Studio sperimentale di plasmi ECR in regimi stazionari e turbolenti mediante un sistema multidiagnostico: prospettive per investigare i decadimenti beta di interesse nucleare e astrofisico in plasma

This thesis presents an interdisciplinary study concerning a new way of measuring nuclear decays as a function of thermodynamical conditions of the environment, namely a magnetized plasma obtained via Electron Cyclotron Resonance (ECR) and trapped in strong magnetic fields. The experimental activities, carried out at INFN-LNS and in collaboration with the ATOMKI Laboratories, deal particularly with the study, development and use of an innovative multi-diagnostics system with advanced analytical techniques aiming at characterizing the thermodynamical properties of the ECR plasma, in stationary versus turbulent regimes. The thesis has been carried out in the frame of the PANDORA_Gr3 (Plasma for Astrophysics, Nuclear Decay Observation and Radiation for Archaeometry) project which, for the first time, aims to use the plasmas investigated by the techniques here presented for studying nuclear beta-decay in an astrophysical-like scenario. The simultaneous use of all tools and analytical techniques, properly developed and now available at INFN-LNS, allows an unprecedented capability of mastering these magnetoplasmas properties, in the whole energetic domain. Plasma stable and turbulent regimes by heating the plasma in single and double frequency mode were characterized, also by high resolution space- and time-resolved analysis. Plasma kinetic turbulence regimes were studied for the first time in a quantitative way. Innovative heating methods to master plasma turbulent regimes have been investigated and a new plasma heating method (the so called Two-Close-Frequency-Heating) able to damp the plasma instabilities has been found. Moreover, a specific analysis was focused on the development and implementation of an algorithm for analyzing Single Photon-Counting images and thus performing high resolution spectrally-resolved X-ray imaging. It allowed detailed studies of plasma confinement dynamics vs. plasma internal structure modifications. Finally, further studies were performed in order to figure out the final setup of PANDORA_Gr3. This was done by carrying out Monte Carlo simulations supporting the design of the array of gamma detectors, investigating the total efficiency of the array. The sensitivity of the PANDORA_Gr3 setup was specifically checked, estimating the experimental run durations for getting enough statistical significance in terms of sigma-confidence levels. These results have been crucial for supporting the feasibility study of the PANDORA_Gr3 experiment, but at the same have been highly recognized in plasma physics and ion source physics research fields. In particular, they allowed to gain a wider knowledge of plasma turbulent regimes in linear, non-axisymmetric magnetic systems, and also to investigate more efficient plasma heating methods.

Il lavoro di tesi consiste in uno studio interdisciplinare riguardante un’innovativa tecnica sperimentale per la misura di decadimenti nucleari in funzione delle condizioni termodinamiche dell'ambiente, ovvero un plasma magnetizzato (riscaldato tramite Electron Cyclotron Resonance (ECR)) confinato da intensi campi magnetici. Le attività sperimentali, condotte presso i INFN-LNS e in collaborazione con i Laboratori ATOMKI, riguardano in particolare lo studio, lo sviluppo e l'impiego di un innovativo sistema multidiagnostico, e avanzate tecniche di analisi, volte a caratterizzare le proprietà termodinamiche dei plasmi ECR, in regimi stazionari e turbolenti. La tesi è stata svolta nell'ambito del progetto PANDORA_Gr3 (Plasma for Astrophysics, Nuclear Decay Observation and Radiation for Archaeometry) che, per la prima volta, si propone di utilizzare i plasmi indagati dalle tecniche qui presentate per lo studio di decadimenti beta in uno scenario in grado di emulare talune condizioni astrofisiche. L'uso simultaneo di tutti gli strumenti e le tecniche analitiche, opportunamente sviluppate presso i INFN-LNS, consente di investigare le proprietà dei magnetoplasmi in tutto il dominio energetico. Sono stati caratterizzati regimi di plasma stabile e turbolento tramite riscaldamento del plasma in singola e doppia frequenza, anche tramite tecniche di spettroscopia spazio e tempo-risolte ad alta risoluzione. I regimi di turbolenza cinetica del plasma sono stati studiati per la prima volta in modo quantitativo. Sono stati investigati metodi di riscaldamento innovativi del plasma ed è stato trovato un nuovo metodo (Two-Close-Frequency-Heating) in grado di smorzare le instabilità del plasma. Inoltre, un'analisi specifica è stata finalizzata allo sviluppo e all’implementazione di un algoritmo per l'analisi di immagini a raggi X - in modalità single photon-counted – che consente imaging a raggi X spettralmente risolto. Sono stati condotti studi dettagliati sulle dinamiche di confinamento del plasma e sulla struttura interna del plasma. Infine, sono state eseguite simulazioni Monte Carlo al fine di studiare l'efficienza totale della matrice di rivelatori gamma per il design definitivo di PANDORA_Gr3. Anche la sensibilità della misura di PANDORA_Gr3 è stata valutata mediante le simulazioni, stimando i tempi di misura sperimentali necessari per ottenere una significatività statistica. Questi risultati sono stati cruciali per supportare lo studio di fattibilità dell'esperimento PANDORA_Gr3, ma allo stesso tempo sono stati altamente riconosciuti nei campi di ricerca della fisica del plasma e della fisica delle sorgenti ioniche. In particolare, hanno permesso di acquisire una conoscenza più dettagliata dei regimi turbolenti del plasma confinati in trappole magnetiche compatte, e anche di studiare più efficienti metodi di riscaldamento del plasma.