يعمل غرانت جورمان ، طالب الدراسات العليا بجامعة رايس ، في معمل رايس للذرات والبلازما الفائق البرودة. تصوير جيف فيتلو / جامعة رايس
مبرد بالليزر بلازمايمكن أن يجيب -in-a-bottle على أسئلة حول الشمس ، وقوة الاندماج.
اكتشف علماء الفيزياء في جامعة رايس طريقة لاحتجاز أبرد بلازما في العالم في زجاجة مغناطيسية ، وهو إنجاز تقني يمكن أن يدفع البحث في مجال الطاقة النظيفة والطقس الفضائي والفيزياء الفلكية.
“لفهم كيفية تفاعل الرياح الشمسية مع الأرض ، أو لتوليد طاقة نظيفة من الاندماج النووي ، عليك أن تفهم كيف تتصرف البلازما – حساء من الإلكترونات والأيونات – في مجال مغناطيسي. قال رايس عميد العلوم الطبيعية توم كيليان ، المؤلف المقابل للدراسة المنشورة حول العمل في خطابات الفحص البدني.
https://www.youtube.com/watch؟v=97DMTPmvMiI
باستخدام السترونتيوم المبرد بالليزر ، صنع كيليان وطلاب الدراسات العليا جرانت جورمان وماكينزي وارينز بلازما فوقها بدرجة واحدة تقريبًا. الصفر المطلق، أو حوالي 272 درجة درجة مئوية، وحاصروه لفترة وجيزة مع قوى المغناطيسات المحيطة. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها حصر البلازما شديدة البرودة مغناطيسيًا ، وقال كيليان ، الذي درس البلازما شديدة البرودة لأكثر من عقدين ، إن هذا يفتح الباب أمام دراسة البلازما في العديد من السياقات.
“يوفر هذا سرير اختبار نظيفًا ويمكن التحكم فيه لدراسة البلازما المحايدة في أماكن أكثر تعقيدًا ، مثل الغلاف الجوي للشمس أو قزم ابيض النجوم ، “قال كيليان ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك. “إنه يساعد حقًا أن تكون البلازما باردة جدًا وأن تكون أنظمة المختبرات نظيفة جدًا. يتيح لك البدء بنظام بسيط وصغير وجيد التحكم ومفهوم جيدًا التخلص من بعض الفوضى وعزل الظاهرة التي تريد رؤيتها حقًا. “
طالبة الدراسات العليا بجامعة رايس ، ماكنزي وارينز ، تعدل تجربة تبريد بالليزر في مختبر رايس للذرات والبلازما ألتراكولد. الائتمان: تصوير جيف فيتلو / جامعة رايس
من المهم دراسة المؤلف المشارك ستيفن برادشو ، عالم الفيزياء الفلكية في رايس والمتخصص في دراسة ظواهر البلازما على الشمس.
“في جميع أنحاء الغلاف الجوي للشمس ، فإن المجال المغناطيسي (القوي) له تأثير في تغيير كل شيء عما تتوقعه بدون مجال مغناطيسي ، ولكن بطرق دقيقة للغاية ومعقدة يمكن أن تؤدي بك حقًا إذا لم تفعل ذلك. لا يوجد حقًا مجال مغناطيسي. قال برادشو ، الأستاذ المساعد في الفيزياء وعلم الفلك.
نادرًا ما يحصل علماء الفيزياء الشمسية على ملاحظة واضحة لسمات معينة من الغلاف الجوي للشمس لأن جزءًا من الغلاف الجوي يقع بين الكاميرا وهذه الميزات ، والظواهر غير ذات الصلة في الغلاف الجوي الأوسط تحجب ما يرغبون في ملاحظته.
قال برادشو: “لسوء الحظ ، بسبب مشكلة خط البصر هذه ، ترتبط قياسات الملاحظة لخصائص البلازما بالكثير من عدم اليقين”. “ولكن بينما نحسن فهمنا للظواهر ونستخدم نتائج المختبر لاختبار ومعايرة نماذجنا الرقمية ، نأمل أن نكون قادرين على تقليل عدم اليقين في هذه القياسات.”
تُظهر الصور التي تم إنتاجها عن طريق التألق الناجم عن الليزر كيف تتصرف سحابة من البلازما شديدة البرودة سريعة التوسع (الأصفر والذهبي) عندما تكون محصورة بواسطة مغناطيس رباعي الأقطاب. يتم إنشاء البلازما شديدة البرودة في وسط الغرفة (على اليسار) وتتوسع بسرعة ، وعادة ما تتبدد في غضون بضعة آلاف من الثانية. باستخدام الحقول المغناطيسية القوية (الوردية) ، حاصر الفيزيائيون في جامعة رايس البلازما شديدة البرودة وحافظوا عليها لعدة أجزاء من المئات من الثانية. من خلال دراسة كيفية تفاعل البلازما مع المجالات المغناطيسية القوية في مثل هذه التجارب ، يأمل الباحثون في الإجابة على أسئلة البحث المتعلقة بالطاقة الاندماجية النظيفة والفيزياء الشمسية والطقس الفضائي وغير ذلك. الائتمان: الصورة بإذن من T. Killian / جامعة رايس
تعد البلازما واحدة من الحالات الأربع الأساسية للمادة ، ولكن على عكس المواد الصلبة والسوائل والغازات ، فإن البلازما عمومًا ليست جزءًا من الحياة اليومية لأنها تميل إلى الحدوث في الأماكن شديدة الحرارة مثل الشمس أو البرق أو لهب الشمعة. مثل هذه البلازما الساخنة ، فإن بلازما كيليان عبارة عن حساء من الإلكترونات والأيونات ، ولكن يتم تبريدها عن طريق التبريد بالليزر ، وهي تقنية تم تطويرها منذ ربع قرن لاحتجاز وإبطاء المادة بالضوء.
قال كيليان إن التكوين المغناطيسي الرباعي الذي تم استخدامه لاحتجاز البلازما هو جزء قياسي من التكوين شديد البرودة الذي يستخدمه مختبره وغيره لصنع بلازما شديدة البرودة. لكن اكتشاف كيفية حبس البلازما بالمغناطيس كان مشكلة شائكة حيث يتسبب المجال المغناطيسي في إحداث فوضى في النظام البصري الذي يستخدمه علماء الفيزياء لمراقبة البلازما شديدة البرودة.
قال: “تشخيصنا هو تألق مستحث بالليزر ، حيث نقوم بإسقاط شعاع الليزر على الأيونات في بلازمانا ، وإذا كان تردد الحزمة صحيحًا ، فإن الأيونات ستبعثر الفوتونات بكفاءة عالية”. “يمكنك التقاط صورة لها ومعرفة مكان وجود الأيونات ، ويمكنك حتى قياس سرعتها من خلال النظر إلى تحول دوبلر ، مثل استخدام مسدس الرادار لمعرفة مدى سرعة تحرك السيارة. لكن المجالات المغناطيسية تتحرك في الواقع حول ترددات الرنين ، وعلينا أن نفصل تحولات الطيف التي تأتي من المجال المغناطيسي من تحولات دوبلر التي نرغب في مراقبتها.
هذا يعقد التجارب بشكل كبير ويزيد من تعقيد الأمور ، تتغير المجالات المغناطيسية بشكل كبير في جميع أنحاء البلازما.
اكتشف علماء الفيزياء بجامعة رايس (من اليسار) جرانت جورمان وتوم كيليان وماكينزي وارينز كيفية حصر أبرد بلازما في العالم في زجاجة مغناطيسية ، وهو إنجاز تقني يمكن أن يعزز البحث في الطاقة النظيفة والطقس الفضائي والفيزياء الشمسية. الائتمان: تصوير جيف فيتلو / جامعة رايس
قال كيليان: “لذلك علينا أن نتعامل ليس فقط مع مجال مغناطيسي ، ولكن مع مجال مغناطيسي يتنوع في الفضاء ، بطريقة معقدة بشكل معقول ، من أجل فهم البيانات وفهم ما يجري في البلازما”. “لقد أمضينا عامًا في محاولة لمعرفة ما كنا نراه بمجرد حصولنا على البيانات.”
كما أن سلوك البلازما في التجارب يصبح أكثر تعقيدًا بسبب المجال المغناطيسي. هذا هو بالضبط السبب في أن تقنية الملائمة يمكن أن تكون مفيدة للغاية.
قال كيليان: “هناك الكثير من التعقيد حيث تتوسع بلازمانا عبر خطوط المجال هذه وتبدأ في الشعور بالقوى والوقوع في شرك”. “إنها ظاهرة شائعة جدًا ، لكنها معقدة للغاية وعلينا حقًا أن نفهمها.”
مثال من الطبيعة هو الرياح الشمسية ، تيارات بلازما عالية الطاقة من الشمس والتي تسبب الشفق القطبي الشمالي ، أو الشفق القطبي. عندما تضرب بلازما الرياح الشمسية الأرض ، فإنها تتفاعل مع المجال المغناطيسي لكوكبنا ، ولا تزال تفاصيل هذه التفاعلات غير واضحة. مثال آخر هو أبحاث الطاقة الاندماجية ، حيث يأمل الفيزيائيون والمهندسون في إعادة تهيئة الظروف داخل الشمس لإنشاء مخزون ضخم من الطاقة النظيفة.
يدرس ستيفن برادشو ، عالم فيزياء البلازما بجامعة رايس ، التوهجات الشمسية ، والتدفئة في الغلاف الجوي للشمس ، والرياح الشمسية ، وظواهر أخرى في الفيزياء الشمسية. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس
قال كيليان إن التكوين المغناطيسي الرباعي الذي استخدمه هو وجورمان ووارنز لتعبئة البلازما شديدة البرودة يشبه التصميمات التي طورها باحثو طاقة الاندماج في الستينيات.يجب أن تكون بلازما الاندماج حوالي 150 مليون درجة مئوية ، واحتوائها مغناطيسيًا قال برادشو إنه تحدٍ يرجع جزئيًا إلى الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها حول كيفية تفاعل البلازما والمجالات المغناطيسية وتأثيرهما على بعضهما البعض.
قال برادشو: “تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في الحفاظ على استقرار المجال المغناطيسي بدرجة كافية لفترة كافية لاحتواء التفاعل فعليًا”. “بمجرد أن يكون هناك نوع من الاضطراب في المجال المغناطيسي ، فإنه يتطور و” ينفث “التفاعل النووي يتلف.
قال: “لكي تعمل بشكل جيد ، عليك أن تحافظ على استقرار الأمور حقًا”. “ومرة أخرى ، يمكن أن يساعدنا النظر إلى الأشياء في بلازما معملية نقية ولطيفة حقًا في فهم كيفية تفاعل الجسيمات مع المجال بشكل أفضل.”
المرجع: “حجز مغناطيسي للبلازما شديدة البرودة” بقلم GM Gorman و MK Warrens و SJ Bradshaw و TC Killian ، 25 فبراير 2021 ، خطابات الفحص البدني.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.085002
تم دعم البحث من قبل مكتب القوات الجوية للبحوث العلمية وبرنامج زمالة أبحاث الخريجين التابع لمؤسسة العلوم الوطنية.
