Al ongeveer twintig jaar creëren Caltech hoogleraar toegepaste natuurkunde Paul Bellan en zijn groep magnetisch versnelde plasmastralen, een elektrisch geleidend gas bestaande uit ionen en elektronen, in een vacuümkamer die groot genoeg is om een ​​persoon vast te houden. (Neonreclame en bliksem zijn alledaagse voorbeelden van plasma).

In die vacuümkamer worden gasslierten geïoniseerd met enkele duizenden volts. Vervolgens stroomt er 100.000 ampère door het plasma, waardoor sterke magnetische velden worden geproduceerd die het plasma vormen tot een straal die ongeveer 16 km per seconde beweegt. Opnames op hoge snelheid laten zien dat het vliegtuig in enkele tientallen microseconden door verschillende fasen beweegt.

Bellan zegt dat de plasmastraal lijkt op een paraplu die steeds langer wordt. Zodra de lengte een of twee voet bereikt, ondergaat de jet een instabiliteit waardoor hij verandert in een snel uitzettende kurkentrekker. Deze snelle expansie veroorzaakt een andere, snellere instabiliteit die rimpelingen veroorzaakt.

"De rimpelingen verstikken de elektrische stroom van 100 kiloampère van de jet, net zoals je duim over een waterslang houdt, waardoor de stroom wordt beperkt en een drukgradiënt ontstaat die het water versnelt", zegt Bellan. "Het verstikken van de straalstroom creëert een elektrisch veld dat sterk genoeg is om elektronen te versnellen tot hoge energie."

Deze hoogenergetische elektronen werden eerder in het straalexperiment geïdentificeerd door de röntgenstraling die ze genereren, en Bellan zegt dat hun aanwezigheid een verrassing was. Dat komt omdat conventioneel inzicht zegt dat het straalplasma te koud was om elektronen te versnellen tot hoge energie. Merk op dat 'koude' een relatieve term is:hoewel dit plasma een temperatuur had van ongeveer 20.000 Kelvin (35.500°F) – veel heter dan alles wat mensen normaal tegenkomen – komt het nergens in de buurt van de temperatuur van de corona van de zon, die hoger is dan 1 miljoen Kelvin (1,8 miljoen graden F).

"De vraag is dus:'Waarom zien we röntgenfoto's?'" zegt hij.

Men dacht dat koude plasma's niet in staat waren om hoogenergetische elektronen te genereren, omdat ze te "botsend" zijn, wat betekent dat een elektron niet ver kan reizen voordat het in botsing komt met een ander deeltje. Het is als een coureur die probeert een race door een impasse op de snelweg te slepen. De bestuurder trapte misschien wel het gaspedaal in, maar reed slechts een paar meter voordat hij tegen een andere auto botste. In het geval van een koud plasma zou een elektron slechts ongeveer één micron versnellen voordat het botst en vertraagt.

De eerste poging van de Bellan-groep om dit fenomeen te verklaren was een model dat suggereerde dat een deel van de elektronen erin slaagt botsingen met andere deeltjes te vermijden tijdens de eerste micron van hun reis. Volgens de theorie konden de elektronen daardoor versnellen tot een iets hogere snelheid, en als ze eenmaal sneller gingen, konden ze nog een klein beetje verder reizen voordat ze een ander deeltje tegenkwamen waarmee ze zouden kunnen botsen.

Een deel van die nu snellere elektronen zou opnieuw een tijdje een botsing kunnen vermijden, waardoor ze een nog hogere snelheid zouden kunnen bereiken, waardoor ze nog verder zouden kunnen reizen, waardoor een positieve feedbacklus zou ontstaan ​​waardoor een paar gelukkige elektronen verder zouden kunnen gaan. en sneller, waarbij hoge snelheden en hoge energieën worden bereikt.

Maar hoewel overtuigend, klopte de theorie niet, zegt Bellan.

‘Men realiseerde zich dat dit argument een fout bevat,’ zegt hij, ‘omdat elektronen niet echt botsen in de zin dat ze iets raken of niet. Ze buigen eigenlijk allemaal een beetje af. Er is dus geen sprake van een botsing. zoiets als een elektron dat botst of niet botst."

Toch verschijnen er wel hoogenergetische elektronen in het koude plasma van het straalexperiment. Om erachter te komen waarom, ontwikkelde Bellan een computercode die de acties berekende van 5.000 elektronen en 5.000 ionen die voortdurend van elkaar afbuigen in een elektrisch veld. Om erachter te komen hoe een paar elektronen erin slaagden hoge energieën te bereiken, paste hij de parameters aan en keek hoe het gedrag van de elektronen veranderde.

Terwijl elektronen in het elektrische veld versnellen, passeren ze dichtbij ionen, maar raken ze nooit echt. Af en toe zoeft een elektron zo dicht langs een ion dat het energie overbrengt naar een elektron dat aan het ion is gehecht en vertraagt, waarbij het nu "aangeslagen" ion zichtbaar licht uitstraalt. Omdat elektronen slechts af en toe zo dichtbij passeren, buigen ze meestal slechts een klein beetje van het ion af zonder het te prikkelen. Deze occasionele energielekkage treedt op bij de meeste elektronen, wat betekent dat ze nooit hoge energieën bereiken.

Toen Bellan zijn simulatie aanpaste, verschenen er een paar hoogenergetische elektronen die röntgenstralen konden creëren. ‘De weinige gelukkigen die nooit dicht genoeg bij een ion komen om het te prikkelen, verliezen nooit energie’, voegt hij eraan toe. "Deze elektronen worden voortdurend versneld in het elektrische veld en bereiken uiteindelijk voldoende energie om de röntgenstralen te produceren."

Bellan zegt dat als dit gedrag optreedt in de plasmastraal in zijn Caltech-laboratorium, het waarschijnlijk ook voorkomt bij zonnevlammen en astrofysische situaties. Dit zou ook kunnen verklaren waarom er soms onverwacht hoogenergetische röntgenstraling te zien is tijdens experimenten met fusie-energie.

"Er is een lange geschiedenis waarin mensen dingen zagen waarvan zij dachten dat het nuttige fusie was", zegt hij. ‘Het bleek fusie te zijn, maar het was niet echt nuttig. Het waren intense voorbijgaande elektrische velden die werden geproduceerd door instabiliteiten die een paar deeltjes versnelden tot extreem hoge energie. Dit zou een verklaring kunnen zijn voor wat er aan de hand was. Dat is niet wat mensen willen, maar het is waarschijnlijk wat er gebeurt."

Het artikel dat het werk beschrijft, "Energetic elektronenstaartproductie uit binaire ontmoetingen van discrete elektronen en ionen in een sub-Dreicer elektrisch veld", werd gepubliceerd in het nummer van 20 oktober van Physics of Plasmas en werd op 3 november gepresenteerd tijdens de 65e jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society Division of Plasma Physics in Denver, Colorado.

Meer informatie: Paul M. Bellan, Energetische elektronenstaartproductie door binaire ontmoetingen van afzonderlijke elektronen en ionen in een sub-Dreicer elektrisch veld, Physics of Plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0167004

Journaalinformatie: Fysica van plasma's

Aangeboden door California Institute of Technology