|
Загадочные нити в нестабильной плазме
|
|
|
|
Международная группа ученых впервые сфотографировала нестабильность плазмы, продемонстрировав поразительные новые изображения электронных пучков, образующих нити, похожие на спагетти. Исследовательская группа из Института ускорительной науки имени Джона Адамса при Имперском колледже Лондона и Брукхейвенской национальной лаборатории использовала высокоинтенсивный лазер для получения и фиксации нестабильности филаментации. Их результаты могут найти применение в плазменных ускорителях частиц, термоядерной энергетике и даже в здравоохранении.
|
|
Четвертое состояние вещества
|
|
|
|
Плазма является одним из четырех фундаментальных состояний вещества, наряду с твердым, жидким и газообразным. Она состоит из комбинации заряженных ионов и электронов, которые могут проводить электричество и находятся под воздействием магнитных полей.
|
|
|
|
Когда поток частиц в области плазмы отличается от остальных или движется в одном направлении, возникает нестабильность. Это может привести к образованию длинных тонких нитей, известных как нестабильность “вейбелевских токов”. Эти нити могут вызвать эффект убегания, генерируя свои собственные магнитные поля и еще больше дестабилизируя плазму.
|
|
|
|
“Причина, по которой мы особенно интересуемся нестабильностями, заключается в том, что они, как правило, мешают применению, например, вводу энергии в плазму для запуска термоядерного синтеза”, - сказал доктор Николас Довер, научный сотрудник физического факультета Имперского колледжа Лондона и Института ускорительной науки Джона Адамса.
|
|
|
|
|
|
|
“Обычно мы хотим избежать нестабильности, но для этого нам нужно в первую очередь понять ее”, - сказал он.
|
|
|
|
Создание плазменной нити
|
|
|
|
Для своего эксперимента команда направила на неподвижную плазму лазер высокой интенсивности, генерируя концентрированный электронный луч высокой энергии. Когда фотоны лазера взаимодействовали с электронами плазмы, они увеличивали энергию электронов и подталкивали их к лазеру.
|
|
|
|
Электронный пучок проходил бы плавно в идеально стабильной и однородной плазме. Однако из-за отсутствия однородности возникали сбои. Пучок создавал небольшие колебания в областях с различной плотностью электронов, что приводило к образованию нитей. Когда электроны начали собираться в группы, они усилили дестабилизацию.
|
|
|
|
“Чем больше магнитных полей вы генерируете, тем больше растет нестабильность, а затем и усиление магнитного поля, - сказал доктор Довер. - Это похоже на эффект снежного кома”.
|
|
|
|
Ученые давно размышляли о нестабильности такого типа, но до сих пор наблюдались только косвенные эффекты. Это первый случай, когда исследователи зафиксировали эффект в лаборатории.
|
|
Фиксация нестабильности на изображениях
|
|
|
|
Чтобы сфотографировать нестабильность, команда синхронизировала два лазера, работающих на разных длинах волн. Компания Brookhaven разработала уникальный длинноволновый инфракрасный лазер с беспрецедентной интенсивностью для создания электронного пучка, ответственного за нестабильность. Затем для получения изображений события был использован более традиционный коротковолновый оптический зондирующий лазер.
|
|
|
|
Одной из основных проблем при изучении нестабильности плазмы является то, что плотность плазмы, как правило, слишком высока для проникновения стандартных лазеров. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали метод теневой графики для визуализации изменений плотности и измерения волокон. Брукхейвенский лазер позволил команде ученых контролировать направление движения электронов в плазме, направляя накопление энергии. Эта возможность позволила им расположить электроны в области, где их мог наблюдать оптический зондирующий лазер.
|
|
|
|
Для проведения своего эксперимента ученые сначала закачали короткие порции газа в вакуумную камеру, чтобы создать газовые мишени. Этот процесс позволил точно регулировать плотность плазмы, которую исследователи отладили, чтобы оценить ее влияние на формирование волокон. Тщательно контролируя эти условия, они смогли получить изображения нестабильности крупным планом.
|
|
|
|
“Мы были действительно поражены тем, насколько хорошими получились фотографии, потому что с помощью оптических лазеров действительно трудно сделать красивые снимки плазмы”, - сказал доктор Довер.
|
|
Преодоление нестабильности
|
|
|
|
Следующим шагом исследователей из Брукхейвенского испытательного центра на ускорителе является улучшение их возможностей в области визуализации. Они планируют модернизировать оптический лазер для получения более четких изображений и сокращения временных интервалов, что позволит проводить наблюдения в режиме реального времени, а не полагаться исключительно на анализ данных после эксперимента.
|
|
|
|
“Если мы действительно сможем это сделать, то это может иметь действительно большое применение, особенно в лучевой терапии”, - сказал профессор Зульфикар Наджмудин, заместитель директора Института Джона Адамса. “[Брукхейвены] стремятся продемонстрировать пучки частиц, обладающие достаточной энергией для радиобиологических экспериментов”.
|
|
|
|
Источник
|
