高能離子束是一種通過加速器發(fā)射，類似于激光的原子粒子束，有著廣泛的應(yīng)用，從慣性約束聚變到產(chǎn)生超熱極端狀態(tài)的物質(zhì)，這些物質(zhì)被認為存在于像木星這樣的巨型行星核心，而研究人員正急于對此進行研究。

這些帶正電荷的離子束必須被帶負電荷的電子中和，才能使它們保持高度聚焦。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)中和過程中存在許多障礙。

在美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的新障礙。它可以減少離子束脈沖的中和作用，這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《等離子體物理學(xué)》上，并被作為一篇專題研究加以推廣，它提供了對問題根源的新見解，并指出了如何預(yù)防這一問題。這一發(fā)現(xiàn)為2002年在勞倫斯伯克利國家實驗室的實驗中首次觀察到低中和率提供了一個解釋。在開發(fā)能夠模擬所涉過程的代碼之前，這個問題一直沒有得到解釋。

來自中國工程物理研究院的物理學(xué)家蘭朝輝在與PPPL理論與計算部副部長、PPPL物理學(xué)家Igor Kaganovich進行電子動力學(xué)計算機模擬時發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。他們在普林斯頓大學(xué)計算機上進行的研究，探索了將電子從一根細燈絲注入光束脈沖，以中和它，從而實現(xiàn)有效聚焦和傳輸。結(jié)果表明，與通過等離子體(由自由離子和電子組成的物質(zhì)的帶電狀態(tài))相比，該過程減少了中和作用。在這些模擬中，發(fā)現(xiàn)了一些不尋常的東西。

研究人員稱它們?yōu)椤畮щ妽u嶼’，無法被注入的電子進一步中和。Lan偶然發(fā)現(xiàn)的是“靜電孤波”(ESW)的形成，這是一種穩(wěn)定的電子激發(fā)波，以前的中和研究沒有報道過。這種波可以達到幾厘米長，并從離子束脈沖的邊緣來回移動，影響電子的運動，減少中和作用。波之間的相互作用很弱，在某些情況下，波會被打斷并將能量傳遞給電子，使它們逃離光束，從而進一步降低中和作用。

為了將這一問題最小化，新研究結(jié)果建議拓寬向光束中注入電子的燈絲，以提高中和的速度。這擴大了電子的分布，并且減少了波的激發(fā)。此外，PPPL開發(fā)的模型應(yīng)該有助于研究人員研究和理解這些波激發(fā)背后的機制，以幫助控制它們。采用二維粒子胞內(nèi)模擬的方法，研究了靜電孤波(ESWs)的激發(fā)和傳播。燈絲中的電子被正離子吸引，并在離子束脈沖內(nèi)反彈。

來回彈回的電子流開始混合，產(chǎn)生兩股流的不穩(wěn)定性，不穩(wěn)定性隨ESWs的形成而飽和。這些ESWs達到幾厘米縱向尺寸和穩(wěn)定在很長一段時間內(nèi)(?τb,離子束脈沖的持續(xù)時間)。大振幅ESWs的激發(fā)降低了離子束脈沖的中和程度。此外，ESWs的耗散會導(dǎo)致中和電子受熱并從離子束逃逸，導(dǎo)致中和程度進一步降低。這些波的出現(xiàn)可以解釋以往實驗研究的結(jié)果，實驗結(jié)果表明，電致發(fā)光絲對離子束的中和能力較差。

博科園｜研究/來自：普林斯頓等離子體物理實驗室

參考期刊《等離子體物理學(xué)》

DOI: 10.1063/1.5093760

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