PIN με φίλτρα Al και Cu: Χρονικά διακριτές μετρήσεις εκπομπής μαλακών ακτίνων Χ.

Υπολογιστική Προσέγγιση

Για την κατανόηση και πρόβλεψη της συμπεριφοράς του πλάσματος, αναπτύσσουμε προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα MHD:

• PLUTO (MHD code): Προσομοίωση με ενιαία αντιμετώπιση ρευστού, συμπεριλαμβανομένων:

  • Καταστατικών εξισώσεων SESAME για βολφράμιο και αέρα

  • Μεταφοράς ακτινοβολίας και optical thin losses

  • Μοντέλων ηλεκτρικής αντίστασης (γραμμική ανάμιξη, Spitzer)

  • Multimaterial ανάμιξη για διεπιφάνεια πλάσματος-κενού

• GORGON (MHD code): Προσομοίωση της δυναμικής εξέλιξης του πλάσματος με ξεχωριστή αντιμετώπιση ιόντων και ηλεκτρονίων, λαμβάνοντας υπόψη:

  • Εξισώσεις διατήρησης μάζας, ορμής και ενέργειας

  • Εξίσωση επαγωγής με ρεύμα μετατόπισης για τον υπολογισμό του μαγνητικού πεδίου

  • Αντιστάσεις Spitzer και θέρμανση Joule

  • Απώλειες ακτινοβολίας optical thin πλάσματος

Εφαρμογές και Βασικά Ευρήματα

Σχηματισμός Jets Πλάσματος : Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν ότι ο σχηματισμός των jets οφείλεται στη συνδυασμένη δράση της εκτόνωσης πλάσματος από την περιοχή διασταύρωσης και της συνεχούς εξάτμισης πλάσματος από τα σκέλη του X. Η ταχύτητα εκτόξευσης φτάνει τα 39 km/s (Mach 4), με τον μηχανισμό “zippering” να παίζει καθοριστικό ρόλο.

Επίδραση Φυσικών Παραμέτρων: Η μελέτη επίδρασης της ηλεκτρικής αντίστασης, της μεταφοράς ακτινοβολίας και των optical thin losses έδειξε ότι η μεταφορά ακτινοβολίας μειώνει τον ρυθμό ανάπτυξης ασταθειών, ενώ οι optical thin losses οδηγούν σε έντονη ανάπτυξη της αστάθειας Magneto-Rayleigh-Taylor (MRT) με διπλάσιες τιμές μαγνητικού πεδίου.

Ακτινογραφία Βιολογικών Δειγμάτων: Η φορητή διάταξη X-Pinch χρησιμοποιήθηκε για ακτινογραφία δειγμάτων ελιάς, αποκαλύπτοντας εκτεταμένες ζημιές από το έντομο Bactrocera oleae με ευκρίνεια ~40 μm.

Παραδείγματα

Ακτινογραφία Βιολογικών Δειγμάτων. Εφαρμογή ακτινογραφίας σημειακής προβολής για ανίχνευση ζημιών σε δείγματα ελιάς.

Κατανομή Μαγνητικού Πεδίου και Θερμοκρασίας. Σύγκριση αποτελεσμάτων GORGON και PLUTO για το μαγνητικό πεδίο, την πυκνότητα ρεύματος και τη θερμοκρασία.

Επιλεγμένες Δημοσιεύσεις