I fasci di ioni ad alta energia, fasci simili a laser di particelle atomiche sparati attraverso acceleratori, hanno applicazioni che vanno dalla fusione a confinamento inerziale alla produzione di stati estremi di materia supercaldi che si pensa esistano nel nucleo di pianeti giganti come Giove e che i ricercatori sono desiderosi di studiare. Questi fasci di ioni caricati positivamente devono essere neutralizzati da elettroni caricati negativamente per mantenerli ben focalizzati. Però, i ricercatori hanno trovato molti ostacoli al processo di neutralizzazione.
Articolo in primo piano
Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, gli scienziati hanno scoperto un nuovo sorprendente ostacolo che riduce la neutralizzazione degli impulsi del fascio di ioni. Le scoperte, riportato in Fisica dei Plasmi e promosso come Articolo in evidenza, fornire nuove informazioni su una fonte del problema e indicare come prevenirlo.
La scoperta propone una spiegazione per il basso tasso di neutralizzazione osservato per la prima volta negli esperimenti al Lawrence Berkeley National Laboratory nel 2002. Il problema è rimasto inspiegato prima dello sviluppo di codici in grado di simulare i processi coinvolti.
Il fisico Chaohui Lan, uno scienziato in visita dalla China Academy of Engineering Physics, scoperto la causa durante l'esecuzione di simulazioni al computer della dinamica degli elettroni con il fisico PPPL Igor Kaganovich, vice capo del dipartimento di teoria e calcolo del PPPL. La loro ricerca sui computer della Princeton University ha esplorato l'iniezione di elettroni da un sottile filamento nell'impulso del fascio per neutralizzarlo per una messa a fuoco e un trasporto efficaci. I risultati hanno mostrato che il processo ha ridotto la neutralizzazione rispetto al passaggio del raggio attraverso il plasma — lo stato carico della materia composto da ioni liberi ed elettroni.
Isole cariche
"In queste simulazioni ho trovato qualcosa di insolito, " disse Lan, autore principale dell'articolo sulla fisica dei plasmi di cui Kaganovich è stato coautore. "Li ho chiamati 'isole cariche' che non potevano essere ulteriormente neutralizzate dagli elettroni iniettati".
Ciò in cui Lan si era imbattuto era la formazione di "onde solitarie elettrostatiche" (ESW), un tipo di onda eccitata da elettroni stabile che precedenti studi di neutralizzazione non avevano riportato. Tali onde possono raggiungere diversi centimetri di lunghezza e spostarsi avanti e indietro dai bordi dell'impulso del fascio ionico, influenzando il movimento degli elettroni e riducendo la neutralizzazione. Le onde interagiscono debolmente tra loro e in alcuni casi disgregano e conferiscono energia agli elettroni, facendoli sfuggire al raggio e riducendo ulteriormente la neutralizzazione.
Per minimizzare il problema, le nuove scoperte suggeriscono di allargare il filamento che inietta gli elettroni nel fascio per migliorare la velocità di neutralizzazione. "Ciò amplia la distribuzione degli elettroni, "dice Kaganovic, "e riduce l'eccitazione delle onde." Inoltre, Aggiunge, il modello sviluppato al PPPL dovrebbe aiutare i ricercatori a studiare e comprendere i meccanismi alla base dell'eccitazione di queste onde per aiutarli a controllarle.
