科學家首次「拍攝」到罕見的等離子體不穩定性，其中高能量​​電子束形成意大利麵條狀的細絲。 《物理評論快報》最近發表的一項研究詳細介紹了研究人員如何利用高強度紅外線雷射引發一種稱為絲狀不穩定性現象，這種現象對於基於等離子體的粒子加速器和聚變能技術具有重要意義。

「陰影照相術」使科學家能夠看到等離子體中的密度變化，並測量細絲的不穩定性。圖片來源：倫敦帝國學院

等離子體是一種由離子和電子等帶電粒子組成的過熱物質狀態，它會導電並對磁場有強烈反應。當粒子流變得不均勻時，就會出現不穩定性，局部區域的運動方式與周圍等離子體不同。這種不均勻的流動會導致粒子聚集成長長的線狀結構，通常被稱為絲狀。

這些結構與所謂的「威貝爾電流」不穩定性有關，可以產生自己的磁場。這些自生場反過來放大了等離子體的整體不穩定性，可能進一步擾亂其行為。

倫敦帝國學院物理系和約翰·亞當斯加速器科學研究所研究員尼古拉斯·多佛博士說：“我們對不穩定性特別感興趣的原因是它們往往會擾亂應用，例如將能量注入等離子體以觸發聚變。”

他說：“通常，我們希望避免不穩定，但要做到這一點，我們首先需要了解它們。”

在這項實驗中，研究人員將高強度雷射射入最初靜止的等離子體，產生高能量電子束。雷射中的光子可以增強等離子體中的電子的能量，將它們推向雷射的方向。

如果等離子體完全穩定且均勻，那麼電子束就能夠順利通過，就像快車在順暢的車流中穿梭一樣。

新研究捕捉到義大利麵條狀的等離子體不穩定性細絲。圖片來源：倫敦帝國學院

相反，研究人員發現，它擾亂了等離子體，引發了小幅波動，導致某些區域的電子比其他區域多或少。電子聚集在一起，形成細絲，這進一步破壞了等離子體的其餘部分。

“產生的磁場越多，不穩定性就越大，然後產生的磁場就會越多，”多佛博士說，“這有點像滾雪球效應。”

科學家長期以來一直從間接效應推斷出這種不穩定性，但直接觀察它卻是一項挑戰。這項研究標誌著首次在實驗室中捕捉到這種不穩定性。

帝國學院約翰亞當斯加速器科學研究所的研究人員與紐約石溪大學和布魯克海文國家實驗室進行了合作。

該實驗室採用了兩種不同波長的同步雷射：獨特的高強度長波紅外線雷射（位於布魯克海文的加速器測試設施）和較短波長的光學偵測雷射。

第一個產生了驅動不穩定性電子束，而第二個則捕捉了它的影像。

通常情況下，標準雷射很難穿透一定密度的等離子體，因此很難觀察其內部結構。然而，布魯克海文的長波紅外線CO2 雷射使研究人員能夠控制能量在等離子體中的沉積位置，使電子能夠進入仍能用可見雷射探針觀察到的區域。透過同步光學雷射，研究人員捕捉了不穩定性的細節影像。

科學家使用氣體靶（向真空室釋放短時間的氣體）來產生等離子體，這樣他們就可以透過調節真空室內的氣壓來精確調整等離子體的密度。透過調節密度，研究人員還可以研究細絲尺寸的變化。這些精細的調整帶來了前所未有的近距離不穩定性影像。

「這些照片的效果讓我們非常驚訝，因為使用光學雷射很難拍攝出等離子體的清晰照片，」多佛博士說。

未來，布魯克海文加速器測試設施計劃升級光學雷射器，讓研究人員在更短的時間間隔內捕捉更清晰、更精確的影像。這將使他們能夠即時觀察雷射與等離子體的相互作用，而不僅僅是分析後果。

約翰·亞當斯研究所副主任Zulfikar Najmudin 教授強調了這項研究的潛在應用：“[布魯克海文]熱衷於展示足夠高能量的粒子束，用於放射生物學實驗。”

他解釋說，在僅幾百微米的小氣體靶中達到10 MeV 的能量水平，在其他相互作用中幾乎是聞所未聞的：“如果我們真的能夠解決這個問題，那麼它可以有非常大的應用，特別是在放射治療方面。”

編譯自/ ScitechDaily