Misurare piccole popolazioni di elettroni veloci nascoste in un mare di elettroni "termici" più freddi nei plasmi tokamak è molto impegnativo. Come mai? La sfida deriva dal segnale elettronico veloce che viene sopraffatto dal segnale elettronico termico nella maggior parte della diagnostica. Fisici dell'Università della California-San Diego, con i fisici dell'Oak Ridge National Lab e della General Atomics, sono riusciti a misurare le popolazioni di elettroni veloci. Hanno ottenuto questo risultato unico nel suo genere osservando l'effetto degli elettroni veloci sulla velocità di ablazione di piccoli pellet di argon congelati.

interruzioni del Tokamak, grandi instabilità che possono occasionalmente terminare l'intera scarica di plasma, sono una delle principali preoccupazioni del concetto tokamak per l'energia di fusione magnetica. Queste interruzioni possono formare grandi fasci di elettroni "fuga" veloci che possono causare danni alla parete del reattore localizzati inaccettabilmente grandi. Questi fasci di elettroni veloci iniziano con piccoli "semi" di elettroni veloci difficili da misurare. I semi si formano all'inizio delle interruzioni. L'osservazione di questi semi è un primo passo importante per prevedere ed evitare il rapido danneggiamento degli elettroni alle pareti dei vasi durante le interruzioni del tokamak.

Le interruzioni del Tokamak sono grandi instabilità magnetoidrodinamiche (MHD) che possono verificarsi, Per esempio, se si verifica un guasto raro e imprevisto nel sistema di controllo della posizione del plasma che fa sì che il plasma tocchi le pareti della camera. Queste instabilità causano lo sputtering del materiale della parete dove il plasma tocca la parete, e le impurità risultanti poi entrano nel plasma, causando un "fronte freddo" di impurità che si sposta nel nucleo del plasma.

A questo fronte freddo, le impurità irradiano fortemente, provocando un rapido abbassamento della temperatura del plasma. Se la caduta è abbastanza veloce, possono formarsi piccoli semi di elettroni veloci. Questi semi possono accelerare fino a energie relativistiche (livello MeV+) e quindi amplificare il loro numero tramite il processo di valanga (che si verifica anche nei fulmini, tubi fotomoltiplicatori, eccetera.), alla fine formando grandi fasci di elettroni veloci. Misurare i semi di elettroni veloci iniziali è importante per i tokamak per prevedere se e quando si formeranno grandi fasci di elettroni veloci e come evitarlo.

Attualmente, le previsioni vengono effettuate utilizzando due formule:la formula di Dreicer (che presuppone una temperatura costante) e la formula della coda calda (che presuppone un calo di temperatura molto rapido). Nel tokamak DIII-D, gli scienziati hanno progettato esperimenti per formare interruzioni intenzionali sparando piccoli granuli di ghiaccio di argon congelato in scariche di plasma. Il plasma caldo fa evaporare il vapore di argon dalla superficie del pellet, formando un fronte freddo e disgregazione.

La velocità con cui l'argon evapora (ablazione) dalla superficie del pellet è molto sensibile al numero di elettroni veloci nel plasma; da un'attenta analisi, è stato possibile separare le popolazioni di elettroni termici e veloci nel plasma durante le interruzioni intenzionali. Il team ha scoperto che le grandezze dei semi di elettroni veloci erano circa 100 volte più piccole di quelle previste dalla formula della coda calda, ma circa 100 volte più grandi di quelle previste dalla formula di Dreicer. Questi esperimenti, perciò, dimostrare chiaramente la necessità di formule o simulazioni migliorate per prevedere i semi di elettroni veloci durante le interruzioni.