Een nieuwe draai aan de magnetische compressie van plasma's zou de materiaalwetenschap kunnen verbeteren, onderzoek naar kernfusie, X-ray generatie en laboratorium astrofysica, onderzoek onder leiding van de Universiteit van Michigan suggereert.

De studie toont aan dat een veervormig magnetisch veld de hoeveelheid plasma die tussen de magnetische veldlijnen wegglipt, vermindert.

Bekend als de vierde toestand van materie, plasma is een gas dat zo heet is dat elektronen losrukken van hun atomen. Onderzoekers gebruiken magnetische compressie om extreme plasmatoestanden te bestuderen waarin de dichtheid hoog genoeg is om kwantummechanische effecten belangrijk te laten worden. Dergelijke toestanden komen van nature voor in sterren en gasreuzenplaneten als gevolg van compressie door de zwaartekracht.

De onderzoeksgroep onder leiding van Ryan McBride, een universitair hoofddocent nucleaire techniek en radiologische wetenschappen aan de UM, test manieren om dit soort toestanden te bereiken door plasmacilinders met magnetische velden te laten imploderen. Deze cilinders hebben de neiging om op een "worstverbinding" -manier te breken wanneer het magnetische veld kleine kuiltjes in het oppervlak van de cilinder vindt en erin snijdt. (De technische term is "worstinstabiliteit.")

"Het is alsof je met je handen een stuk zachte boter probeert uit te knijpen, "zei McBride. "De boter knijpt tussen je vingers uit."

De boter in de analogie van McBride is plasma en de vingers zijn magnetische veldlijnen. Zijn groep zocht naar een manier om te voorkomen dat het magnetische veld in de onvolkomenheden in de cilinder graaft, in plaats daarvan zorgt ervoor dat het veld gelijkmatiger op het buitenoppervlak van de cilinder drukt. Ze deden dit door het magnetische veld in een helix te draaien, die lenteachtige vorm, en het variëren van de hoek waaronder de helix op de plasmacilinder drukte. Dit maakte het moeilijker voor het magnetische veld om in te snijden - het veld bewoog zich over veel divots in plaats van te lang in een divot te drukken.

De meest getwiste magnetische configuraties die in deze experimenten werden getest, verminderden de lengte van de ontsnappende plasmatentakels met ongeveer 70%. Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met Sandia National Laboratories en het Laboratory of Plasma Studies aan de Cornell University.

Het team veranderde de vorm van het magnetische veld door de manier te veranderen waarop de elektrische stroom - meer dan 1 miljoen ampère - door het compressieapparaat liep. De elektrische stroom loopt meestal omhoog door de centrale cilinder die moet worden gecomprimeerd en vervolgens terug naar beneden door rechte "retourstroom" -kolommen die de centrale cilinder omringen. Dit produceert een cilindrisch magnetisch veld dat de centrale cilinder omringt. Om het cilindrische veld in een helix te transformeren, het team draaide de retourstroomkolommen rond de centrale cilinder. De centrale cilinder begint als een metaalfolie, maar de enorme elektrische stroom verandert het metaal snel in een plasma. Ze voerden de experimenten uit op de Cornell Beam Research Accelerator.

"Het ontwerpen van de retourstroomstructuren was een interessante evenwichtsoefening, " zei Paul Campbell, eerste auteur op het papier en een Ph.D. student nucleaire techniek en radiologische wetenschappen aan de U-M. "We wisten niet zeker of we deze constructies zelfs maar bewerkt konden krijgen, Maar gelukkig, 3D-printen op metaal is zo ver gevorderd dat we ze in plaats daarvan konden laten printen."

Campbell legde uit dat wanneer de structuren meer gedraaid zijn, er loopt minder stroom door, dus moesten de kolommen dichter bij het imploderende plasma worden geplaatst om te compenseren. Tegelijkertijd, ze hadden gaten in de structuur nodig zodat ze konden zien wat er met de implosie aan de hand was.

In overeenstemming met het repliceren van de omstandigheden in sterren, magnetische compressie is een methode voor het comprimeren van kernfusiebrandstof - meestal varianten van waterstof - om de processen te bestuderen die sterren aandrijven. De techniek kan ook krachtige röntgenuitbarstingen genereren en astrofysische verschijnselen simuleren, zoals plasmastralen in de buurt van zwarte gaten.

Een paper over dit onderzoek, "Stabilisatie van voeringimplosies via een dynamische schroefknijp, " wordt geaccepteerd door het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Het onderzoek zal ook te zien zijn in een uitgenodigde lezing op de jaarlijkse conferentie van de American Physical Society's Division of Plasma Physics in november 2020.