Hoogenergetische ionenbundels - laserachtige bundels van atomaire deeltjes die door versnellers worden afgevuurd - hebben toepassingen die variëren van inertiële opsluitingsfusie tot de productie van superhete extreme toestanden van materie waarvan wordt aangenomen dat ze bestaan ​​in de kern van reuzenplaneten zoals Jupiter en die onderzoekers staan ​​te popelen om te studeren. Deze positief geladen ionenbundels moeten worden geneutraliseerd door negatief geladen elektronen om ze scherp gefocust te houden. Echter, onderzoekers hebben veel obstakels voor het neutralisatieproces gevonden.

Aanbevolen artikel

Bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers hebben een verrassend nieuw obstakel ontdekt dat de neutralisatie van ionenbundelpulsen vermindert. De bevindingen, gerapporteerd in Physics of Plasmas en gepromoot als een aanbevolen artikel, nieuw inzicht geven in een bron van het probleem en aangeven hoe dit te voorkomen.

De ontdekking biedt een verklaring voor de lage mate van neutralisatie die voor het eerst werd waargenomen in experimenten in het Lawrence Berkeley National Laboratory in 2002. Het probleem is onverklaard gebleven vóór de ontwikkeling van codes die de betrokken processen kunnen simuleren.

natuurkundige Chaohui Lan, een gastwetenschapper van de China Academy of Engineering Physics, ontdekte de oorzaak tijdens het uitvoeren van computersimulaties van elektronendynamica met PPPL-fysicus Igor Kaganovich, plaatsvervangend hoofd van de afdeling PPPL Theorie en Berekening. Hun onderzoek op computers van Princeton University onderzocht de injectie van elektronen uit een dunne gloeidraad in de bundelpuls om deze te neutraliseren voor effectieve focus en transport. De resultaten toonden aan dat het proces neutralisatie verminderde in vergelijking met het passeren van de straal door plasma - de geladen toestand van materie bestaande uit vrije ionen en elektronen.

Opgeladen eilanden

"In deze simulaties vond ik iets ongewoons, " zei Lan, hoofdauteur van het artikel Physics of Plasmas waar Kaganovich co-auteur van was. "Ik noemde ze 'geladen eilanden' die niet verder konden worden geneutraliseerd door geïnjecteerde elektronen."

Waar Lan op gestuit was, was de vorming van "elektrostatische solitaire golven" (ESW), een type stabiele elektron-opgewonden golf die eerdere studies van neutralisatie niet hadden gerapporteerd. Dergelijke golven kunnen enkele centimeters lang worden en heen en weer bewegen vanaf de randen van de ionenbundelpuls, die de elektronenbeweging beïnvloeden en neutralisatie verminderen. De golven interageren zwak met elkaar en in sommige gevallen verstoren en geven ze energie aan de elektronen, waardoor ze aan de straal ontsnappen en de neutralisatie verder verminderen.

Om het probleem te minimaliseren, de nieuwe bevindingen suggereren het verbreden van de gloeidraad die de elektronen in de straal injecteert om de neutralisatiesnelheid te verbeteren. "Dat verbreedt de verdeling van elektronen, " zegt Kaganovich, "en vermindert de opwinding van de golven." Bovendien, hij voegt toe, het bij PPPL ontwikkelde model zou onderzoekers moeten helpen bij het bestuderen en begrijpen van de mechanismen achter de excitatie van deze golven om ze te helpen beheersen.