Les faisceaux d'ions à haute énergie - des faisceaux de particules atomiques de type laser tirés à travers des accélérateurs - ont des applications qui vont de la fusion par confinement inertiel à la production d'états extrêmes super chauds de la matière que l'on pense exister au cœur de planètes géantes comme Jupiter et que les chercheurs sont impatients d'étudier. Ces faisceaux d'ions chargés positivement doivent être neutralisés par des électrons chargés négativement pour les maintenir fortement focalisés. Cependant, les chercheurs ont trouvé de nombreux obstacles au processus de neutralisation.

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Au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les scientifiques ont découvert un nouvel obstacle surprenant qui réduit la neutralisation des impulsions du faisceau d'ions. Les résultats, rapporté dans Physics of Plasmas et promu comme article vedette, fournir un nouvel aperçu d'une source du problème et indiquer comment l'éviter.

La découverte propose une explication pour le faible taux de neutralisation observé pour la première fois dans des expériences au Lawrence Berkeley National Laboratory en 2002. Le problème est resté inexpliqué avant le développement de codes capables de simuler les processus impliqués.

Physicien Chaohui Lan, un scientifique invité de l'Académie chinoise d'ingénierie physique, découvert la cause en effectuant des simulations informatiques de la dynamique des électrons avec le physicien PPPL Igor Kaganovich, directeur adjoint du département Théorie et calcul PPPL. Leurs recherches sur les ordinateurs de l'Université de Princeton ont exploré l'injection d'électrons à partir d'un filament mince dans l'impulsion du faisceau pour le neutraliser pour une focalisation et un transport efficaces. Les résultats ont montré que le processus réduisait la neutralisation par rapport au passage du faisceau à travers le plasma - l'état chargé de la matière composée d'ions libres et d'électrons.

Îles chargées

"Dans ces simulations, j'ai trouvé quelque chose d'inhabituel, " dit Lan, auteur principal de l'article sur la physique des plasmas co-écrit par Kaganovich. "Je les ai appelés" îles chargées "qui ne pouvaient pas être davantage neutralisées par des électrons injectés."

Ce sur quoi Lan était tombé, c'était la formation d'"ondes solitaires électrostatiques" (ESW), un type d'onde stable excitée par des électrons que les études précédentes de neutralisation n'avaient pas signalées. De telles ondes peuvent atteindre plusieurs centimètres de longueur et se déplacer d'avant en arrière depuis les bords de l'impulsion du faisceau d'ions, affectant le mouvement des électrons et réduisant la neutralisation. Les ondes interagissent faiblement les unes avec les autres et dans certains cas perturbent et transmettent de l'énergie aux électrons, les amenant à s'échapper du faisceau et à réduire encore la neutralisation.

Pour minimiser le problème, les nouvelles découvertes suggèrent d'élargir le filament qui injecte les électrons dans le faisceau pour améliorer le taux de neutralisation. "Cela élargit la distribution des électrons, " dit Kaganovitch, "et diminue l'excitation des vagues." De plus, il ajoute, le modèle développé au PPPL devrait aider les chercheurs à étudier et comprendre les mécanismes derrière l'excitation de ces ondes pour aider à les contrôler.