Впервые учёным удалось «сфотографировать» редкую плазменную нестабильность, при которой пучки электронов высокой энергии формируются в нити, похожие на спагетти.

В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, описывается, как высокоинтенсивный инфракрасный лазер использовался для создания филаментационной неустойчивости — явления, которое влияет на применение в плазменных ускорителях частиц и методах получения энергии термоядерного синтеза.

Плазма — это сверхгорячая смесь заряженных частиц, таких как ионы и электроны, которые могут проводить электричество и на которые влияют магнитные поля. Нестабильность в плазме может возникать из-за того, что поток частиц в одном направлении или в пределах определенной области может отличаться от остальных, заставляя некоторые частицы группироваться в тонкие нити, похожие на спагетти.

Эти нити, известные как неустойчивость тока Вейбеля, могут генерировать собственное магнитное поле, которое ещё больше дестабилизирует остальную плазму.

«Причина, по которой мы особенно интересуемся нестабильностями, заключается в том, что они, как правило, мешают приложениям, например, введению энергии в плазму для запуска термоядерного синтеза», — сказал доктор Николас Довер, научный сотрудник физического факультета Имперского колледжа Лондона и Института ускорительных наук имени Джона Адамса.

«Обычно мы хотим избегать нестабильности, но для этого нам нужно в первую очередь её понять», — сказал он.

Создание спагеттиподобных нитей в плазме

В этом эксперименте исследователи выстрелили лазером высокой интенсивности в изначально неподвижную плазму, чтобы создать высокоэнергетический электронный луч . Фотоны в лазере могут дать энергетический импульс электронам в плазме, подталкивая их в направлении лазера.

Если бы плазма была идеально стабильной и однородной, этот электронный луч мог бы проходить сквозь неё плавно, подобно тому, как быстрые автомобили лавируют между равномерным потоком транспорта.

Вместо этого исследователи увидели, что это нарушило плазму, вызвав небольшие колебания, из-за которых в некоторых областях было больше или меньше электронов, чем в других. Поскольку электроны слипались и генерировали тонкие нити, которые затем ещё больше дестабилизировали остальную часть плазмы.

«Чем больше магнитных полей вы генерируете, тем больше растёт нестабильность, а затем тем больше генерируется магнитное поле», — сказал доктор Довер. «Это своего рода эффект снежного кома».

Создание идеального снимка

Учёные давно вывели эту нестабильность из косвенных эффектов, но наблюдать её напрямую было непросто. Это исследование знаменует собой первый случай, когда её удалось зафиксировать в лабораторных условиях.

Исследователи из Института ускорительной науки имени Джона Адамса при Империале сотрудничали с Университетом Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лабораторией в Нью-Йорке.

В лаборатории использовались два синхронизированных лазера с разными длинами волн: уникальный высокоинтенсивный длинноволновый инфракрасный лазер (размещённый в испытательном центре ускорителей в Брукхейвене) и оптический зондирующий лазер с более короткой длиной волны.

Первый создал электронный луч, который вызвал нестабильность, а второй запечатлел её изображения.

Обычно стандартные лазеры с трудом проникают в плазму до определенной плотности, что затрудняет наблюдение за её внутренней структурой.

Однако длинноволновый инфракрасный лазер CO 2 в Брукхейвене позволил исследователям контролировать, где энергия депонируется в плазме, позволяя электронам перемещаться в области, где их все ещё можно было наблюдать с помощью видимого лазерного зонда. Синхронизируя оптический лазер, исследователи получили подробные изображения нестабильности.

Учёные генерировали плазму, используя газовые мишени — короткие выбросы газа, выпущенные в вакуумную камеру, — что позволило им точно настроить плотность создаваемой ими плазмы, регулируя давление газа в камере. Регулируя плотность, исследователи также могли изучать, как изменялся размер нитей. Эти тонкие настройки привели к беспрецедентным крупным планам изображений нестабильности.

«Мы были действительно поражены тем, насколько хорошими были фотографии, потому что с помощью оптических лазеров очень сложно сделать качественные фотографии плазмы», — сказал доктор Довер.

В будущем испытательный центр ускорителей Брукхейвена планирует усовершенствовать оптический лазер, что позволит исследователям получать более чёткие и точные изображения за более короткие промежутки времени. Это позволит им наблюдать взаимодействие лазера и плазмы в реальном времени, а не только анализировать последствия.

Профессор Зульфикар Наджмудин, заместитель директора Института Джона Адамса, подчеркнул потенциальные возможности применения этого исследования: «[Брукхейвен] стремится продемонстрировать пучки частиц, достаточно энергичные для экспериментов по радиобиологии».

Он объясняет, что достижение уровня энергии 10 МэВ в такой маленькой газовой мишени размером всего в несколько сотен микрон — это практически неслыханно в других взаимодействиях. «Если мы действительно сможем это взломать, то это может иметь действительно большие приложения, особенно в радиотерапии».

Бессменный главный редактор, в незапамятные времена работал в издании РБК