Sezioni d'urto di ionizzazione totale e differenziale in collisione tra un atomo di azoto e uno ione sodio a carica singola

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14080 (2023) Citare questo articolo

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Presentiamo uno studio teorico della ionizzazione dell'atomo di azoto da parte di uno ione di sodio a carica singola utilizzando il metodo Monte Carlo della traiettoria classica. Sebbene soffriamo della mancanza di dati sulla sezione trasversale di questo sistema di collisione, la conoscenza delle sezioni trasversali di base è essenziale nella scienza della fusione, poiché questa reazione ha potenziali applicazioni nella diagnostica dei plasmi di fusione confinati magneticamente. Nelle nostre indagini, il sistema di collisione Na+–N è ridotto a un problema a tre corpi. L'interazione tra i partner della collisione è descritta dal potenziale del modello di tipo Garvey. I risultati del nostro studio forniscono informazioni sulla dinamica delle interazioni sodio-azoto a carica singola. Le sezioni trasversali totali sono presentate nell'intervallo di energia di impatto compreso tra 10 keV e 10 MeV e confrontate con i dati sperimentali disponibili. Le sezioni trasversali differenziali singole e doppie sono presentate alle energie di 30, 40, 50 e 60 keV relative alle energie del plasma diagnostico utilizzato nella fusione nucleare.

La ionizzazione è uno dei fenomeni che hanno un ruolo enorme nella fisica delle radiazioni e nello studio della struttura degli atomi e delle molecole1. Inoltre, ha una notevole importanza anche nello studio del plasma di fusione. Nei plasmi di fusione tokamak confinati magneticamente, le distribuzioni e le concentrazioni degli ioni impurità eccitate hanno un grande impatto sui profili dei bordi del plasma. Per misurare i parametri del plasma (ovvero temperatura, concentrazione e densità di impurità) nonché la turbolenza del plasma2, viene utilizzato un metodo diagnostico che richiede l'iniezione di un fascio atomico neutro veloce nel plasma marginale per un'elevata risoluzione spaziotemporale. Molti atomi sono stati utilizzati come fasci diagnostici neutri come elio, litio e azoto2,3,4,5,6. Inoltre, nei reattori tokamak, il processo di semina dell’azoto viene utilizzato per raffreddare il plasma marginale7. Una riga di emissione è generata dalla collisione del fascio atomico neutro con le particelle costituenti il ​​plasma, le righe di emissione consentono una migliore comprensione dei profili dei bordi del plasma. I metodi diagnostici accurati si basano sulla conoscenza delle sezioni trasversali altamente accurate dei sistemi di collisione nel plasma marginale.

Per scopi diagnostici, l’elio è stata la prima scelta da utilizzare come raggio diagnostico. Sono stati utilizzati molti modelli teorici per studiare i processi di ionizzazione nei sistemi di collisione che coinvolgono l'elio. Tuttavia, confrontando i dati teorici e sperimentali della sezione trasversale doppia differenziale (DDCS) troviamo una discrepanza significativa tra loro. Nello studio del DDCS rispetto alla distribuzione angolare degli elettroni espulsi dall'atomo di elio, Madison8 e Manson et al9 hanno utilizzato un potenziale di Hartree-Fock per ottenere funzioni d'onda degli elettroni legati e continui per calcolare la sezione trasversale differenziale nell'approssimazione di Born dell'onda piana per i protoni e proiettili di elettroni rispettivamente. I loro risultati avevano un buon accordo con i dati sperimentali ad alte energie di impatto. L'approssimazione CDW-EIS (continum-distorted-wave-eikonal-initial-state) è stata utilizzata da Fainstein et al.10 per studiare la sezione trasversale differenziale nell'interazione tra l'atomo di elio e i proiettili nudi. Il CDW-EIS è una semplificazione del metodo CDW11, mentre il metodo CDW utilizza la funzione d'onda di Coulomb completamente elettronica, il metodo CDW-EIS utilizza il comportamento asintotico della funzione d'onda menzionata (ovvero la fase logaritmica di Coulomb)12. I risultati di Fainstein et al.10 presentavano un leggero disaccordo con i dati sperimentali per determinati angoli di eiezione. Il metodo dell'approssimazione di Born con onde distorte a tre corpi (3DWBA), utilizzato per studiare la ionizzazione dell'elio da parte di elettroni a bassa energia in geometria complanare, è stato suggerito da Jones e Madison13. Il 3DWBA include l'interazione tra l'elettrone incidente e l'elettrone espulso, questa inclusione ha portato ad un elevato accordo con i dati sperimentali. D'altra parte, Jones et al.14 hanno utilizzato le funzioni d'onda introdotte da Alt e Mukhamedzhanov15 e Berakdar16 nel 3DWBA, e i risultati calcolati mostrano un minore accordo con i dati sperimentali.