加州理工學院教授保羅-貝蘭（Paul Bellan）對等離子體噴流進行了長達二十年的研究，揭示了”冷”等離子體中意想不到的行為。貝蘭最初提出了電子加速的碰撞規避機制理論，後來透過模擬推翻了這個理論，發現一些電子在近離子通過時很少會損失能量，從而持續加速並產生X射線。這項發現對理解太陽耀斑和核融合實驗意義重大，挑戰了傳統的等離子體理論。

保羅-貝蘭（Paul Bellan）領導的加州理工學院等離子體噴射實驗揭示了新的電子行為，有助於理解太陽耀斑和核融合能量。

大約20 年來，加州理工學院應用物理學教授保羅-貝蘭（Paul Bellan）和他的研究小組一直在一個足以容納一個人的真空室中製造磁加速等離子體噴流，等離子體是一種由離子和電子組成的導電氣體。(霓虹燈和閃電就是等離子體的日常例子）。

在真空室中，縷縷氣體被數千伏特的電壓電離。然後，十萬安培的電流流過等離子體，產生的強磁場將等離子體塑造成每秒約10 英里的噴射。高速記錄顯示，噴流在數十微秒內經歷了幾個不同的階段。

貝蘭說，等離子體噴流看起來就像一把不斷變長的傘。一旦長度達到一到兩英尺，噴流就會經歷一個不穩定階段，使其轉變為快速膨脹的開瓶器。這種快速膨脹會引發另一種更快的不穩定性，進而產生漣漪。這種漣漪扼殺了噴流的100 千瓦電流，就像把拇指放在水管上會限制水流並產生壓力梯度，從而加速水流一樣。噴射電流會產生足夠強的電場，將電子加速到高能量。

等離子體行為的驚人發現

在噴射實驗中，這些高能量電子之前是透過它們產生的X 射線識別出來的，它們的出現令人驚訝。這是因為按照傳統的理解，噴射等離子體太冷，電子無法被加速到高能量。請注意，”冷”是一個相對的詞： 雖然這種等離子體的溫度約為20,000 開爾文（35,500 華氏度）–比人類通常遇到的任何東西都要熱得多–但它遠遠沒有達到太陽日冕的溫度，後者的溫度超過100 萬開爾文（180 萬華氏度）。

因此，問題是’我們為什麼會看到X 射線？

冷等離子體被認為無法產生高能量電子，因為它們的”碰撞性”太強，這意味著電子在與另一個粒子碰撞之前無法飛行很遠。這就好比駕駛試圖在高速公路擁擠路段賽跑。司機可能會猛踩油門，但只能行駛幾英尺就會撞上另一輛車。在冷等離子體中，電子的加速度只有一微米，然後就會碰撞並減速。

貝蘭小組首次嘗試解釋這一現象的模型表明，一部分電子在飛行的第一微米期間設法避免了與其他粒子的碰撞。根據這個理論，電子可以加速到稍高的速度，一旦速度加快，它們就可以在遇到另一個可能與之相撞的粒子之前再行進一段距離。這些現在速度更快的電子中的一部分又會暫時避免碰撞，使它們達到更高的速度，這樣它們就能跑得更遠，從而形成一個正反饋循環，讓少數幸運的電子跑得更遠更快，達到高速和高能。

貝蘭說，儘管這一理論很有說服力，但它是錯誤的：”人們意識到，這一論點存在缺陷，因為電子碰撞並不是真正意義上的撞擊或不撞擊。它們實際上一直都在發生一點偏轉。因此，並不存在碰撞或不碰撞的電子”。

來自電腦模擬的新見解

然而，高能量電子出現在噴射實驗的冷等離子體中。為了找出原因，貝蘭開發了一套電腦程式碼，計算5000 個電子和5000 個離子在電場中不斷相互偏轉的動作。為了弄清楚少數電子是如何達到高能量的，他對參數進行了調整，並觀察電子的行為是如何變化的。

當電子在電場中加速時，它們會經過離子附近，但絕不會真正接觸到它們。偶爾，一個電子飛快地穿過一個離子，將能量傳遞給附著在該離子上的一個電子，並減慢速度，此時”受激”的離子會放射出可見光。由於電子只是偶爾如此近距離地通過，因此通常只是稍微偏離離子，而不會激發它。大多數電子都會偶爾發生這種能量洩漏，這意味著它們永遠不會達到高能量。

當Bellan 調整他的模擬時，出現了一些能夠產生X 射線的高能量電子。他補充說：「少數幸運的電子從未靠近離子以激發它，它們也從未失去能量。這些電子在電場中不斷加速，最終獲得足夠的能量產生X 射線」。

貝蘭說，如果加州理工學院實驗室的等離子體噴流中出現了這種行為，那麼在太陽耀斑和天文物理環境中很可能也會出現。這也可以解釋為什麼在聚變能實驗中有時會出現意想不到的高能量X 射線。

他說：”長期以來，人們看到的東西都以為是有用的核融合。結果發現那確實是核聚變，但並不是真正有用的核聚變。它是由不穩定性產生的強瞬態電場，將一些粒子加速到極高的能量。這或許可以解釋當時的情況。這並不是人們想要的，但它很可能就是發生的事情”。

描述這項工作的論文發表在10 月20 日出版的《等離子體物理學》雜誌上，並於11 月3 日在科羅拉多州丹佛市舉行的美國物理學會等離子體物理學分會第65 屆年會上發表。

編譯來源：ScitechDaily