Alla vet att spelet biljard involverar bollar som smyger sig från sidorna av ett biljardbord - men få människor kanske vet att samma princip gäller för fusionsreaktioner. Hur laddade partiklar som elektroner och atomkärnor som utgör plasma interagerar med väggarna i munkformade enheter som kallas tokamaks hjälper till att avgöra hur effektivt fusionsreaktioner sker. Specifikt, i ett fenomen som kallas sekundär elektronemission (SEE), elektroner träffar väggens yta, orsakar att andra elektroner emitteras. Dessa sekundära elektroner kyler plasmakanten och dämpar plasmans totala prestanda.

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har studerat SEE i årtionden, och har under det senaste året gjort viktiga framsteg som främjar deras förståelse. Senast, två av fysikerna – Marlene Patino, en doktorand vid University of California, Los Angeles, och Angela Capece, en professor vid College of New Jersey - har fokuserat sina insatser på att undersöka hur SEE påverkas av olika väggmaterial och strukturer.

Att förstå SEE är avgörande eftersom beteendet hos de sekundära elektronerna kan påverka prestanda för framtida fusionsmaskiner. "När värmeförlusterna blir stora, fusionsmaskinen är mindre kapabel att producera ström, Sa Capece.

I hennes SEE -forskning Capece studerade hur elektroner interagerade med litium, ett väggmaterial som kan förbättra tokamaks förmåga att begränsa plasma. Andra forskare som är intresserade av litium har skapat datormodeller som simulerar hur litium interagerar med elektroner från plasma, men dessa modeller har inte tagit hänsyn till hur lätt litiumbindningar med andra spårämnen i plasma, som syre, för att bilda nya molekyler som litiumoxid. De nya molekylerna interagerar med elektroner annorlunda än rent litium skulle.

Specifikt, när elektroner träffar litiumoxid på en tokamakvägg, många fler sekundära elektroner släpps ut i plasma än för icke-litiumväggsmaterial som volfram och kol. Om en tokamak har ett foder av grafit, en elektron som träffar den med en viss mängd energi kan producera en sekundär elektron. Å andra sidan, om en elektron med samma energi träffar ett foder av litiumoxid, från en till tre sekundära elektroner kan uppstå.

Denna diskrepans är avgörande. "När SEE införlivas i modeller av fusionsenheter, det är viktigt att redogöra för litiums reaktivitet och att det kommer att bilda litiumoxid i en tokamakmiljö, Sa Capece.

Capece fann till slut att, i allmänhet, blir det lättare för en elektron att släppa en sekundär elektron när syrehalten i litiumfoder stiger. Hennes forskning kvantifierade exakt hur mängden syre som binds till litiumet i väggen förändrar mängden sekundära elektroner som kan komma in i plasma. Medan ett ökat SEE-utbyte kan driva upp värmeförlusten, många variabler vid kanten av plasman kan ändra effekten.

Patino studerade SEE från ett annat perspektiv. Hon undersökte små strukturer, känd som "fuzz, "som bildas på volframfoder när de har bombarderats av heliumkärnor. Hon observerade att i jämförelse med slät volfram, volfram med fuzz kan minska SEE med 40 procent till 60 procent. Dessa fynd var signifikanta eftersom tidigare forskares studier involverade tillverkade mikrostrukturer, medan i denna studie växte volframfuzzen av sig själv. Dessutom, till skillnad från tillverkade strukturer, minskningen av SEE beror inte på vinkeln vid vilken elektronerna närmar sig väggen, både för att de sekundära elektronerna är fångade av fuzz och fibrerna i fuzz distribueras slumpmässigt. "Denna brist på beroende av infallsvinkel är viktig för väggar i plasmamaskiner eftersom elektronerna kommer att påverka väggarna i stora sneda vinklar, sa Patino.

Hennes verk publicerades i november 2016 -numret av Bokstäver i tillämpad fysik . Capece's publicerades i juli 2016 -numret av samma tidskrift. Deras forskning finansierades av DOE:s Office of Science (Fusion Energy Sciences). Patinos arbete fick också finansiering från Air Force Office of Scientific Research (AFOSR).

SEE väckte först uppmärksamhet hos PPPL -forskare genom både experiment och teoretisk forskning om plasmastuschrar, enheter som en dag skulle kunna driva rymdfarkoster till avlägsna kosmiska objekt. "PPPL-forskare kom på idén att använda ytarkitekturerade material som kolsammet för att undertrycka SEE och därmed förbättra prestanda och livslängd för plasmastrusterna, sa Yevgeny Raitses, en huvudforskningsfysiker vid PPPL och huvudutredare på både Patino's och Capeces projekt.