Fisikawan menangkap ketidakstabilan plasma yang sulit dipahami dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan telah 'memotret' ketidakstabilan plasma yang langka, di mana balok elektron berenergi tinggi terbentuk menjadi filamen seperti spageti.

Sebuah studi baru, diterbitkan di Surat Ulasan Fisik menguraikan bagaimana laser inframerah intensitas tinggi digunakan untuk menghasilkan ketidakstabilan filamen-sebuah fenomena yang mempengaruhi aplikasi dalam akselerator partikel berbasis plasma dan metode energi fusi.

Plasma adalah campuran super-panas dari partikel bermuatan, seperti ion dan elektron, yang dapat menghantarkan listrik dan dipengaruhi oleh medan magnet. Ketidakstabilan dalam plasma dapat terjadi karena aliran partikel dalam satu arah atau di dalam wilayah tertentu dapat berbeda dari yang lain, menyebabkan beberapa partikel mengelompokkan menjadi filamen seperti spageti tipis.

Dikenal sebagai ketidakstabilan 'seperti arus seperti weibel', filamen-filamen ini dapat menghasilkan medan magnet mereka sendiri yang semakin mengacaukan sisa plasma.

“Alasan kami sangat tertarik pada ketidakstabilan adalah karena mereka cenderung mengacaukan aplikasi, seperti menyuntikkan energi ke dalam plasma untuk memicu fusi,” kata Dr Nicholas Dover, seorang peneliti di Departemen Fisika Imperial College London dan John Adams Institute for Accelerator Science.

“Biasanya, kami ingin menghindari ketidakstabilan, tetapi untuk melakukan itu kami perlu memahaminya sejak awal,” katanya.

Membuat filamen seperti spageti dalam plasma

Dalam percobaan ini, para peneliti menembakkan laser intensitas tinggi ke dalam plasma yang awalnya stasioner untuk membuat balok elektron berenergi tinggi. Foton di laser dapat memberikan dorongan energi pada elektron dalam plasma, menendang mereka ke arah laser.

Jika plasma sangat stabil dan seragam, balok elektron ini akan dapat melewati dengan lancar, seperti mobil cepat yang menenun di antara aliran lalu lintas yang lancar.

Sebaliknya, para peneliti melihat bahwa itu mengganggu plasma, memicu fluktuasi kecil yang menyebabkan beberapa area memiliki lebih atau lebih sedikit elektron daripada yang lain. Ketika elektron -elektron menggumpal dan menghasilkan filamen tipis, yang kemudian membuat selanjutnya mengacaukan sisa plasma.

“Semakin banyak medan magnet yang Anda hasilkan, semakin banyak ketidakstabilan tumbuh dan kemudian semakin banyak medan magnet yang dihasilkan,” kata Dr Dover, “itu seperti efek bola salju.”

Membuat snapshot yang sempurna

Para ilmuwan telah lama menyimpulkan ketidakstabilan ini dari efek tidak langsung, tetapi mengamati secara langsung telah menjadi tantangan. Studi ini menandai pertama kali ditangkap di laboratorium.

Peneliti dari Imperial's John Adams Institute for Accelerator Science berkolaborasi dengan Stony Brook University dan Brookhaven National Laboratory di New York.

Laboratorium menggunakan dua laser yang disinkronkan dengan panjang gelombang yang berbeda: laser inframerah gelombang panjang satu-of-a-kind (bertempat di fasilitas uji akselerator Brookhaven) dan laser probe optik panjang gelombang yang lebih pendek.

Yang pertama menciptakan balok elektron yang mendorong ketidakstabilan, sedangkan gambar kedua yang diambil.

Biasanya, laser standar berjuang untuk menembus plasma hingga kepadatan tertentu, sehingga sulit untuk diamati di dalam strukturnya.

Namun, laser CO2 inframerah gelombang panjang Brookhaven memungkinkan para peneliti untuk mengontrol di mana energi diendapkan dalam plasma, memungkinkan elektron untuk melakukan perjalanan ke daerah di mana mereka masih bisa diamati dengan penyelidikan laser yang terlihat. Dengan menyinkronkan laser optik, para peneliti menangkap gambar terperinci dari ketidakstabilan.

Para ilmuwan menghasilkan plasma menggunakan target gas – semburan gas pendek yang dilepaskan ke dalam ruang vakum – yang memungkinkan mereka untuk menyesuaikan kepadatan plasma yang mereka buat dengan menyesuaikan tekanan gas di ruang tersebut. Dengan menyesuaikan kepadatan, para peneliti juga dapat mempelajari bagaimana ukuran filamen berubah. Penyesuaian yang baik ini menghasilkan gambar close-up yang belum pernah terjadi sebelumnya dari ketidakstabilan.

“Kami benar -benar kagum dengan betapa bagusnya foto -foto itu karena dengan laser optik, sangat sulit untuk mengambil foto plasma yang bagus,” kata Dr Dover.

Di masa depan, fasilitas uji akselerator Brookhaven berencana untuk meningkatkan laser optik, yang memungkinkan para peneliti untuk menangkap gambar yang lebih jelas dan lebih tepat dalam interval waktu yang lebih pendek. Ini akan membiarkan mereka mengamati interaksi laser-plasma secara real time daripada hanya menganalisis setelahnya.

Jika kita benar -benar dapat memecahkannya, maka itu bisa memiliki aplikasi yang sangat besar, terutama dalam radioterapi. Profesor Zulfikar Najmudin Wakil Direktur John Adams Institute

Profesor Zulfikar Najmudin, wakil direktur John Adams Institute, menyoroti aplikasi potensial dari penelitian ini: “[Brookhaven] ingin menunjukkan balok partikel yang cukup energik untuk eksperimen radiobiologi. ”

Dia menjelaskan bahwa mencapai 10 tingkat energi MeV dalam target gas kecil hanya beberapa ratus mikron, hampir tidak pernah terdengar dalam interaksi lain: “Jika kita benar -benar dapat memecahkannya, maka itu dapat memiliki aplikasi yang sangat besar, terutama dalam radioterapi.”