Ученые SLAC впервые засняли плазменную неустойчивость приближая эру термоядерного синтеза
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые в истории получили детальные изображения плазменной неустойчивости, что является значительным шагом вперед как в области термоядерного синтеза, так и в астрофизике. Используя мощный рентгеновский лазер LCLS, команда разработала платформу, способную фиксировать эволюцию нестабильностей в плазме высокой плотности. Понимание этих процессов имеет решающее значение для повышения эффективности термоядерных реакций, цель которых — воспроизвести энергию, питающую Солнце. Этот прорыв приближает ученых к практическому применению термоядерного синтеза и углубляет понимание космической плазмы. Как отметил Зигфрид Гленцер, директор Отделения физики высоких плотностей энергии и профессор фотонных наук в SLAC, понимание того, когда и как растут неустойчивости, является ключевым для успеха термоядерного синтеза.
В ходе эксперимента изучалась токовая филаментационная неустойчивость, при которой лазер разгоняет электроны в плазме до очень высоких энергий, создавая поток горячих электронов. При встрече с потоком холодных электронов, движущихся в противоположном направлении, в плазме формируются структуры в виде нитей. Команда SLAC поясняет, что ранее ученые наблюдали эту неустойчивость лишь в плазме низкой плотности, так как исследовать плотную плазму традиционными методами мешает ее непрозрачность. Понимание поведения именно плотной плазмы важно, поскольку она аналогична той, что используется в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу.
Чтобы преодолеть эту проблему, ученые задействовали рентгеновский лазер LCLS, чье высокоэнергетическое излучение способно проникать сквозь плотную среду. Неустойчивость создавалась с помощью мощного лазера на установке Matter in Extreme Conditions (MEC). Рентгеновские лучи позволили наблюдать за формированием неустойчивости в реальном времени, делая снимки микроскопических нитей за доли секунды. По словам Гленцера, каждые 500 фемтосекунд делались снимки, чтобы получить истинную картину происходящего с беспрецедентной детализацией. Этот метод дает ученым уникальную возможность увидеть, как зарождаются и развиваются неустойчивости, что способствует прогрессу в термоядерных исследованиях и изучении космической плазмы.
Новая экспериментальная установка позволяет одновременно создавать и визуализировать конкретную неустойчивость в сверхгорячей и плотной плазме. Мощный лазер высокой интенсивности фокусируется на мишенях толщиной с человеческий волос, создавая необходимые условия. Затем рентгеновский лазер LCLS работает как высокоскоростной микроскоп, делая снимки формирующихся нестабильностей в реальном времени. Регулируя задержку между лазерными и рентгеновскими импульсами, исследователи получают серию изображений, показывающих развитие неустойчивости на чрезвычайно малых временных масштабах. Сравнение экспериментальных данных с передовыми симуляциями и теорией помогло выявить ключевые механизмы, управляющие эволюцией неустойчивости.
Анализ также показал, что данная неустойчивость генерирует магнитное поле силой около 1000 Тесла, что примерно в 100 000 раз сильнее поля обычного бытового магнита. Предполагается, что именно такие мощные магнитные поля в астрофизической плазме, например, во взрывающихся звездах, разгоняют частицы до высоких энергий, создавая космические лучи. Изучение этой неустойчивости в лабораторных условиях может помочь ученым в понимании далеких космических явлений и усовершенствовать эксперименты по термоядерному синтезу. Созданная платформа также адаптируема для исследования других типов плазменных неустойчивостей, в том числе тех, что снижают энергетическую отдачу в термоядерных реакциях, открывая новые мощные возможности как для астрофизики, так и для исследований в области термоядерной энергетики.