Högenergetiska jonstrålar – laserliknande strålar av atompartiklar som avfyras genom acceleratorer – har tillämpningar som sträcker sig från tröghetsinneslutningsfusion till produktion av superheta extrema tillstånd av materia som tros existera i kärnan av jätteplaneter som Jupiter och som forskare är sugna på att studera. Dessa positivt laddade jonstrålar måste neutraliseras av negativt laddade elektroner för att hålla dem skarpt fokuserade. Dock, forskare har hittat många hinder för neutraliseringsprocessen.
Utvald artikel
Vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), forskare har upptäckt ett överraskande nytt hinder som minskar neutraliseringen av jonstrålepulser. Resultaten, rapporteras i Physics of Plasmas och marknadsförs som en utvald artikel, ge ny insikt om en källa till problemet och ange hur man kan förebygga det.
Upptäckten föreslår en förklaring till den dåliga neutraliseringshastigheten som först observerades i experiment vid Lawrence Berkeley National Laboratory redan 2002. Problemet har förblivit oförklarat innan utvecklingen av koder som kan simulera de involverade processerna.
Fysikern Chaohui Lan, en gästforskare från China Academy of Engineering Physics, upptäckte orsaken när han utförde datorsimuleringar av elektrondynamik med PPPL-fysikern Igor Kaganovich, biträdande chef för PPPL-teori- och beräkningsavdelningen. Deras forskning på Princeton University-datorer utforskade injiceringen av elektroner från en tunn glödtråd in i strålpulsen för att neutralisera den för effektiv fokusering och transport. Resultaten visade att processen minskade neutraliseringen jämfört med att passera strålen genom plasma ¬— det laddade tillståndet hos materia som består av fria joner och elektroner.
Laddade öar
"I dessa simuleringar hittade jag något ovanligt, sa Lan, huvudförfattare till Physics of Plasmas papper som Kaganovich var medförfattare till. "Jag kallade dem "laddade öar" som inte kunde neutraliseras ytterligare av injicerade elektroner."
Vad Lan hade snubblat på var bildandet av "electrostatic solitary waves" (ESW), en typ av stabil elektronexciterad våg som tidigare studier av neutralisering inte hade rapporterat. Sådana vågor kan nå flera centimeter långa och röra sig fram och tillbaka från kanterna på jonstrålepulsen, påverkar elektronrörelse och minskar neutralisering. Vågorna samverkar svagt med varandra och i vissa fall stör och ger energi till elektronerna, får dem att fly strålen och ytterligare minska neutraliseringen.
För att minimera problemet, de nya fynden tyder på att bredda glödtråden som injicerar elektronerna i strålen för att förbättra neutraliseringshastigheten. "Det breddar distributionen av elektroner, säger Kaganovich, "och minskar excitationen av vågorna." Dessutom, han lägger till, modellen som utvecklats vid PPPL bör hjälpa forskare att studera och förstå mekanismerna bakom exciteringen av dessa vågor för att hjälpa dem att kontrollera dem.
