Fjerning af plasmagereden:Små strukturer hjælper med at forhindre kortslutninger i plasmaenheder

Fysikere ved Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fundet en måde at forhindre plasma - det varme, ladet tilstand af stof, der består af frie elektroner og atomkerner - forårsager kortslutninger i maskiner som rumfartøjets thrustere, radarforstærkere, og partikelacceleratorer. I resultater offentliggjort online i Journal of Applied Physics , Charles Swanson og Igor Kaganovich rapporterer, at anvendelse af mikroskopiske strukturer, der ligner fjer og whiskers på overfladerne inde i disse maskiner, holder dem i drift med maksimal ydeevne.

Fysikerne beregnede, at små fibre kaldet "fraktaler, "fordi de ser ens ud, når de ses i forskellige skalaer, kan fange elektroner, der er løsnet fra de indvendige overflader, ved at andre elektroner zoomer ind fra plasmaet. Forskere betegner de løsrevne overfladeelektroner som "sekundære elektronemissioner" (SEE); fangning af dem forhindrer sådanne partikler i at forårsage elektrisk strøm, der forstyrrer maskinernes funktioner.

Bygger på tidligere forsøg

Dette arbejde bygger på tidligere forsøg, der viser, at overflader med fiberede teksturer kan reducere mængden af ​​sekundær elektronemission. Tidligere forskning har vist, at overflader med almindelige fibre kaldet "fløjl", der mangler fjerlignende grene, kan forhindre omkring 50 procent af de sekundære elektroner i at undslippe ind i plasmaet. Fløjlen fanger kun halvdelen af ​​sådanne elektroner, siden hvis elektronerne fra plasmaet rammer fibrene i en lav vinkel, kan de sekundære elektroner hoppe væk uden hindring.

"Da vi så på fløjl, vi observerede, at det ikke undertrykte SEE fra lavt indfaldende elektroner godt, "Så sagde Swanson." Så vi tilføjede endnu et sæt fibre for at undertrykke de resterende sekundære elektroner, og fraktaltilgangen ser ud til at fungere godt. "

Den nye forskning viser, at fjerfibre kan fange sekundære elektroner produceret af elektronerne, der nærmer sig fra en lav vinkel. Som resultat, fraktalfibrene kan reducere sekundær elektronemission med op til 80 procent.

Swanson og Kaganovich verificerede fundene ved at udføre computerberegninger, der sammenlignede fløjl og fraktalfjerede teksturer. "Vi simulerede numerisk emission af sekundære elektroner, initialiserer mange partikler og lader dem følge ballistiske, lineære baner, indtil de interagerede med overfladen, "Swanson sagde." Det var tydeligt, at tilføjelse af whiskers til siderne af de primære whiskers reducerede det sekundære elektronudbytte dramatisk. "

Foreløbigt patent

De to forskere har nu et foreløbigt patent på teknikken med fjerstruktur. Denne forskning blev finansieret af Air Force Office of Scientific Research, og følger lignende eksperimentelt arbejde udført på PPPL af andre fysikere. Specifikt, Yevgeny Raitses, arbejder hos PPPL; Marlene Patino, en kandidatstuderende ved University of California, Los Angeles; og Angela Capece, professor ved College of New Jersey, har i det forløbne år offentliggjort eksperimentelle fund om, hvordan sekundær elektronemission påvirkes af forskellige vægmaterialer og strukturer, baseret på forskning, de lavede hos PPPL.