科学家首次捕捉到等离子体意大利面条状的不稳定图像

科学家首次“拍摄”到罕见的等离子体不稳定性，其中高能电子束形成意大利面条状的细丝。《物理评论快报》最近发表的一项研究详细介绍了研究人员如何利用高强度红外激光引发一种称为丝状不稳定性现象，这种现象对于基于等离子体的粒子加速器和聚变能技术具有重要意义。

“阴影照相术”使科学家能够看到等离子体中的密度变化，并测量细丝的不稳定性。图片来源：伦敦帝国理工学院

等离子体是一种由离子和电子等带电粒子组成的过热物质状态，它导电并对磁场有强烈反应。当粒子流变得不均匀时，就会出现不稳定性，局部区域的运动方式与周围等离子体不同。这种不均匀的流动会导致粒子聚集成长长的线状结构，通常被称为丝状。

这些结构与所谓的“威贝尔电流”不稳定性有关，可以产生自己的磁场。这些自生场反过来又放大了等离子体的整体不稳定性，可能进一步扰乱其行为。

伦敦帝国理工学院物理系和约翰·亚当斯加速器科学研究所研究员尼古拉斯·多佛博士说：“我们对不稳定性特别感兴趣的原因是它们往往会扰乱应用，比如将能量注入等离子体以触发聚变。”

他说：“通常，我们希望避免不稳定，但要做到这一点，我们首先需要了解它们。”

在这项实验中，研究人员将高强度激光射入最初静止的等离子体，产生高能电子束。激光中的光子可以增强等离子体中的电子的能量，将它们推向激光的方向。

如果等离子体完全稳定且均匀，那么电子束就能够顺利通过，就像快车在顺畅的车流中穿梭一样。

新研究捕捉到意大利面条状的等离子体不稳定性细丝。图片来源：伦敦帝国理工学院

相反，研究人员发现，它扰乱了等离子体，引发了小幅波动，导致某些区域的电子比其他区域多或少。电子聚集在一起，形成细丝，这进一步破坏了等离子体的其余部分。

“产生的磁场越多，不稳定性就越大，然后产生的磁场就会越多，”多佛博士说，“这有点像滚雪球效应。”

科学家们长期以来一直从间接效应推断出这种不稳定性，但直接观察它却是一项挑战。这项研究标志着首次在实验室中捕捉到这种不稳定性。

帝国理工学院约翰亚当斯加速器科学研究所的研究人员与纽约石溪大学和布鲁克海文国家实验室进行了合作。

该实验室采用了两种不同波长的同步激光器：一种独一无二的高强度长波红外激光器（位于布鲁克海文的加速器测试设施）和一种较短波长的光学探测激光器。

第一个产生了驱动不稳定性电子束，而第二个捕获了它的图像。

通常情况下，标准激光很难穿透一定密度的等离子体，因此很难观察其内部结构。然而，布鲁克海文的长波红外 CO2 激光器使研究人员能够控制能量在等离子体中的沉积位置，使电子能够进入仍能用可见激光探针观察到的区域。通过同步光学激光，研究人员捕捉到了不稳定性的细节图像。

科学家使用气体靶（向真空室释放短时间的气体）产生等离子体，这样他们就可以通过调节真空室内的气压来精确调整等离子体的密度。通过调节密度，研究人员还可以研究细丝尺寸的变化。这些精细的调整带来了前所未有的近距离不稳定性图像。

“这些照片的效果让我们非常惊讶，因为使用光学激光很难拍摄出等离子体的清晰照片，”多佛博士说道。

未来，布鲁克海文加速器测试设施计划升级光学激光器，让研究人员能够在更短的时间间隔内捕捉到更清晰、更精确的图像。这将使他们能够实时观察激光与等离子体的相互作用，而不仅仅是分析后果。

约翰·亚当斯研究所副主任 Zulfikar Najmudin 教授强调了这项研究的潜在应用：“[布鲁克海文]热衷于展示足够高能量的粒子束，用于放射生物学实验。”

他解释说，在仅几百微米的小气体靶中达到 10 MeV 的能量水平，在其他相互作用中几乎是闻所未闻的：“如果我们真的能够解决这个问题，那么它可以有非常大的应用，特别是在放射治疗方面。”

编译自/ScitechDaily