Fizičari snimili neuhvatljivu nestabilnost plazme na dosad najdetaljniji način

Naučnici su prvi put „fotografisali“ retku nestabilnost plazme, kad visokoenergetski elekronski snopovi obrazuju vlakna slična špagetima.

Nova studija opisuje kako je infracrveni laser visokog intenziteta iskorišćen za generisanje nestabilnosti filamentacije – fenomena koji utiče na primene u akceleratorima čestica baziranim na plazmi i metodima fuzione energije.

Preporučujemo

Plazma je supervrela mešavina naelekstrisanih čestica, kao što su joni i elektroni, koje mogu da provode struju i pod uticajem su magnetnih polja. Nestabilnosti u plazmama mogu da se dogode zbog toga što tok čestica u jednom pravcu ili u okviru određene oblasti može da bude drugačiji od ostatka, usled čega se neke čestice grupišu u tanke filamente nalik špagetima. Ovi filamenti mogu da generišu sopstveno magnetno polje koje dodatno destabilizuje ostatak plazme.

„Za nestabilnosti smo naročito zainteresovani jer imaju tendenciju da poremete primene, poput ubacivanja energije u plazmu radi izazivanja fuzije“, kaže dr Nikolas Dover sa Odeljenja za fiziku Londonskog imperijalnog koledža. „Da bismo izbegli nestabilnosti moramo prvo da ih razumemo“.

Istraživači su u eksperimentu laserom visokog intenziteta gađali inicijalno stacionarnu plazmu da bi svorili visokoenergetski elektronski snop. Fotoni u laseru mogu povećati energiju elektrona u plazmi, potiskujući ih u pravcu lasera.

Ako je plazma savršeno stabilna i jednolična, taj elektronski snop bi mogao da prođe glatko, poput brzih kola kroz ravnomeran saobraćajni tok.

Umesto toga, istraživači su videli da je to poremetilo plazmu, izazivajući male fluktuacije koje su učinile da neke oblasti imaju manje ili više elektrona nego druge, dok su se elektroni grupisali i stvarali tanka vlakna, što je dalje destabilizovalo ostatak plazme.

„Što više magnetnih polja stvarate veća je nestabilnost i više se magnetnog polja generiše – poput nekog ‘efekta grudve’“, kaže Dover.

Naučnici dugo ovu nestabilnost izvode iz posrednih efekata. Direktno posmatranje je izazov. Ova studija predstavlja prvi put da je to zabeleženo u laboratoriji.

Upotrebljena su dva sinhronizovana lasera sa različitim talasnim dužinama: jedinstveni dugotalasni infracrveni laser visokog intenziteta i optički laser sa kraćim talasnim dužinama. Prvi je stvarao elektronski snop koji je izazivao nestabilnost, a drugi je snimao.

Obično se standardni laseri muče da prodru u plazmu do izvesne gustine, zbog čega je teško posmatrati unutrašnju strukturu. Međutim, dugotalasni infracrveni laser je omogućio istraživačima da kontrolišu gde je energija deponovana u plazmi, dozvoljavajući elektronima da putuju u oblasti gde su mogli biti osmotreni laserskom sondom u vidljivom spektru. Putem sinhronizacije optičkog lasera, istraživači su napravili detaljne snimke nestabilnosti.

Naučnici su generisali plazmu koristeći gasne mete – kratke mlezeve gasa oslobođene u vakuumskoj komori – što im je omogućilo da precizno podese gustinu plazme prilagođavajući pritisak gasa. Prilagođavajući gustinu, istraživači su takođe mogli da proučavaju kako se veličina vlakana menja. Ova fina podešavanja su omogućila snimke nestabilnosti iz dosad najveće blizine.

„Bili smo zaista zapanjeni time koliko su dobre fotografije pošto je putem optičkih lasera teško napraviti lepe fotografije plazme“, rekao je Dover.

U planu je unapređenje optičkog lasera, tako da istraživači mogu da naprave jasnije, preciznije slike u kraćim vremenskim intervalima. To će im omogućiti da posmatraju interakcije lasera i plazme u realnom vremenu, a ne da samo analiziraju rezultat.

Što se potencijalnih primena ovog istraživanja tiče, istraživači žele da demonstriraju snopove čestica sa energijom dovoljnom za radiobiološke eksperimente.

Postizanje energetskih nivoa od 10 MeV sa tako malom gasnom metom od samo nekoliko stotina mikrona je praktično nečuveno u drugim interakcijama. To može imati zaista velike primene, naročito u radioterapiji.

(Telegraf Nauka/Phys.org)