Forskere forbedrer evnen til at måle elektriske egenskaber ved plasma

Enhver fast overflade nedsænket i et plasma, herunder dem i satellitmotorer og fusionsreaktorer er omgivet af et lag af elektrisk ladning, der bestemmer samspillet mellem overfladen og plasmaet. Forstå arten af ​​denne kontakt, som kan påvirke enhedernes ydeevne, afhænger ofte af at forstå, hvordan elektrisk ladning fordeles rundt om overfladen. Nu, nyere forskning fra forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) indikerer en måde at mere præcist måle disse elektriske egenskaber.

Den nylige opdagelse vedrører laget, den såkaldte plasma-vægkappe af elektrisk ladning, der omgiver genstande, herunder diagnostiske sonder inde i plasmaet, som er sammensat af ladede elektroner og ioner. Dette lag beskytter prober ved at afvise andre elektroner i plasmaet, der påvirker målingerne af instrumentet og nogle gange endda forårsager skade. "Træde i kræft, objektet isolerer sig fra alle disse elektroner i plasmaet, der bærer energi og varme og kan få sonden til at smelte, "sagde Brian Kraus, en kandidatstuderende i Princeton -programmet i plasmafysik, der var hovedforfatter til papiret, der offentliggjorde resultaterne i Plasmas fysik .

Kraus og hovedforskningsfysiker Yevgeny Raitses, medforfatter af papir- og forskningsrådgiver for Kraus om sit førsteårige kandidatprojekt, fandt ud af, at lagets ladning nogle gange kan være positiv, modsiger hvad forskere længe har troet - at tæppet altid har en mere negativ ladning end det omgivende plasma. Resultaterne indikerer, at forskere skal bestemme nøjagtigt, hvilken ladning der omgiver sonden for at kunne foretage korrektioner, der vil generere en nøjagtig måling af forholdene inde i plasmaet.

Specifikt, forskning udført på Raitses-ledede Hall Thruster Experiment (HTX) på PPPL, som typisk bruges til at studere plasmaskrustere til rumfartøjer og beslægtede plasmaanordninger, viste, at en varmeafgivende diagnostik, der ikke er forbundet til en jordet ledning, undertiden kan producere den positive ladning. HTX var i stand til at levere en stabil, stabilt plasma, der lod forskerne mere præcist opdage, hvilken slags ladning der byggede op ved siden af ​​sonden.

”Den helt nye ting er, at indtil nu, forskere i mindst et årti havde udviklet teoretiske beregninger og udført beregningssimuleringer, der viste, at det positive lag, eller omvendt kappe, kunne forekomme, men ingen havde set det i forsøg med sonde, "Kraus sagde." I dette papir, vi siger, at vi tror, ​​at vi virkelig ser det i et eksperiment, såvel som at se overgangen mellem negative og positive kapper. "

Forskningen var den første til at understøtte disse beregninger vedrørende effekten af ​​såkaldte stærkt emitterende vægge. Udvikling af sådanne beregninger var Michael Campanell, Alexander Khrabrov, og Igor Kaganovich fra PPPL, sammen med Dmytro Sydorenko ved University of Alberta. (Campanell er nu på DOE's Lawrence Livermore National Laboratory.) De nye eksperimenter giver således et glimrende eksempel på, hvordan teoretiske forudsigelser motiverer eksperimentel forskning, der igen validerer teoretiske forudsigelser.

Ifølge Raitses og Kraus, fremtidig forskning, der involverer fysiske eksperimenter, vil måle mere omhyggeligt, hvor godt den stærkt emitterende sondemodel matcher observationer. Et sådant forsøg ville afgøre, om en udsendende sonde med en lang ledning lettere ville bevare en positiv ladning.