اولین تصویر از «ناپایداری پلاسما» ثبت شد

به نقل از فیز، این پیشرفت که توسط محققان کالج امپریال لندن به دست آمد، بینش‌های مهمی را درباره پدیده‌ای ارائه می‌دهد که بر شتاب دهنده‌های ذرات مبتنی بر پلاسما و تحقیقات انرژی همجوشی تأثیر می‌گذارد.

محققان از یک لیزر فروسرخ با شدت بالا برای تولید و سپس تصویربرداری از یک ناپایداری «جریان ویبل‌مانند» (Weibel-like current) استفاده کردند.

پلاسما مخلوطی فوق‌گرم از ذرات باردار است که می‌تواند زمانی که جریان ذرات تغییر می‌کند، ناپایداری‌هایی را تجربه کند که باعث می‌شود برخی از ذرات با هم به رشته‌های نازک تبدیل شوند. این رشته‌ها میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند که موجب بی‌ثباتی بیشتر پلاسما می‌شود، فرآیندی که می‌تواند کاربردهایی مانند تحریک همجوشی را مختل کند.

«پایداری پلاسما» موضوعی مهم در مطالعات فیزیک پلاسما است. هنگامی که سیستمی حاوی پلاسما در حالت تعادل قرار دارد، این امکان وجود دارد که قسمت‌هایی از پلاسما، تحت تأثیر نیروهای آشفته‌ساز کوچکی که بر آن عمل می‌کند، قرار بگیرد. پایداری سیستم تعیین می‌کند که آیا این آشفتگی‌ها، توسعه پیدا می‌کنند، نوسان می‌کنند یا فروکش می‌کنند.

در بسیاری از موارد می‌توان با پلاسما به عنوان یک مایع برخورد کرد و پایداری آن را نیز با مگنتوهیدرودینامیک (MHD) تجزیه و تحلیل کرد. نظریه مگنتوهیدرودینامیک ساده‌ترین نمود پلاسما است، بنابراین پایداری مگنتوهیدرودینامیک برای دستگاه‌هایی که می‌خواهند به صورت پایدار برای همجوشی هسته‌ای، به ‌ویژه انرژی همجوشی مغناطیسی به‌کار روند، امری ضروری است.

با این وجود انواع دیگری از ناپایداری‌ها مانند ناپایداری‌های سرعت-فضا در تله‌های مغناطیسی یا سیستم‌های پرتو افکن نیز وجود دارند. همچنین موارد نادری از سیستم‌ها، مثلاً با پیکربندی معکوس شده در میدان نیز وجود دارند که MHD آنها را ناپایدار پیش‌بینی می‌کند، اما در مشاهدات، احتمالاً به دلیل اثرات جنبشی به نظر پایدار می‌رسند.

دکتر نیکلاس دوور(Nicholas Dover)، پژوهشگر کالج امپریال لندن و موسسه جان آدامز برای علوم شتاب دهنده توضیح داد: دلیل اینکه ما به این بی‌ثباتی‌ها علاقه خاصی داریم، این است که کاربردها را به هم می‌ریزند، مانند تزریق انرژی به پلاسما برای شروع همجوشی. به طور معمول ما می‌خواهیم از بی‌ثباتی اجتناب کنیم، اما برای انجام این کار باید در وهله اول آنها را درک کنیم.

استفاده از پرتو الکترونی با انرژی بالا

این آزمایش شامل پرتاب یک لیزر با شدت بالا به درون یک پلاسمای ثابت بود که یک پرتو الکترونی با انرژی بالا ایجاد کرد و به جای عبور صاف، پرتو پلاسما را مختل کرد و باعث نوساناتی شد که باعث شد الکترون‌ها به رشته‌های نازک جمع شوند. این موجب بی‌ثباتی و ناپایداری بیشتر پلاسما در تولید میدان مغناطیسی شد.

در حالی که دانشمندان مدت‌هاست این بی‌ثباتی و ناپایداری را استنباط کرده‌اند، مشاهده مستقیم آن همواره یک چالش بوده است. این مطالعه نشان دهنده اولین ثبت موفقیت آمیز این پدیده در آزمایشگاه است.

این تیم تحقیقاتی که با همکاری مؤسسه علوم شتاب دهنده جان آدامز کالج امپریال لندن، دانشگاه استونی بروک و آزمایشگاه ملی بروکهاون انجام شد، از دو لیزر همزمان استفاده کردند.

این دو لیزر شامل یک لیزر فروسرخ با شدت بالا و موج بلند منحصر به فرد در مرکز آزمایش شتاب دهنده بروکهاون و یک لیزر پروب نوری با طول موج کوتاه‌تر بود.

لیزر فروسرخ، پرتو الکترونی را ایجاد کرد، در حالی که لیزر نوری، تصاویری از ناپایداری را ثبت کرد. گفتنی است که لیزر فروسرخ موج بلند به محققان اجازه می‌دهد تا رسوب انرژی در پلاسما را کنترل کنند.

این لیزر، مشاهده با کاوشگر لیزری مرئی را فعال کرد، چیزی که معمولاً با لیزرهای استاندارد به دلیل چگالی پلاسما دشوار است.

لیزرهای نوری عکس‌های شگفت انگیزی ثبت کردند

پلاسما با استفاده از اهداف گازی تولید شد که امکان تنظیم دقیق چگالی پلاسما را فراهم می‌کرد. تنظیم چگالی محققان را قادر ساخت تا بررسی کنند که چگونه اندازه رشته تغییر می‌کند و در نتیجه تصاویر نزدیک بی‌سابقه‌ای از ناپایداری ایجاد می‌شود.

دکتر دوور افزود: ما واقعاً از کیفیت خوب عکس‌ها شگفت زده شدیم، زیرا با لیزرهای نوری، گرفتن عکس‌های زیبا از پلاسما واقعاً دشوار است.

مرکز آزمایش شتاب دهنده بروکهاون قصد دارد لیزر نوری خود را ارتقا دهد تا تصاویر واضح‌تر و دقیق‌تری را در بازه‌های زمانی کوتاه‌تر ثبت کند. این امکان مشاهده بی‌درنگ برهمکنش‌های لیزر-پلاسما را فراهم می‌کند.

پروفسور ذوالفقار نجم الدین، معاون مدیر مؤسسه جان آدامز، پتانسیل این تحقیق را برجسته کرد و خاطرنشان کرد که دستیابی به سطوح انرژی 10 مگا ولت در چنین هدف گازی کوچکی در دیگر فعل و انفعالات تقریباً بی‌سابقه است.

یافته‌های این مطالعه می‌تواند تأثیر عمده‌ای بر تحقیقات در حال انجام همجوشی داشته باشد. پایداری پلاسما یکی از ضروری‌ترین نیازها برای حفظ واکنش‌های همجوشی هسته‌ای و تولید نیرو است.

رکورد کنونی جهانی همجوشی پایداری پلاسما 22 دقیقه است که اخیراً توسط فرانسه در راکتور WEST Tokamak به ثبت رسیده است.

در حال حاضر، دانشمندان در سراسر جهان در تلاش برای افزایش مدت زمان پایداری پلاسما برای تحقق همجوشی هسته‌ای برای استفاده تجاری هستند.