Une nouvelle approche de la compression magnétique des plasmas pourrait améliorer la science des matériaux, recherche sur la fusion nucléaire, Génération de rayons X et astrophysique de laboratoire, suggère une recherche menée par l'Université du Michigan.

L'étude montre qu'un champ magnétique en forme de ressort réduit la quantité de plasma qui s'échappe entre les lignes de champ magnétique.

Connu comme le quatrième état de la matière, le plasma est un gaz si chaud que les électrons se détachent de leurs atomes. Les chercheurs utilisent la compression magnétique pour étudier les états extrêmes du plasma dans lesquels la densité est suffisamment élevée pour que les effets de la mécanique quantique deviennent importants. De tels états se produisent naturellement à l'intérieur des étoiles et des planètes géantes gazeuses en raison de la compression de la gravité.

Le groupe de recherche dirigé par Ryan McBride, professeur agrégé de génie nucléaire et de sciences radiologiques à l'U-M, teste des moyens d'atteindre de tels états en implosant des cylindres de plasma avec des champs magnétiques. Ces cylindres ont tendance à se briser à la manière d'un "lien de saucisse" lorsque le champ magnétique trouve de minuscules bosses dans la surface du cylindre et les coupe. (Le terme technique est « instabilité de la saucisse ».)

"C'est comme essayer de presser un bâton de beurre mou avec les mains, " dit McBride. " Le beurre s'écrase entre vos doigts. "

Le beurre dans l'analogie de McBride est le plasma et les doigts sont des lignes de champ magnétique. Son groupe a cherché un moyen d'empêcher le champ magnétique de creuser dans les imperfections du cylindre, à la place, le champ appuie plus uniformément sur la surface extérieure du cylindre. Ils l'ont fait en tordant le champ magnétique en une hélice, cette forme printanière, et faire varier l'angle auquel l'hélice appuie sur le cylindre de plasma. Cela a rendu plus difficile le découpage du champ magnétique - le champ s'est déplacé à travers de nombreux divots plutôt que de s'enfoncer dans un divot pendant trop longtemps.

Les configurations magnétiques les plus tordues testées dans ces expériences ont réduit la longueur des tentacules de plasma s'échappant d'environ 70 %. La recherche a été effectuée en collaboration avec Sandia National Laboratories et le Laboratoire d'études sur le plasma de l'Université Cornell.

L'équipe a modifié la forme du champ magnétique en modifiant la façon dont le courant électrique (plus d'un million d'ampères) traversait le dispositif de compression. Le courant électrique monte généralement à travers le cylindre central qui doit être comprimé, puis redescend à travers des colonnes droites de "courant de retour" qui entourent le cylindre central. Cela produit un champ magnétique cylindrique qui entoure le cylindre central. Pour transformer le champ cylindrique en hélice, l'équipe a tordu les colonnes de courant de retour autour du cylindre central. Le cylindre central commence comme une feuille de métal, mais l'énorme courant électrique transforme rapidement le métal en plasma. Ils ont mené les expériences sur l'accélérateur de recherche Cornell Beam.

« Concevoir les structures de courant de retour était un exercice d'équilibre intéressant, " a déclaré Paul Campbell, premier auteur sur le papier et un doctorat. étudiant en génie nucléaire et sciences radiologiques à l'U-M. "Nous n'étions même pas sûrs de pouvoir faire usiner ces structures, Mais heureusement, l'impression 3D en métal a suffisamment progressé pour que nous puissions les imprimer à la place. »

Campbell a expliqué que lorsque les structures sont plus tordues, moins de courant les traverse, les colonnes ont donc dû être placées plus près du plasma en implosion pour compenser. À la fois, ils avaient besoin de trous dans la structure pour qu'ils puissent voir ce qui se passait avec l'implosion.

Conformément à la réplication des conditions à l'intérieur des étoiles, la compression magnétique est une méthode de compression du combustible de fusion nucléaire, généralement des variantes de l'hydrogène, pour étudier les processus qui alimentent les étoiles. La technique peut également générer de puissants sursauts de rayons X et simuler des phénomènes astrophysiques tels que des jets de plasma à proximité de trous noirs.

Un article sur cette recherche, "Stabilisation des implosions de liner via un pincement dynamique des vis, " est accepté par le journal Lettres d'examen physique . La recherche sera également présentée dans une conférence invitée à la conférence annuelle de la Division of Plasma Physics de l'American Physical Society en novembre 2020.