Application of collisional radiative models for atomic and molecular hydrogen to a negative ion source for fusion

I modelli di popolazione descrivono come dipendono i parametri di plasma (densità e temperature elettronica) dalla densità degli stati eccitati di molecole o atomi in un plasma. Il più semplice modello di popolazione è chiamato modello a corona e bilancia solamente l’eccitazione dallo stato fondamentale dovuta a collisioni tra elettroni e atomi (o molecole) con l’emissione spontanea. Questo modello è valido per plasmi con bassa denistà elettronica (minore di 10^16 m^(-3)). Per densità eletroniche elevate (maggiori di 10^22 m^(-3)), si può applicare la condizione di equilibrio termodinamico (LTE) e le densità di popolazione dei diversi stati eccitati seguono la distribuzione locale di Boltzmann. Il lavoro di tesi riguarda un terzo tipo di modello di popolazione, chiamato modello collisionale radiativo, che è applicato per valori intermedi di densità elettronica. I modelli collisionali radiativi consistono in un insieme di equazioni differenziali accoppiate che bilanciano tutti i processi di eccitazione e diseccitazione. L’obiettivo principale di questo lavoro è l’uso di diversi modelli collisionali radiativi basati su YACORA per caratterizzare il plasma all’interno dei drivers dell’esperimento ELISE, attualmente in funzione presso il Max Planck Institut für Plasmaphysik in Garching (Monaco di Baviera). ELISE è dotata di una sorgente in radiofrequenza per la produzione di ioni negativi di idrogeno e deuterio, generati in un plasma a bassa pressione e temperature. Per stimare la temperatura e la densità elettronica in ELISE sono applicati i modelli collisionali radiativi per H e H2 presenti in YACORA con cui vengono calcolate le emissività da confrontare con quelle misurate tramite la spettroscopia ottica di emissione. Sono considerati due metodi basati sul confronto tra le emissività misurate e calcolate: il primo è basato sul rapporto tra le intensità di alcune linee di emissione selezionate, mentre il secondo usa direttamente il valore assoluto di queste linee di emissione. Il primo metodo può essere usato anche con una diagnostica spettroscopica non calibrata in modo assoluto, ma restituisce una stima meno precisa del secondo, che, tuttavia, richiede la misura delle intensità in modo assoluto. L’analisi è condotta sia in idrogeno che in deuterio. Come ulteriore applicazione del modello collisionale radiativo per l’elio in YACORA, è stata determinata la densità e la temperatura elettronica di un plasma d'elio. Un altro importante obiettivo di questo lavoro di tesi, direttamente connesso con quello precedente, è stato lo sviluppo di un'applicazione web completa con lo scopo di rendere pubblico l’utilizzo dei modelli collisionali radiativi per H, H2 e He basati su YACORA. Attraverso il sito web, un utente può inserire i parametri di ingresso richiesti da yacora. Dopo l’approvazione da parte di un reviewer, il calcolo può iniziare. Alla fine del calcolo, i risultati di yacora sono caricati nella cartella personale dell’utente all’interno del sito web (www.yacora.de).