En ny spin på magnetisk komprimering av plasma kan förbättra materialvetenskapen, kärnfusionsforskning, Röntgengenerering och laboratorieastrofysik, forskning ledd av University of Michigan tyder på.

Studien visar att ett fjäderformat magnetfält minskar mängden plasma som glider ut mellan magnetfältslinjerna.

Känt som materiens fjärde tillstånd, plasma är en gas som är så varm att elektroner sliter loss från sina atomer. Forskare använder magnetisk kompression för att studera extrema plasmatillstånd där densiteten är tillräckligt hög för att kvantmekaniska effekter ska bli viktiga. Sådana tillstånd förekommer naturligt inuti stjärnor och gasjätteplaneter på grund av kompression från gravitationen.

Forskargruppen ledd av Ryan McBride, en docent i kärnteknik och radiologiska vetenskaper vid U-M, testar sätt att uppnå tillstånd som detta genom att implodera plasmacylindrar med magnetfält. Dessa cylindrar har en tendens att gå sönder på ett "korvlänk"-sätt när magnetfältet hittar små hål i cylinderns yta och skär in i dem. (Den tekniska termen är "korv instabilitet.")

"Det är som att försöka pressa en pinne mjukt smör med händerna, sade McBride. "Smöret pressas ut mellan fingrarna."

Smöret i McBrides analogi är plasma och fingrarna är magnetfältslinjer. Hans grupp letade efter ett sätt att hindra magnetfältet från att gräva in i defekterna i cylindern, istället får fältet att trycka mer enhetligt på cylinderns yttre yta. De gjorde detta genom att vrida magnetfältet till en helix, den där vårliknande formen, och att variera vinkeln med vilken spiralen tryckte på plasmacylindern. Detta gjorde det svårare för magnetfältet att skära in - fältet rörde sig över många divot istället för att trycka in i någon divot för länge.

De mest vridna magnetiska konfigurationerna som testades i dessa experiment minskade längden på de flyende plasmatentaklarna med cirka 70 %. Forskningen gjordes i samarbete med Sandia National Laboratories och Laboratory of Plasma Studies vid Cornell University.

Teamet ändrade formen på magnetfältet genom att ändra hur den elektriska strömmen – över 1 miljon ampere – gick genom kompressionsenheten. Den elektriska strömmen går vanligtvis upp genom den centrala cylindern som ska komprimeras och sedan tillbaka ner genom raka "returström"-kolonner som omger den centrala cylindern. Detta alstrar ett cylindriskt magnetfält som omger den centrala cylindern. För att omvandla det cylindriska fältet till en helix, teamet vred returströmpelarna runt den centrala cylindern. Den centrala cylindern börjar som en metallfolie, men den enorma elektriska strömmen omvandlar snabbt metallen till ett plasma. De körde experimenten på Cornell Beam Research Accelerator.

"Att designa returströmstrukturerna var en intressant balansgång, sa Paul Campbell, första författare på tidningen och en Ph.D. student i kärnteknik och radiologiska vetenskaper vid U-M. "Vi var inte säkra på att vi ens kunde få dessa strukturer bearbetade, men lyckligtvis metall 3-D-utskrift har kommit så långt att vi kunde få dem utskrivna istället."

Campbell förklarade att när strukturerna är mer vridna, mindre ström går genom dem, så kolonnerna måste placeras närmare den imploderande plasman för att kompensera. På samma gång, de behövde luckor i strukturen så att de kunde se vad som pågick med implosionen.

I linje med att replikera förhållandena inuti stjärnor, magnetisk kompression är en metod för att komprimera kärnfusionsbränsle – vanligtvis varianter av väte – för att studera de processer som driver stjärnor. Tekniken kan också generera kraftfulla röntgenskurar och simulera astrofysiska fenomen som plasmastrålar nära svarta hål.

En artikel om denna forskning, "Stabilisering av linerimplosioner via en dynamisk skruvklämma, " accepteras av tidskriften Fysiska granskningsbrev . Forskningen kommer också att presenteras i ett inbjudet föredrag vid den årliga konferensen för American Physical Society's Division of Plasma Physics i november 2020.