Впервые учёные сфотографировали редкую плазменную неустойчивость, запечатлев, как высокоэнергетические электронные пучки формируются в нитевидные структуры, напоминающие спагетти.
Этот прорыв, достигнутый исследователями из Имперского колледжа Лондона, даёт важнейшие сведения о явлении, которое влияет на плазменные ускорители частиц и исследования в области термоядерной энергетики. Исследователи использовали высокоинтенсивный инфракрасный лазер для создания и последующего фотографирования неустойчивости «Вейбель-подобного тока».
Плазма, высокотемпературная смесь заряжённых частиц, может испытывать неустойчивости, когда поток частиц неоднороден, что приводит к объединению некоторых частиц в тонкие нити. Эти нити создают магнитные поля, дополнительно дестабилизирующие плазму — процесс, способный нарушить такие направления, как запуск термоядерного синтеза.
«Причина, по которой мы особенно интересуемся неустойчивостями, заключается в том, что они, как правило, нарушают работу приложений, например, подачу энергии в плазму для запуска термоядерного синтеза», — пояснил доктор Николас Довер, научный сотрудник Имперского колледжа Лондона и Института ускорительной техники имени Джона Адамса.
«Обычно мы хотим избежать неустойчивостей, но для этого нам сначала нужно их понять».
Читайте: WEST Tokamak установил рекорд термоядерного синтеза – Более 22-минут стабильной плазмы
Использование высокоэнергетического электронного пучка
Эксперимент заключался в направлении высокоинтенсивного лазера в неподвижную плазму, что создавало высокоэнергетический электронный пучок.
Вместо плавного прохождения пучок нарушал структуру плазмы, вызывая флуктуации, которые приводили к группированию электронов в тонкие нити. Это дополнительно дестабилизирует плазму по принципу «снежного кома» в генерации магнитного поля.
Хотя учёные давно предполагали существование этой неустойчивости, её непосредственное наблюдение было сложной задачей. Исследование представляет собой первую успешную фиксацию этого явления в лабораторных условиях.
Исследовательская группа использовала два синхронизированных лазера. Эти два лазера – уникальный высокоинтенсивный длинноволновый инфракрасный лазер в Экспериментальной установке ускорителя Брукхейвена и оптический лазер-зонд с более короткой длиной волны.
Инфракрасный лазер создавал электронный пучок, а оптический лазер фиксировал изображения неустойчивости. Примечательно, что длинноволновый инфракрасный лазер позволил исследователям контролировать отложение энергии в плазме.
Это обеспечило возможность наблюдения с помощью видимого лазерного зонда, что обычно затруднено при использовании стандартных лазеров, из-за плотности плазмы.
Оптические лазеры запечатлели удивительные фотографии
Плазма была создана с использованием газовых мишеней, что позволило точно настраивать её плотность.
Регулировка плотности позволила исследователям изучить, как изменяется размер нитей, что привело к беспрецедентным детальным изображениям неустойчивости.
«Мы были действительно поражены тем, насколько качественными получились фотографии, потому что с оптическими лазерами очень сложно делать хорошие снимки плазмы», — добавил доктор Довер.
Экспериментальная установка ускорителя Брукхейвена планирует модернизировать оптический лазер для получения чётких и точных изображений в более короткие интервалы времени. Это позволит наблюдать взаимодействие лазера и плазмы в реальном времени.
Профессор Зульфикар Наджмудин, заместитель директора Института имени Джона Адамса, подчеркнул потенциал этого исследования, отметив, что достижение уровней энергии в 10 МэВ в такой маленькой газовой мишени практически не имеет аналогов в других взаимодействиях.
Результаты исследования могут оказать значительное влияние на текущие исследования в области термоядерного синтеза. Стабильность плазмы является одним из наиболее важных требований для поддержания реакций термоядерного синтеза и генерации энергии.
Текущий мировой рекорд по стабильности плазмы составляет 22 минуты и был недавно установлен Францией на токамаке WEST. В настоящее время учёные по всему миру пытаются увеличить продолжительность стабильности плазмы для реализации термоядерного синтеза в коммерческих целях.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU