在燃燒的等離子體中，保持對聚變產生的高能量離子的限制是產生能量的關鍵。這些核融合等離子體中存在大量電磁波，可以將高能量離子擠出等離子體。這可以減少聚變反應產物對等離子體的加熱，並結束等離子體的燃燒狀態。DIII-D國家聚變設施的新觀測結果為聚變等離子體中的高能量離子提供了重要的洞察力，這對於聚變電廠的開發和空間等離子體的理解至關重要，並對衛星技術產生影響。

最近在DIII-D 國家聚變設施進行的測量首次直接觀測到了高能量離子在託卡馬克中的空間和能量移動。研究人員將這些測量結果與先進的電磁波電腦模型及其與高能離子的相互作用結合起來。這些結果加深了人們對聚變等離子體中等離子體波和高能離子之間相互作用的理解。

等離子物理和聚變研究正從實驗設施邁向示範電站設計。為了使這一轉變取得成功，研究人員需要精確的模擬和其他工具來預測電站設計的性能。目前大多數的設施都不能產生燃燒等離子體。不過，研究人員了解許多相關物理知識，並正在開發模擬工具，以重現觀察到的實驗行為。

目前的研究對DIII-D 託卡馬克中的高能量離子流進行了新的測量。這將加速開發能解釋所有相關波離子相互作用動力學的模型。加深理解後還可以應用相空間工程。研究人員可以利用這個過程，根據預測的波與離子之間的理想相互作用來設計新的聚變等離子體方案。值得注意的是，這些相互作用也會損害衛星，因此這項研究可能有助於提高衛星的可靠性。

DIII-D 等離子體中測量（左）和模擬（右）的高能離子流。從中性束的注入能量開始，注入離子由於與電磁波的相互作用而在空間和能量中移動。資料來源：XD Du，通用原子公司

DIII-D 國家聚變設施是能源部的一個使用者設施，該設施的研究人員首次使用新診斷系統–成像中性粒子分析儀（INPA）進行測量，以觀察託卡馬克中的高能量離子流。經過多年的構思、設計和建造，INPA 現在首次具備了觀測這種行為的能力。

高能量離子被中性束注入託卡馬克後，與電磁等離子體波相互作用，在託卡馬克中以能量和位置流動。模擬再現了觀察到的行為，從而證明了第一原理模型在描述基礎物理學方面的準確性。加深對這些波粒相互作用的理解，對於設計核融合發電廠和理解外太空觀測到的等離子體的行為都具有重要意義。

INPA 測量中性束注入的高能離子的能量，這些離子的能量大於從熱等離子體核心到冷等離子體邊緣的背景等離子體的能量。這些實驗與先進的高效能運算模擬（模擬電磁波頻譜以及與高能離子的相互作用）相結合，提供了對聚變等離子體波和高能離子之間相互作用的最詳細了解。

這種理解的加深也使研究人員能夠應用相空間工程，即根據預測的波和離子之間的理想相互作用設計新的聚變等離子體方案。這些類型的相互作用發生在外層空間。例如，電磁離子迴旋（EMIC）波會導致電子在空間和能量中流動。

在某些情況下，電子被加速，導致衛星故障。透過聚變等離子體研究加深對波-粒子共振相互作用過程的了解，有助於對外空等離子體進行模擬，從而提高未來衛星任務的可靠性。

編譯來源：ScitechDaily