I cirka 20 år har Caltech-professorn i tillämpad fysik Paul Bellan och hans grupp skapat magnetiskt accelererade strålar av plasma, en elektriskt ledande gas som består av joner och elektroner, i en vakuumkammare som är stor nog att rymma en person. (Neonskyltar och blixtar är vardagliga exempel på plasma).
I den vakuumkammaren joniseras gasbitar med flera tusen volt. Sedan strömmar 100 000 ampere genom plasman och producerar starka magnetfält som formar plasmat till en jetstråle som rör sig omkring 10 miles per sekund. Höghastighetsinspelningar visar att jetstrålen övergår genom flera distinkta stadier på några tiotals mikrosekunder.
Bellan säger att plasmastrålen ser ut som ett paraply som växer i längd. När längden når en eller två fot genomgår strålen en instabilitet som gör att den förvandlas till en snabbt expanderande korkskruv. Denna snabba expansion utlöser en annan, snabbare instabilitet som skapar krusningar.
"Rusningarna kväver jetens 100-kiloampers elektriska ström, ungefär som att lägga tummen över en vattenslang begränsar flödet och skapar en tryckgradient som accelererar vattnet", säger Bellan. "Att kväva jetströmmen skapar ett elektriskt fält som är tillräckligt starkt för att accelerera elektroner till hög energi."
Dessa högenergielektroner identifierades tidigare i jetexperimentet av de röntgenstrålar de genererar, och Bellan säger att deras närvaro var en överraskning. Det beror på att konventionell förståelse säger att jetplasman var för kall för att elektroner ska kunna accelereras till hög energi. Observera att "kyla" är ett relativt begrepp:Även om denna plasma hade en temperatur på cirka 20 000 Kelvin (35 500 °F) - mycket varmare än vad människor normalt möter - är det inte i närheten av temperaturen för solens korona, vilket är mer än 1 miljoner Kelvin (1,8 miljoner grader F).
"Så frågan är, 'Varför ser vi röntgen?'", säger han.
Kalla plasma ansågs vara oförmögna att generera högenergielektroner eftersom de är för "kollisionsmässiga", vilket innebär att en elektron inte kan resa mycket långt innan den kolliderar med en annan partikel. Det är som en förare som försöker släpa genom motorvägen. Föraren kanske trycker på gaspedalen men åker bara några meter innan han körde in i en annan bil. I fallet med en kall plasma, skulle en elektron accelerera bara cirka en mikron innan den kolliderar och saktar ner.
Bellan-gruppens första försök att förklara detta fenomen var en modell som antydde att en del av elektronerna lyckas undvika att kollidera med andra partiklar under den första mikron av färden. Enligt teorin tillät det elektronerna att accelerera till något högre hastighet, och när de väl gick snabbare kunde de resa en liten bit längre innan de stötte på en annan partikel som de kan kollidera med.
En bråkdel av dessa nu snabbare elektroner skulle återigen undvika en kollision för en tid, vilket skulle tillåta dem att uppnå en ännu högre hastighet, vilket skulle tillåta dem att resa ännu längre, skapa en positiv återkopplingsslinga som skulle tillåta några lyckliga elektroner att gå längre och snabbare, uppnå höga hastigheter och höga energier.
Men även om den var övertygande var teorin fel, säger Bellan.
"Man insåg att det här argumentet har ett fel", säger han, "eftersom elektroner inte riktigt kolliderar i betydelsen att de träffar något eller inte träffar något. De böjer sig faktiskt alla lite hela tiden. Så det finns ingen sådant som en elektron som kolliderar eller inte kolliderar."
Ändå förekommer högenergielektroner i jetexperimentets kalla plasma. För att ta reda på varför utvecklade Bellan en datorkod som beräknade verkan av 5 000 elektroner och 5 000 joner som kontinuerligt avleds från varandra i ett elektriskt fält. För att förstå hur ett fåtal elektroner lyckades nå höga energier, justerade han parametrarna och såg hur elektronernas beteende förändrades.
När elektroner accelererar i det elektriska fältet passerar de nära joner men rör dem aldrig. Ibland susar en elektron så tätt förbi en jon att den överför energi till en elektron ansluten till jonen och saktar ner, med den nu "exciterade" jonen som utstrålar synligt ljus. Eftersom elektroner bara emellanåt passerar så tätt, brukar de bara avböjas något från jonen utan att excitera den. Detta enstaka energiläckage inträffar i de flesta elektroner, vilket innebär att de aldrig når höga energier.
När Bellan justerade sin simulering dök några högenergielektroner upp som kunde skapa röntgenstrålar. "De få lyckliga som aldrig kommer tillräckligt nära en jon för att excitera den förlorar aldrig energi," tillägger han. "Dessa elektroner accelereras kontinuerligt i det elektriska fältet och får i slutändan tillräcklig energi för att producera röntgenstrålar."
Bellan säger att om det här beteendet inträffar i plasmastrålen i hans Caltech-labb, så händer det troligen även i solflammor och astrofysiska situationer. Detta kan också förklara varför oväntat högenergiröntgenstrålar ibland ses under fusionsenergiexperiment.
"Det finns en lång historia av att människor ser saker som de trodde var användbar fusion", säger han. "Det visade sig att det var fusion, men det var inte riktigt användbart. Det var intensiva transienta elektriska fält som producerades av instabiliteter som accelererade några partiklar till extremt hög energi. Detta kan förklara vad som pågick. Det är inte vad folk vill ha, men det är förmodligen vad som händer."
Uppsatsen som beskriver arbetet, "Energetisk elektronsvansproduktion från binära möten av diskreta elektroner och joner i ett elektriskt fält under Dreicer", publicerades i 20 oktober-numret av Physics of Plasmas och presenterades den 3 november vid det 65:e årsmötet för American Physical Society Division of Plasma Physics i Denver, Colorado.
Mer information: Paul M. Bellan, Energetisk elektronsvansproduktion från binära möten av diskreta elektroner och joner i ett sub-Dreicer elektriskt fält, Physics of Plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0167004
Journalinformation: Plasmas fysik
Tillhandahålls av California Institute of Technology
