Elk vast oppervlak ondergedompeld in een plasma, inclusief die in satellietmotoren en fusiereactoren, wordt omgeven door een laag elektrische lading die de interactie tussen het oppervlak en het plasma bepaalt. De aard van dit contact begrijpen, die de prestaties van de apparaten kunnen beïnvloeden, hangt vaak af van het begrijpen hoe elektrische lading over het oppervlak wordt verdeeld. Nutsvoorzieningen, recent onderzoek door wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) geeft een manier aan om deze elektrische eigenschappen nauwkeuriger te meten.

De recente ontdekking heeft betrekking op de laag, de zogenaamde plasmawand van elektrische lading die objecten omringt, inclusief diagnostische sondes, in het plasma, die is samengesteld uit geladen elektronen en ionen. Deze laag beschermt sondes door andere elektronen in het plasma af te weren die de metingen van het instrument beïnvloeden en soms zelfs schade veroorzaken. "In werkelijkheid, het object isoleert zichzelf van al deze elektronen in het plasma die energie en warmte transporteren en de sonde zouden kunnen doen smelten, " zei Brian Kraus, een afgestudeerde student in het Princeton-programma in plasmafysica die hoofdauteur was van het artikel dat de bevindingen publiceerde in Fysica van plasma's .

Kraus en hoofdonderzoeksfysicus Yevgeny Raitses, co-auteur van de paper en onderzoeksadviseur voor Kraus op zijn eerstejaars afstudeerproject, ontdekte dat de lading van de laag soms positief kan zijn, in tegenspraak met wat wetenschappers lang hebben gedacht - dat de deken altijd een meer negatieve lading heeft dan het omringende plasma. De bevindingen geven aan dat onderzoekers precies moeten bepalen wat voor soort lading de sonde omringt om correcties te kunnen maken die een nauwkeurige meting van de omstandigheden in het plasma zullen genereren.

specifiek, onderzoek uitgevoerd op het door Raitses geleide Hall Thruster Experiment (HTX) bij PPPL, die typisch wordt gebruikt om plasma-stuwraketten voor ruimtevaartuigen en aanverwante plasma-apparaten te bestuderen, toonde aan dat een warmte-emitterende diagnose die niet is aangesloten op een geaarde draad soms de positieve lading kan produceren. De HTX was in staat om een ​​stabiele, stabiel plasma waarmee de wetenschappers nauwkeuriger konden detecteren wat voor soort lading zich naast de sonde opbouwde.

"Het grote nieuwe is dat tot nu toe, wetenschappers waren al minstens tien jaar bezig met het ontwikkelen van theoretische berekeningen en het uitvoeren van computersimulaties die aantoonden dat de positieve laag, of omgekeerde schede, zou kunnen gebeuren, maar niemand had het gezien in experimenten met sondes, "Zei Kraus. "In deze krant, we zeggen dat we denken dat we het inderdaad zien in een experiment, evenals het zien van de overgang tussen negatieve en positieve omhulsels."

Het onderzoek was het eerste dat deze berekeningen ondersteunde met betrekking tot het effect van zogenaamde sterk emitterende wanden. Het ontwikkelen van dergelijke berekeningen waren Michael Campanell, Alexander Khrabrov, en Igor Kaganovich van PPPL, samen met Dmytro Sydorenko aan de Universiteit van Alberta. (Campanell bevindt zich nu in het Lawrence Livermore National Laboratory van DOE.) De nieuwe experimenten bieden dus een uitstekend voorbeeld van hoe theoretische voorspellingen experimenteel onderzoek motiveren dat op zijn beurt theoretische voorspellingen valideert.

Volgens Raitses en Kraus, toekomstig onderzoek met fysieke experimenten zal nauwkeuriger meten hoe goed het zeer emissieve sondemodel overeenkomt met waarnemingen. Eén zo'n experiment zou bepalen of een emitterende sonde met een lange draad gemakkelijker een positieve lading zou behouden.