Ученым впервые удалось сделать прямую фотографию редкой плазменной нестабильности, при которой электроны собираются в тонкие нитевидные структуры, напоминающие спагетти. Экспериментальное наблюдение выполнено с применением уникальных лазерных технологий, позволяющих детально проследить динамику формирования этих филаментов.
Плазма представляет собой сверхгорячую смесь заряженных частиц, способную проводить электрический ток и реагировать на магнитные поля. Проявление нестабильности связано с неравномерным распределением потоков электронов, что приводит к их сгущению в узкие каналы и порождению самоподдерживающихся магнитных полей.
Эксперимент проводился в Accelerator Test Facility (Brookhaven National Laboratory) с использованием мощного инфракрасного лазера CO₂, который направлял энергию в заранее неподвижную плазму. Лазерный импульс ускоряет электроны, позволяя им проникать в границы плазмы, где неоднородности плотности способствуют процессу филаментации с усилением магнитного поля.
Исследователи объясняют, что возникновение тонких нитей связано с эффектом «снежного кома»: создание дополнительных магнитных полей порождает дальнейшую нестабильность, усиливая первоначальный процесс. Как отметил доктор Николас Довер из Imperial College London и John Adams Institute for Accelerator Science, «Обычно мы стараемся избегать нестабильностей, но чтобы этого добиться, нужно сначала их понять», добавив: «Создание дополнительных магнитных полей приводит к ещё большей нестабильности, что напоминает снежный ком».
Наблюдение нестабильного поведения проводилось с помощью синхронизированной системы лазеров: одновременно использовался длинноволновый инфракрасный лазер для создания пучка высокоэнергетических электронов и коротковолновой оптический лазер для детального запечатления нюансов формирования филаментов. Такой подход позволил преодолеть ограничения обычных лазерных установок, неспособных проникнуть через плотную плазму.
Контроль над параметрами плазмы достигался посредством использования газовых мишеней в вакуумной камере, что позволяло точно настраивать плотность посредством изменения давления газа. Такой метод обеспечил получение беспрецедентных изображений тонких нитей, обеспечив глубокое понимание динамики фоновых процессов в заряженной среде.
Достижения данной методики имеют большое значение для разработки плазменных ускорителей и систем управляемого ядерного синтеза. Профессор Зульфикар Наджмудин, заместитель директора John Adams Institute, отметил, что в рамках экспериментов уже достигнут энергетический уровень пучков в 10 МэВ в миниатюрных газовых целях, что открывает перспективы применения таких технологий в области радиобиологии и радиотерапии.
Планы дальнейших исследований включают модернизацию оптического лазера для улучшения разрешения и временных характеристик получаемых изображений. Наблюдение лазер-плазменного взаимодействия в режиме реального времени позволит усовершенствовать экспериментальные установки и углубить теоретическое понимание процессов, протекающих в плазме.
Публикация результатов исследования в журнале Physical Review Letters с участием ученых из Imperial College London, John Adams Institute for Accelerator Science, Stony Brook University и Brookhaven National Laboratory подчеркивает важность полученных данных для фундаментальной физики и прикладных областей, таких как управление ядерным синтезом, развитие плазменных ускорителей и медицинские технологии.
Изображение носит иллюстративный характер
Плазма представляет собой сверхгорячую смесь заряженных частиц, способную проводить электрический ток и реагировать на магнитные поля. Проявление нестабильности связано с неравномерным распределением потоков электронов, что приводит к их сгущению в узкие каналы и порождению самоподдерживающихся магнитных полей.
Эксперимент проводился в Accelerator Test Facility (Brookhaven National Laboratory) с использованием мощного инфракрасного лазера CO₂, который направлял энергию в заранее неподвижную плазму. Лазерный импульс ускоряет электроны, позволяя им проникать в границы плазмы, где неоднородности плотности способствуют процессу филаментации с усилением магнитного поля.
Исследователи объясняют, что возникновение тонких нитей связано с эффектом «снежного кома»: создание дополнительных магнитных полей порождает дальнейшую нестабильность, усиливая первоначальный процесс. Как отметил доктор Николас Довер из Imperial College London и John Adams Institute for Accelerator Science, «Обычно мы стараемся избегать нестабильностей, но чтобы этого добиться, нужно сначала их понять», добавив: «Создание дополнительных магнитных полей приводит к ещё большей нестабильности, что напоминает снежный ком».
Наблюдение нестабильного поведения проводилось с помощью синхронизированной системы лазеров: одновременно использовался длинноволновый инфракрасный лазер для создания пучка высокоэнергетических электронов и коротковолновой оптический лазер для детального запечатления нюансов формирования филаментов. Такой подход позволил преодолеть ограничения обычных лазерных установок, неспособных проникнуть через плотную плазму.
Контроль над параметрами плазмы достигался посредством использования газовых мишеней в вакуумной камере, что позволяло точно настраивать плотность посредством изменения давления газа. Такой метод обеспечил получение беспрецедентных изображений тонких нитей, обеспечив глубокое понимание динамики фоновых процессов в заряженной среде.
Достижения данной методики имеют большое значение для разработки плазменных ускорителей и систем управляемого ядерного синтеза. Профессор Зульфикар Наджмудин, заместитель директора John Adams Institute, отметил, что в рамках экспериментов уже достигнут энергетический уровень пучков в 10 МэВ в миниатюрных газовых целях, что открывает перспективы применения таких технологий в области радиобиологии и радиотерапии.
Планы дальнейших исследований включают модернизацию оптического лазера для улучшения разрешения и временных характеристик получаемых изображений. Наблюдение лазер-плазменного взаимодействия в режиме реального времени позволит усовершенствовать экспериментальные установки и углубить теоретическое понимание процессов, протекающих в плазме.
Публикация результатов исследования в журнале Physical Review Letters с участием ученых из Imperial College London, John Adams Institute for Accelerator Science, Stony Brook University и Brookhaven National Laboratory подчеркивает важность полученных данных для фундаментальной физики и прикладных областей, таких как управление ядерным синтезом, развитие плазменных ускорителей и медицинские технологии.
