Mesurer de petites populations d'électrons rapides cachées dans une mer d'électrons « thermiques » plus froids dans les plasmas de tokamak est très difficile. Pourquoi? Le défi vient du fait que le signal électronique rapide est submergé par le signal électronique thermique dans la plupart des diagnostics. Physiciens de l'Université de Californie-San Diego, avec des physiciens d'Oak Ridge National Lab et de General Atomics, ont réussi à mesurer des populations d'électrons rapides. Ils ont obtenu ce résultat unique en son genre en voyant l'effet des électrons rapides sur le taux d'ablation de petites pastilles d'argon congelées.

Perturbations du tokamak, de grandes instabilités qui peuvent occasionnellement mettre fin à toute la décharge plasma, sont une préoccupation majeure du concept de tokamak pour l'énergie de fusion magnétique. Ces perturbations peuvent former d'importants faisceaux d'électrons rapides « d'emballement » qui peuvent causer des dommages localisés inacceptables à la paroi du réacteur. Ces faisceaux d'électrons rapides commencent par de minuscules "graines" d'électrons rapides difficiles à mesurer. Les graines se forment au début des perturbations. L'observation de ces graines est une première étape importante pour prédire et éviter les dommages électroniques rapides aux parois des vaisseaux lors des perturbations du tokamak.

Les perturbations du tokamak sont de grandes instabilités magnétohydrodynamiques (MHD) qui peuvent se produire, par exemple, s'il y a une défaillance rare et imprévue du système de contrôle de position du plasma qui fait que le plasma touche les parois de la chambre. Ces instabilités provoquent une pulvérisation du matériau de la paroi là où le plasma touche la paroi, et les impuretés résultantes pénètrent ensuite dans le plasma, provoquant une impureté « front froid » qui se déplace dans le cœur du plasma.

A ce front froid, les impuretés rayonnent fortement, provoquant une chute rapide de la température du plasma. Si la chute est assez rapide, de petits germes d'électrons rapides peuvent se former. Ces graines peuvent accélérer jusqu'à des énergies relativistes (niveau MeV+) puis amplifier leur nombre par le processus d'avalanche (qui se produit également dans la foudre, tubes photomultiplicateurs, etc.), formant finalement de grands faisceaux d'électrons rapides. La mesure des germes d'électrons rapides initiaux est importante pour les tokamaks afin de prédire si et quand de grands faisceaux d'électrons rapides se formeront et comment éviter cela.

Présentement, les prédictions sont faites à l'aide de deux formules :la formule de Dreicer (qui suppose une température constante) et la formule de la queue chaude (qui suppose une chute de température très rapide). Dans le tokamak DIII-D, les scientifiques ont conçu des expériences pour former des perturbations intentionnelles en tirant de petites pastilles de glace d'argon congelées dans des décharges de plasma. Le plasma chaud provoque l'évaporation de la vapeur d'argon de la surface des pastilles, formation d'un front froid et perturbation.

La vitesse à laquelle l'argon s'évapore (ablate) de la surface des pastilles est très sensible au nombre d'électrons rapides dans le plasma; par une analyse minutieuse, il a été possible de séparer les populations d'électrons thermiques et rapides dans le plasma lors des perturbations intentionnelles. L'équipe a découvert que les magnitudes des germes d'électrons rapides étaient environ 100 fois plus petites que celles prévues par la formule de la queue chaude, mais environ 100 fois plus grandes que celles prévues par la formule de Dreicer. Ces expériences, donc, démontrent clairement un besoin de formules ou de simulations améliorées pour prédire les germes d'électrons rapides pendant les perturbations.