发现对撞机,加速器的一个新障碍!会限制加速器的效率

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2019年08月20日 11:45 新浪网 作者 博科园

高能离子束是一种通过加速器发射,类似于激光的原子粒子束,有着广泛的应用,从惯性约束聚变到产生超热极端状态的物质,这些物质被认为存在于像木星这样的巨型行星核心,而研究人员正急于对此进行研究。这些带正电荷的离子束必须被带负电荷的电子中和,才能使它们保持高度聚焦。然而,研究人员发现中和过程中存在许多障碍。

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在美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL),科学家们发现了一个令人惊讶的新障碍。它可以减少离子束脉冲的中和作用,这一发现发表在《等离子体物理学》上,并被作为一篇专题研究加以推广,它提供了对问题根源的新见解,并指出了如何预防这一问题。这一发现为2002年在劳伦斯伯克利国家实验室的实验中首次观察到低中和率提供了一个解释。在开发能够模拟所涉过程的代码之前,这个问题一直没有得到解释。

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来自中国工程物理研究院的物理学家兰朝辉在与PPPL理论与计算部副部长、PPPL物理学家Igor Kaganovich进行电子动力学计算机模拟时发现了这一现象。他们在普林斯顿大学计算机上进行的研究,探索了将电子从一根细灯丝注入光束脉冲,以中和它,从而实现有效聚焦和传输。结果表明,与通过等离子体(由自由离子和电子组成的物质的带电状态)相比,该过程减少了中和作用。在这些模拟中,发现了一些不寻常的东西。

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研究人员称它们为‘带电岛屿’,无法被注入的电子进一步中和。Lan偶然发现的是“静电孤波”(ESW)的形成,这是一种稳定的电子激发波,以前的中和研究没有报道过。这种波可以达到几厘米长,并从离子束脉冲的边缘来回移动,影响电子的运动,减少中和作用。波之间的相互作用很弱,在某些情况下,波会被打断并将能量传递给电子,使它们逃离光束,从而进一步降低中和作用。

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为了将这一问题最小化,新研究结果建议拓宽向光束中注入电子的灯丝,以提高中和的速度。这扩大了电子的分布,并且减少了波的激发。此外,PPPL开发的模型应该有助于研究人员研究和理解这些波激发背后的机制,以帮助控制它们。采用二维粒子胞内模拟的方法,研究了静电孤波(ESWs)的激发和传播。灯丝中的电子被正离子吸引,并在离子束脉冲内反弹。

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来回弹回的电子流开始混合,产生两股流的不稳定性,不稳定性随ESWs的形成而饱和。这些ESWs达到几厘米纵向尺寸和稳定在很长一段时间内(≫τb,离子束脉冲的持续时间)。大振幅ESWs的激发降低了离子束脉冲的中和程度。此外,ESWs的耗散会导致中和电子受热并从离子束逃逸,导致中和程度进一步降低。这些波的出现可以解释以往实验研究的结果,实验结果表明,电致发光丝对离子束的中和能力较差。

发现对撞机,加速器的一个新障碍!会限制加速器的效率

博科园|研究/来自:普林斯顿等离子体物理实验室

参考期刊《等离子体物理学》

DOI: 10.1063/1.5093760

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