Fysiker vid Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har hittat ett sätt att förhindra plasma – det heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor - från att orsaka kortslutningar i maskiner som rymdskeppspropeller, radarförstärkare, och partikelacceleratorer. I resultat publicerade online i Journal of Applied Physics , Charles Swanson och Igor Kaganovich rapporterar att applicering av mikroskopiska strukturer som liknar fjädrar och morrhår på ytorna inuti dessa maskiner gör att de fungerar på topp.

Fysikerna beräknade att små fibrer som kallas "fraktaler, "för att de ser likadana ut när de ses i olika skalor, kan fånga in elektroner som lossnar från de inre ytorna av andra elektroner som zoomar in från plasman. Forskare hänvisar till de lossade ytelektronerna som "sekundära elektronemissioner" (SEE); fånga dem förhindrar sådana partiklar från att orsaka elektrisk ström som stör maskinernas funktioner.

Bygger på tidigare experiment

Detta arbete bygger på tidigare experiment som visar att ytor med fiberstruktur kan minska mängden sekundär elektronemission. Tidigare forskning har visat att ytor med vanliga fibrer som kallas "sammet" som saknar fjäderliknande grenar kan förhindra att cirka 50 procent av de sekundära elektronerna flyr in i plasman. Sammeten fångar bara hälften av sådana elektroner, eftersom om elektronerna från plasman träffar fibrerna i en ytlig vinkel kan sekundära elektroner studsa iväg utan hinder.

"När vi tittade på sammet, vi observerade att det inte undertryckte SEE från ytligt infallande elektroner väl, "Så vi lade till ytterligare en uppsättning fibrer för att undertrycka de återstående sekundära elektronerna och fraktalmetoden verkar fungera bra."

Den nya forskningen visar att fjäderfiber kan fånga sekundära elektroner som produceras av elektronerna som närmar sig från en ytlig vinkel. Som ett resultat, fraktalfibrerna kan minska sekundär elektronemission med upp till 80 procent.

Swanson och Kaganovich verifierade fynden genom att utföra datorberäkningar som jämförde sammets- och fraktalfjäderstrukturer. "Vi simulerade numeriskt emissionen av sekundära elektroner, initiera många partiklar och låta dem följa ballistiska, rätlinjiga banor tills de interagerar med ytan, ", sade Swanson. "Det var uppenbart att lägga till morrhår på sidorna av de primära morrhåren minskade det sekundära elektronutbytet dramatiskt."

Provisoriskt patent

De två forskarna har nu ett provisoriskt patent på tekniken med fjäderstruktur. Denna forskning finansierades av Air Force Office of Scientific Research, och följer liknande experimentellt arbete som gjorts vid PPPL av andra fysiker. Specifikt, Jevgenij Raitses, arbetar på PPPL; Marlene Patino, en doktorand vid University of California, Los Angeles; och Angela Capece, professor vid College of New Jersey, har under det senaste året publicerat experimentella rön om hur sekundär elektronemission påverkas av olika väggmaterial och strukturer, baserat på forskning de gjorde på PPPL.