发现对撞机,加速器的一个新障碍!会限制加速器的效率

时间:2019-07-13 来源: 历史
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高能离子束是一种原子粒子束,由加速器发射,类似于激光。它具有广泛的应用,从惯性约束聚变到过热极端的生产,据信它们存在于木星等巨行星岩心中。研究人员迫切希望研究这一点。这些带正电的离子束必须被带负电的电子中和,以保持它们高度聚焦。然而,研究人员在中和过程中发现了许多障碍。

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在美国能源部的普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL),科学家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。这一发现发表在《等离子体物理学》上,并作为案例研究进行了宣传,为问题的根本原因提供了新的见解,并指出了如何防止这一问题。

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这一发现为2002年劳伦斯伯克利国家实验室实验中对低中和率的首次观察提供了解释。在开发模拟所涉及过程的代码之前,尚未解释此问题。

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来自中国工程物理研究院的物理学家兰朝晖在PPPL理论和计算部副主任PPPL物理学家Igor Kaganovich的电动力学计算机模拟中发现了这一现象。他们对普林斯顿大学计算机的研究探索了将电子从细丝注入光束中以使其有效聚焦和传输。结果表明,与等离子体(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。在这些模拟中,发现了一些不寻常的东西。

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研究人员将它们称为“带电岛”,不能通过注入的电子进一步中和。兰无意中发现了“静电孤立波”(ESW)的形成,这是一种稳定的电子激发波,在之前的中和研究中尚未有报道。该波长度可以达到几厘米,并且从离子束脉冲的边缘来回移动,影响电子的运动并减少中和。波之间的相互作用很弱,并且在某些情况下波被中断并且能量被传递到电子,导致它们逃离光束,进一步减少中和。

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为了最大限度地减少这个问题,新的研究结果表明,加宽灯丝可以将电子注入光束,从而提高中和速度。这扩大了电子的分布并减少了波的激发。此外,PPPL开发的模型应该帮助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。通过二维细胞内模拟研究静电孤立波(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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来回反弹的电子开始混合,产生两个流的不稳定性,这两个流被ESW的形成所饱和。这些ESW的纵向尺寸达到几厘米,并且在很长一段时间内保持稳定(τb,离子束脉冲的持续时间)。大幅度ESW的激发降低了离子束脉冲的中和程度。另外,ESW的耗散导致中和电子被加热并从离子束中逸出,导致中和程度的进一步降低。这些波的出现可以解释先前实验研究的结果。实验结果表明,电致发光灯丝对离子束的中和能力较差。

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