Vridende magnetiske felter til ekstrem plasmakompression

Et nyt spin på den magnetiske komprimering af plasmaer kan forbedre materialevidenskaben, forskning i nuklear fusion, Røntgengenerering og laboratorieastrofysik, forskning ledet af University of Michigan tyder på.

Undersøgelsen viser, at et fjederformet magnetfelt reducerer mængden af ​​plasma, der glider ud mellem magnetfeltlinjerne.

Kendt som materiens fjerde tilstand, plasma er en gas så varm, at elektroner river sig fri af deres atomer. Forskere bruger magnetisk kompression til at studere ekstreme plasmatilstande, hvor tætheden er høj nok til, at kvantemekaniske effekter bliver vigtige. Sådanne tilstande forekommer naturligt inde i stjerner og gasgigantplaneter på grund af kompression fra tyngdekraften.

Forskergruppen ledet af Ryan McBride, en lektor i nuklear teknik og radiologiske videnskaber ved U-M, tester måder at opnå tilstande som denne ved at implodere plasmacylindre med magnetiske felter. Disse cylindre har en tendens til at gå i stykker på en "pølselink"-måde, når magnetfeltet finder bittesmå fordybninger i cylinderens overflade og skærer ind i dem. (Det tekniske udtryk er "pølse-ustabilitet").

"Det er som at prøve at presse en stang blødt smør med hænderne, " sagde McBride. "Smøret presser ud mellem dine fingre."

Smørret i McBrides analogi er plasma, og fingrene er magnetiske feltlinjer. Hans gruppe ledte efter en måde at forhindre magnetfeltet i at grave ind i ufuldkommenhederne i cylinderen, i stedet for at få feltet til at trykke mere ensartet på cylinderens ydre overflade. Det gjorde de ved at vride magnetfeltet til en helix, den fjederlignende form, og at variere den vinkel, hvormed helixen pressede på plasmacylinderen. Dette gjorde det sværere for magnetfeltet at skære ind - feltet bevægede sig på tværs af mange divots i stedet for at trykke ind i en divot for længe.

De mest snoede magnetiske konfigurationer testet i disse eksperimenter reducerede længden af ​​de undslippende plasma-tentakler med omkring 70 %. Forskningen blev udført i samarbejde med Sandia National Laboratories og Laboratory of Plasma Studies ved Cornell University.

Holdet ændrede formen på det magnetiske felt ved at ændre den måde, den elektriske strøm - over 1 million ampere - løb gennem kompressionsenheden. Den elektriske strøm løber typisk op gennem den centrale cylinder, der skal komprimeres, og derefter tilbage ned gennem lige "returstrøms"-søjler, der omgiver den centrale cylinder. Dette frembringer et cylindrisk magnetfelt, der omgiver den centrale cylinder. For at omdanne det cylindriske felt til en helix, holdet snoede returstrømsøjlerne rundt om den centrale cylinder. Den centrale cylinder starter som en metalfolie, men den enorme elektriske strøm omdanner hurtigt metallet til et plasma. De kørte eksperimenterne på Cornell Beam Research Accelerator.

"At designe returstrømstrukturerne var en interessant balancegang, " sagde Paul Campbell, førsteforfatter på papiret og en ph.d. studerende i nuklear ingeniørvidenskab og radiologiske videnskaber ved U-M. "Vi var ikke sikre på, at vi overhovedet kunne få disse strukturer bearbejdet, men heldigvis metal 3-D print er nået så langt, at vi var i stand til at få dem printet i stedet."

Campbell forklarede, at når strukturerne er mere snoede, der løber mindre strøm gennem dem, så søjlerne skulle placeres tættere på det imploderende plasma for at kompensere. På samme tid, de havde brug for huller i strukturen, så de kunne se, hvad der foregik med implosionen.

I tråd med at kopiere forholdene inde i stjerner, magnetisk kompression er en metode til at komprimere nukleart fusionsbrændstof - typisk varianter af brint - for at studere de processer, der driver stjerner. Teknikken kan også generere kraftige røntgenudbrud og simulere astrofysiske fænomener såsom plasmastråler nær sorte huller.

Et papir om denne forskning, "Stabilisering af foringsimplosioner via en dynamisk skrueklem, " accepteres af bladet Fysisk gennemgangsbreve . Forskningen vil også blive præsenteret i en inviteret tale på den årlige konference for American Physical Society's Division of Plasma Physics i november 2020.