En viktig utmaning för forskare som strävar efter att på jorden producera fusionsenergin som driver solen och stjärnorna är att förhindra det som kallas förflyttade elektroner, partiklar som släpptes loss i störda fusionsexperiment som kan borra hål i tokamaker, de munkformade maskinerna som rymmer experimenten. Forskare som leds av forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har använt en ny diagnostik med omfattande funktioner för att upptäcka födelsen, och de linjära och exponentiella tillväxtfaserna för högenergi-bortflyktiga elektroner, vilket kan göra det möjligt för forskare att avgöra hur man förhindrar elektronernas skada.

Initial energi

"Vi måste se dessa elektroner vid sin initiala energi snarare än när de är fullvuxna och rör sig nära ljusets hastighet, "sa PPPL-fysikern Luis Delgado-Aparicio, som ledde experimentet som upptäckte de tidiga flyktarna på Madison Symmetric Torus (MST) vid University of Wisconsin-Madison. "Nästa steg är att optimera sätt att stoppa dem innan den flyktiga elektronpopulationen kan växa till en lavin, "sade Delgado-Aparicio, huvudförfattare till en första uppsats som beskriver resultaten i Granskning av vetenskapliga instrument .

Fusionsreaktioner producerar stora mängder energi genom att kombinera ljuselement i form av plasma - det heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum. Forskare världen över försöker producera och kontrollera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillförsel av säker och ren kraft för att generera el

PPPL samarbetade med University of Wisconsin för att installera multi-energy pinhole-kameran på MST, som fungerade som en testbädd för kamerans funktioner. Diagnosen uppgraderar och gör om en kamera som PPPL tidigare hade installerat på den nu slutade Alcator C-Mod tokamak vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), och är unik i sin förmåga att registrera inte bara egenskaperna hos plasma i tid och rum utan också dess energifördelning.

Denna förmåga gör det möjligt för forskare att karakterisera såväl utvecklingen av superhotplasma som födelsen av flyktiga elektroner, som börjar med låg energi. "Om vi ​​förstår energiinnehållet kan jag berätta vad som är densiteten och temperaturen på bakgrundsplasma såväl som mängden flyktiga elektroner, "Sade Delgado Aparicio." Så genom att lägga till denna nya energivariabel kan vi ta reda på flera mängder av plasma och använda det som en diagnostik. "

Ny kamera

Användning av den nya kameran driver tekniken framåt. "Detta har verkligen varit ett fantastiskt vetenskapligt samarbete, "sa fysikern Carey Forest, en professor i University of Wisconsin som övervakar MST, som han beskriver som "en mycket robust maskin som kan producera flyktiga elektroner som inte äventyrar dess funktion."

Som ett resultat, Forest sa, "Luis förmåga att diagnostisera inte bara födelseplatsen och den inledande linjära tillväxtfasen för elektronerna när de accelereras, och sedan följa hur de transporteras utifrån och in, är fascinerande. Att jämföra sin diagnos med modellering blir nästa steg och naturligtvis kan en bättre förståelse leda till nya lindringstekniker i framtiden. "

Delgado-Aparicio ser redan framåt. "Jag vill ta all expertis som vi har utvecklat på MST och tillämpa den på en stor tokamak, "sa han. Två postdoktorala forskare som Delgado-Aparicio övervakar kan bygga vidare på MST-fynden men vid WEST, Tungsten (W) -miljön i Tokyam i steady-state som drivs av den franska alternativa energi- och atomenergikommissionen (CEA) i Cadarache, Frankrike.

Användningsområde

"Det jag vill göra med mina postdokument är att använda kameror för många olika saker, inklusive partikeltransport, förlossning, radiofrekvensuppvärmning och även denna nya twist, diagnos och studier av flyktiga elektroner, "Sade Delgado-Aparicio." Vi skulle i princip vilja ta reda på hur vi kan ge elektronerna en mjuk landning, och det kan vara ett mycket säkert sätt att hantera dem. "

Två dussin forskare deltog i forskningen med Delgado-Aparicio och medförfattare av artikeln om detta arbete. Inkluderade var sju fysiker från PPPL och åtta från University of Wisconsin. Totalt gick tre forskare från Tokyos universitet till dem, Kyushi University och National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology i Japan; fem medlemmar i Dectris, en schweizisk tillverkare av detektorer; och en fysiker från Edgewood College i Madison, Wisconsin.