Fysiker forklarer røntgenstråler, der ikke burde eksistere i koldt plasma

I omkring 20 år har Caltech-professor i anvendt fysik Paul Bellan og hans gruppe skabt magnetisk accelererede plasmastråler, en elektrisk ledende gas sammensat af ioner og elektroner, i et vakuumkammer, der er stort nok til at rumme en person. (Neonskilte og lyn er hverdagseksempler på plasma).

I det vakuumkammer ioniseres gasstykker af flere tusinde volt. Derefter strømmer 100.000 ampere gennem plasmaet og producerer stærke magnetiske felter, der former plasmaet til en stråle, der rejser omkring 10 miles i sekundet. Højhastighedsoptagelser viser, at jetflyet går gennem adskillige adskilte stadier i løbet af nogle få 10 mikrosekunder.

Bellan siger, at plasmastrålen ligner en paraply, der vokser i længden. Når længden når en eller to fod, gennemgår strålen en ustabilitet, der får den til at forvandle sig til en hurtigt ekspanderende proptrækker. Denne hurtige udvidelse udløser en anden, hurtigere ustabilitet, der skaber krusninger.

"Rusningerne kvæler jetflyets 100-kiloamp elektriske strøm, ligesom at sætte tommelfingeren over en vandslange begrænser strømmen og skaber en trykgradient, der accelererer vandet," siger Bellan. "Kvælning af jetstrømmen skaber et elektrisk felt, der er stærkt nok til at accelerere elektroner til høj energi."

Disse højenergielektroner blev tidligere identificeret i jeteksperimentet af de røntgenstråler, de genererer, og Bellan siger, at deres tilstedeværelse var en overraskelse. Det er fordi konventionel forståelse siger, at jetplasmaet var for koldt til, at elektroner kunne accelereres til høj energi. Bemærk, at "kold" er et relativt begreb:Selvom dette plasma havde en temperatur på omkring 20.000 Kelvin (35.500 °F) - langt varmere end noget, mennesker normalt møder - er det ikke i nærheden af ​​temperaturen på solens korona, som er mere end 1 million Kelvin (1,8 millioner grader F).

"Så spørgsmålet er:'Hvorfor ser vi røntgenstråler?'" siger han.

Kolde plasmaer blev anset for at være ude af stand til at generere højenergielektroner, fordi de er for "kollisioner", hvilket betyder, at en elektron ikke kan rejse meget langt, før den kolliderer med en anden partikel. Det er som en chauffør, der forsøger at drage race gennem motorvejen. Føreren ramte måske speederen, men kørte kun et par meter, før han bragede ind i en anden bil. I tilfælde af et koldt plasma ville en elektron kun accelerere omkring en mikron, før den kolliderer og bremser.

Bellan-gruppens første forsøg på at forklare dette fænomen var en model, der antydede, at en del af elektronerne formår at undgå at kollidere med andre partikler under den første mikron af rejsen. Ifølge teorien tillod det elektronerne at accelerere til lidt højere hastighed, og når de gik hurtigere, kunne de rejse en lille smule længere, før de stødte på en anden partikel, som de kunne kollidere med.

En brøkdel af de nu hurtigere elektroner ville igen undgå en kollision for en tid, hvilket ville give dem mulighed for at opnå en endnu højere hastighed, hvilket ville give dem mulighed for at rejse endnu længere, hvilket ville skabe en positiv feedback-loop, der ville tillade et par heldige elektroner at gå længere og hurtigere, opnår høje hastigheder og høje energier.

Men selvom teorien var overbevisende, var den forkert, siger Bellan.

"Det blev indset, at dette argument har en fejl," siger han, "fordi elektroner ikke rigtig kolliderer i den forstand, at de rammer noget eller ikke rammer noget. De afbøjer faktisk alle en lille smule hele tiden. Så der er ingen sådan noget som en elektron, der kolliderer eller ikke kolliderer."

Alligevel optræder højenergielektroner i jeteksperimentets kolde plasma. For at finde ud af hvorfor udviklede Bellan en computerkode, der beregnede handlingerne af 5.000 elektroner og 5.000 ioner, der kontinuerligt afbøjer hinanden i et elektrisk felt. For at finde ud af, hvordan nogle få elektroner formåede at nå høje energier, justerede han parametrene og så, hvordan elektronernes adfærd ændrede sig.

Når elektroner accelererer i det elektriske felt, passerer de i nærheden af ​​ioner, men rører dem aldrig. Af og til suser en elektron så tæt forbi en ion, at den overfører energi til en elektron, der er knyttet til ionen og sænker farten, hvor den nu "ophidsede" ion udstråler synligt lys. Fordi elektroner kun lejlighedsvis passerer så tæt, afbøjer de normalt bare lidt fra ionen uden at excitere den. Denne lejlighedsvise energilækage forekommer i de fleste elektroner, hvilket betyder, at de aldrig opnår høje energier.

Da Bellan justerede sin simulering, dukkede et par højenergielektroner op, der var i stand til at skabe røntgenstråler. "De heldige få, der aldrig kommer tæt nok på en ion til at ophidse den, mister aldrig energi," tilføjer han. "Disse elektroner accelereres kontinuerligt i det elektriske felt og opnår i sidste ende tilstrækkelig energi til at producere røntgenstrålerne."

Bellan siger, at hvis denne adfærd opstår i plasmastrålen i hans Caltech-laboratorium, sker det sandsynligvis også i soludbrud og astrofysiske situationer. Dette kan også forklare, hvorfor uventet højenergi røntgenstråler nogle gange ses under fusionsenergieksperimenter.

"Der er en lang historie, hvor folk har set ting, som de troede var nyttig fusion," siger han. "Det viser sig, at det var fusion, men det var ikke rigtig nyttigt. Det var intense forbigående elektriske felter produceret af ustabiliteter, der accelererede nogle få partikler til ekstremt høj energi. Dette forklarer måske, hvad der foregik. Det er ikke, hvad folk ønsker, men det er sandsynligvis det, der sker."

Papiret, der beskriver arbejdet, "Energetisk elektronhaleproduktion fra binære møder af diskrete elektroner og ioner i et sub-Dreicer elektrisk felt," blev offentliggjort i udgaven af ​​20. oktober af Physics of Plasmas og blev præsenteret den 3. november på det 65. årlige møde i American Physical Society Division of Plasma Physics i Denver, Colorado.

Flere oplysninger: Paul M. Bellan, Energetisk elektronhaleproduktion fra binære møder af diskrete elektroner og ioner i et sub-Dreicer elektrisk felt, Physics of Plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0167004

Journaloplysninger: Plasmas fysik

Leveret af California Institute of Technology