Oavsett om vi studerar kärnan i vår sol eller insidan av en fusionsreaktor, forskare måste bestämma hur energi flödar i plasma. Forskare använder simuleringar för att beräkna flödet. Simuleringarna bygger på den klassiska termiska transportmodellen. Trots över 50 års forskning, en ad hoc -multiplikator krävs ofta. Utan det, simuleringen överensstämmer inte med verkliga observationer. Nu, ett team utarbetade ett sätt att mäta energiflöde och bestämde varför modellerna behöver multiplikatorn. Ytterligare, teamets nya tillvägagångssätt låter dem kvantitativt testa simuleringar.

Teamets mätningar visar att de mest sofistikerade modellerna överförutsäger värmeflödet för alla testade förhållanden. Nu, forskare kan vidareutveckla värmetransportmodeller. Också, de kan lättare studera och definitivt testa modeller.

Inom olika områden av plasmafysik inklusive astrofysik, tröghetsinneslutning fusion, och magnetohydrodynamik, klassisk termisk transport (t.ex. Spitzer-Harm och Brajinskii) utgör grunden för beräkning av värmeflöde (energiflöde). Trots över 50 års forskning, en ad hoc-multiplikator krävs ofta för att ta hänsyn till onormal fysik (till exempel, icke -lokala effekter, turbulens, eller instabiliteter) och för att matcha globala experimentella observerbara. Motiverad av behovet av att kvantitativt ta upp detta ämne, denna forskning utvecklade en ny kollektiv Thomson-spridningsteknik som direkt sonderar modifieringar av elektronfördelningsfunktionen till följd av värmeflöde [R.J. Henchen et al., Physical Review Letters (2018)]. Med denna teknik, giltigheten av den klassiska transportteorin när elektronjonens genomsnittliga fria väg är tillräckligt kortare än elektrontemperaturskalans längd och dess nedbrytning i den icke-lokala transportregimen visades för första gången. I regimer där klassisk teori bryts ner, elektronfördelningsfunktioner som överensstämmer med icke-lokal värmetransport bestämdes med hjälp av det uppmätta kollektiva Thomson-spridningsspektrumet och ger nu en kvantitativ experimentell datamängd för direkt jämförelse med icke-lokala modeller [R.J. Henchen et al., Physics of Plasmas (2019)].

Denna forskning används inte bara för att testa värmetransportmodeller, men också det nya konceptet har öppnat en kraftfull väg för att mäta elektrondistributionsfunktioner. Insikten om att det kompletta kollektiva Thomson-spridningsspektrumet kan användas för att mäta godtyckliga elektronfördelningsfunktioner har möjliggjort senaste mätningar som har isolerat samspelet mellan laser-plasma-interaktioner och hydrodynamik. Nya mätningar har nu visat att lasrar i tröghetsfusionsexperiment rutinmässigt driver icke-Maxwellian elektrondistributionsfunktioner och att dessa distributionsfunktioner direkt påverkar laser-plasma-instabilitet. Att inkludera dessa uppmätta icke-Maxwellianska elektronfördelningsfunktioner krävs i laser-plasma-instabilitetsmodellerna för att matcha den uppmätta tvärstrålenergioverföringen. Detta kan få betydande konsekvenser för nuvarande indirekt-drivna fusionsexperiment, där ad hoc-multiplikatorer för närvarande krävs i tvärstrålningsenergiöverföringsmodelleringen som är byggd kring Maxwellianska distributionsfunktioner. Att inkludera icke-Maxwellska elektrondistributionsfunktioner verkar eliminera behovet av dessa multiplikatorer. Forskare räknar med att inkludera resultaten av denna forskning i modelleringen kommer att leda till mer förutsägbara simuleringar av indirektdrivna fusionsexperiment vid National Ignition Facility.