Medir pequeñas poblaciones de electrones rápidos escondidos en un mar de electrones "térmicos" más fríos en plasmas tokamak es un gran desafío. ¿Por qué? El desafío proviene de que la señal de electrones rápidos se ve abrumada por la señal de electrones térmicos en la mayoría de los diagnósticos. Físicos de la Universidad de California-San Diego, con físicos del Oak Ridge National Lab y de General Atomics, han logrado medir poblaciones de electrones rápidos. Lograron este resultado, el primero en su tipo, al ver el efecto de los electrones rápidos en la tasa de ablación de pequeños gránulos de argón congelados.

Interrupciones de Tokamak, grandes inestabilidades que ocasionalmente pueden interrumpir toda la descarga de plasma, son una de las principales preocupaciones del concepto tokamak para la energía de fusión magnética. Estas interrupciones pueden formar haces de electrones grandes y rápidos "descontrolados" que pueden causar daños localizados inaceptablemente grandes en la pared del reactor. Estos haces de electrones rápidos comienzan con pequeñas "semillas" de electrones rápidos difíciles de medir. Las semillas se forman al comienzo de las interrupciones. La observación de estas semillas es un primer paso importante para predecir y evitar el daño rápido de los electrones a las paredes de los vasos durante las interrupciones del tokamak.

Las interrupciones de Tokamak son grandes inestabilidades magnetohidrodinámicas (MHD) que pueden ocurrir, por ejemplo, si hay una falla rara e imprevista en el sistema de control de posición del plasma que hace que el plasma toque las paredes de la cámara. Estas inestabilidades provocan el chisporroteo del material de la pared donde el plasma toca la pared, y las impurezas resultantes luego ingresan al plasma, provocando una impureza "frente frío" que se mueve hacia el núcleo de plasma.

En este frente frío las impurezas irradian fuertemente, provocando una rápida caída de la temperatura plasmática. Si la caída es lo suficientemente rápida, se pueden formar pequeñas semillas de electrones rápidos. Estas semillas pueden acelerar a energías relativistas (nivel MeV +) y luego amplificar su número mediante el proceso de avalancha (que también ocurre en los rayos, tubos fotomultiplicadores, etc.), eventualmente formando grandes haces de electrones rápidos. La medición de las semillas iniciales de electrones rápidos es importante para que los tokamaks puedan predecir cuándo se formarán grandes haces de electrones rápidos y cómo evitarlos.

Ahora, Las predicciones se hacen usando dos fórmulas:la fórmula de Dreicer (que asume una temperatura constante) y la fórmula de cola caliente (que asume una caída de temperatura muy rápida). En el tokamak DIII-D, Los científicos diseñaron experimentos para formar interrupciones intencionales al disparar pequeños gránulos de hielo de argón congelado en descargas de plasma. El plasma caliente hace que el vapor de argón se evapore de la superficie del gránulo, formando un frente frío y disrupción.

La velocidad a la que el argón se evapora (ablación) de la superficie del gránulo es muy sensible al número de electrones rápidos en el plasma; mediante un análisis cuidadoso, fue posible separar las poblaciones de electrones rápidos y térmicos en el plasma durante las interrupciones intencionales. El equipo descubrió que las magnitudes de la semilla de electrones rápidos eran aproximadamente 100 veces más pequeñas que las predichas por la fórmula de cola caliente, pero aproximadamente 100 veces más grandes que las predichas por la fórmula de Dreicer. Estos experimentos, por lo tanto, demuestran claramente la necesidad de fórmulas o simulaciones mejoradas para predecir semillas de electrones rápidos durante las interrupciones.