Плазменная нестабильность создала магнитное поле силой 1000 Тесла, что помогло ученым изучать космические лучи и далекие астрофизические события.
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые получили подробные изображения плазменной нестабильности, которая может способствовать развитию как термоядерной энергетики, так и астрофизики.
Используя мощный рентгеновский лазер LCLS, имеющийся в лаборатории, команда разработала платформу, способную исследовать эволюцию неустойчивостей в плазме высокой плотности.
По словам исследователей, понимание этих нестабильностей имеет решающее значение для повышения эффективности термоядерных реакций, цель которых — использовать энергию, которая питает Солнце.
Этот прорыв приближает ученых к практическому применению термоядерной энергии и углубляет понимание космической плазмы. «Наше понимание нестабильностей — когда они возникают и как они возникают — важно для успешной работы термоядерного синтеза», — заявил в своем заявлении Зигфрид Гленцер, директор отдела высоких плотностей энергии и профессор фотонной науки в SLAC.
Рентгеновские лучи захватывают плазму
В текущей филаментационной неустойчивости лазер ускоряет электроны в плазме до очень высоких энергий, создавая поток горячих электронов. Эти горячие электроны сталкиваются с потоком холодных электронов, движущихся в противоположном направлении, и это взаимодействие приводит к образованию филаментообразных структур в плазме.
По словам группы исследователей из SLAC, хотя ученые и наблюдали подобную нестабильность в плазме низкой плотности, изучать ее в плазме высокой плотности, которая слишком плотная для обычных методов визуализации, гораздо сложнее. Понимание этих плотных плазм важно, поскольку они похожи на те, которые используются в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу, целью которых является получение энергии, подобной солнечной.
Для решения этой задачи команда SLAC использовала рентгеновский лазер LCLS, который генерирует рентгеновские лучи чрезвычайно высокой энергии, способные проходить сквозь плотную плазму. Они создали нестабильность с помощью мощного лазера на приборе SLAC Matter in Extreme Conditions (MEC). Рентгеновские лучи зафиксировали формирование нестабильности в реальном времени, получив изображения крошечных нитей микрометрового масштаба всего за доли секунды.
«Каждые 500 фемтосекунд [квадриллионных долей секунды] мы делали снимки, чтобы получить истинное представление о том, что происходило в тот момент времени, демонстрируя детали, каких раньше никогда не было», — говорится в заявлении Гленцера. Этот прорыв дает ученым беспрецедентную возможность изучить, как формируются и развиваются эти нестабильности, способствуя развитию исследований в области термоядерного синтеза и изучению космической плазмы.
Открытие магнитных свойств плазмы
Разработанная командой SLAC инновационная установка позволяет им как создавать, так и визуализировать специфическую нестабильность в чрезвычайно горячей и плотной плазме.
Мощный лазер высокой интенсивности фокусируется на тончайших проволочных мишенях для создания условий плотной плазмы. Затем рентгеновский лазер LCLS, установленный в лаборатории, действует как высокоскоростной микроскоп, делая снимки плазмы и образующихся в ней нестабильностей в реальном времени. Точно регулируя синхронизацию между лазерными и рентгеновскими импульсами, команда может получить серию изображений, показывающих, как развивается нестабильность за чрезвычайно короткие промежутки времени.
Сравнивая экспериментальные изображения с результатами современных симуляций и теоретическими расчетами, исследователи выявили ключевые механизмы, определяющие эволюцию нестабильности. Анализ также показал, что нестабильность создавала магнитное поле силой около 1000 Тесла — примерно в 100 000 раз сильнее, чем у обычного магнита холодильника.
Считается, что такие сильные магнитные поля в астрофизической плазме, как, например, в взрывающихся звездах, ускоряют высокоэнергетические частицы, называемые космическими лучами.
Изучение этой нестабильности в лабораторных условиях может помочь ученым изучать далекие космические события и улучшить эксперименты по термоядерному синтезу. Платформа также адаптируется для исследования других плазменных нестабильностей, в том числе тех, которые снижают энергию в реакциях термоядерного синтеза, предлагая мощный новый инструмент как для астрофизики, так и для исследований в области термоядерного синтеза.
Sourse: interestingengineering.com
