Rotación en plasmas compresionales magnetizados
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2025
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Abstract
La configuración de Gas-puff Z-pinch se ha convertido en una pieza esencial del estudio de plasmas de altas densidades para el estudio de fusión magneto-inercial, producción de rayos X y neutrones, y para el estudio fundamental de física de plasmas. Su gran tasa de repetición y su escalabilidad ha permitido resolver e investigar varios problemas sobre la física de otros conceptos de fusión como MagLIF, lo que ha generado un aumento grande en el número de publicaciones sobre esta configuración. Esto ha llevado al descubrimiento de varios fenómenos nuevos que han cambiado considerablemente nuestro entendimiento de la física detrás que hay del pinch y cómo evoluciona la energía de este, entre ellos el fenómeno de rotación inducida por campos axiales que fue el foco de esta investigación. En el presente trabajo se describe el desarrollo de una configuración de Gas-puff Z-pinch magnetizado para el generador de potencia pulsada Llampüdkeñ (con una corriente peak de 400 kA y un tiempo de subida de 200 ns) por medio de la fabricación de bobinas magnéticas y un generador de pulsos, lo que se utilizó para estudiar un plasma de argón magnetizado en detalle. Para el estudio del plasma, se aplicó Thomson Scattering por medio de un láser de 532 nm con 1 J de energía y 10 ns de ancho, cuya luz fue recolectada por medio de 3 arreglos de fibras (25 c/u) que miran al plasma de manera ortogonal al eje de propagación del láser, lo que permitió medir la velocidad radial, azimutal y axial del plasma con una resolución espacial de 0.2 µm y temporal con un tiempo de integración de 3 ns. En conjunto a esto, se utilizaron diodos, diagnósticos eléctricos, una cámara MCP y shadowgrafía, lo que en conjunto con Thomson Scattering permitió realizar una descripción del balance energético según el campo aplicado, un estudio de las inestabilidades generadas y una descripción temporal detallada de la dinámica del plasma, la evolución del radio y la evolución de los parámetros del plasma, lo que incluye la densidad iónica y electrónica, el grado de ionización, y la temperatura iónica y electrónica. Se utilizaron dos configuraciones para estudiar las rotaciones, uno en donde se colocaron dos bobinas paralelas (caso Double-Coil) y otro en donde se utilizó solo una para aumentar el campo radial (caso Single-Coil). Se tomaron varias medidas en el caso Double-Coil aplicando campos desde 0.04 a 0.26 T, y para el caso Single-Coil para los campos de 0.06 y 0.19 T, que permitieron describir temporalmente la dinámica de manera detallada. A partir de esto se logró encontrar una relación entre el campo radial y axial aplicado y la velocidad de rotación, en donde se observó que el plasma gira siempre en el sentido en que apunta la fuerza Jz × Br y contrario a Jr × Bz, lo que indica que el campo radial y su evolución durante la implosión es la principal causa del efecto observado. Adicionalmente, se logró observar por medio de la velocidad radial y por los diagnósticos de imagen que el plasma se estagnó prematuramente al aplicar un campo magnético de 0.26 T, lo cual es contrario al comportamiento del resto de casos en donde la aplicación de un campo atrasa la estagnación a causa de la presión magnética. Este comportamiento anómalo podría ser un ejemplo de un fenómeno de amplificación axial provocado por el efecto Hall que ha sido descrito teóricamente en este tipo de plasmas. También se logró comprobar la relación entre el zippering y la velocidad axial, en donde la aplicación de un campo permitió suprimir casi completamente el zippering y permitió eliminar en gran manera la velocidad axial del plasma. Esto contrasta con mediciones realizadas anteriormente en el generador Llampüdkeñ en donde se midieron velocidades axiales comparables a la velocidad de la implosión causadas por el zippering. Estos resultados de Thomson Scattering junto con los diagnósticos eléctricos del generador permitieron estudiar la evolución energética del pinch, en donde se logró observar que gran parte de la energía cinética de la implosión no fue llevada a energía termal en la estagnación, sino que una gran parte de esta energía fue perdida por el trabajo requerido para comprimir las líneas de campo y fue transformada posiblemente también en energía cinética azimutal, la cual se mantuvo luego del pinch en lugar de contribuir al aumento de temperatura del pinch. La energía irradiada por el pinch no pudo ser contabilizada debido a que el diodo utilizado no generó una señal eléctrica fuerte, lo que es consistente con otros resultados recientes en Gas-puffs y pudo haber sido causado por el filtro usado o por la mala respuesta del diodo usado a la radiación generada. Los diagnósticos de imágenes permitieron visualizar inestabilidades helicoidales a tiempos tempranos y la formación de filamentos verticales vistos en las imágenes de MCP que han sido reportados recientemente en varios otros experimentos. No se logró observar la evolución de las inestabilidades helicoidales en el tiempo debido a ciertas fallas en la aplicación de los diagnósticos y debido a daños anteriores que sufrieron los aparatos, por lo que quedan ciertas incógnitas sobre la prevalencia de estas inestabilidades. Algunos de las estructuras vistas a tiempos tardíos se vio que no cumplían con ciertas propiedades de estas inestabilidades, como la relación entre el ángulo de la estructura y el cociente entre los campos magnéticos axiales y azimutales, o como la conservación del pitch, por lo que es probable que estas estructuras helicoidales no se hayan mantenido en el tiempo y que en cambio se hayan observado filamentaciones solamente.
Description
Tesis (Magíster en Física)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2025