Los rayos de iones de alta energía (rayos de partículas atómicas similares a láser disparados a través de aceleradores) tienen aplicaciones que van desde la fusión por confinamiento inercial hasta la producción de estados extremos supercalientes de materia que se cree que existen en el núcleo de planetas gigantes como Júpiter y que los investigadores tienen muchas ganas de estudiar. Estos haces de iones cargados positivamente deben ser neutralizados por electrones cargados negativamente para mantenerlos bien enfocados. Sin embargo, Los investigadores han encontrado muchos obstáculos al proceso de neutralización.

Artículo destacado

En el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los científicos han descubierto un nuevo obstáculo sorprendente que reduce la neutralización de los pulsos de haz de iones. Los resultados, publicado en Physics of Plasmas y promocionado como artículo destacado, proporcionar nueva información sobre la fuente del problema e indicar cómo prevenirlo.

El descubrimiento propone una explicación para la baja tasa de neutralización observada por primera vez en experimentos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en 2002. El problema ha permanecido sin explicación antes del desarrollo de códigos capaces de simular los procesos involucrados.

Físico Chaohui Lan, un científico visitante de la Academia China de Ingeniería Física, descubrió la causa mientras realizaba simulaciones por computadora de la dinámica de electrones con el físico de PPPL Igor Kaganovich, subdirector del Departamento de Teoría y Computación de PPPL. Su investigación en computadoras de la Universidad de Princeton exploró la inyección de electrones de un filamento delgado en el pulso del haz para neutralizarlo y lograr un enfoque y transporte efectivos. Los resultados mostraron que el proceso redujo la neutralización en comparación con el paso del rayo a través del plasma, el estado cargado de la materia compuesta de iones y electrones libres.

Islas cargadas

"En estas simulaciones encontré algo inusual, "dijo Lan, autor principal del artículo Physics of Plasmas que fue coautor de Kaganovich. "Las llamé 'islas cargadas' que no podían neutralizarse más con electrones inyectados".

Lan tropezó con la formación de "ondas solitarias electrostáticas" (ESW), un tipo de onda estable excitada por electrones que los estudios previos de neutralización no habían informado. Estas ondas pueden alcanzar varios centímetros de longitud y moverse hacia adelante y hacia atrás desde los bordes del pulso del haz de iones, afectando el movimiento de electrones y reduciendo la neutralización. Las ondas interactúan débilmente entre sí y en algunos casos interrumpen e imparten energía a los electrones, haciendo que escapen del rayo y reduzcan aún más la neutralización.

Para minimizar el problema, los nuevos hallazgos sugieren ensanchar el filamento que inyecta los electrones en el haz para mejorar la tasa de neutralización. "Eso amplía la distribución de electrones, "dice Kaganovich, "y disminuye la excitación de las olas". Es más, él añade, el modelo desarrollado en PPPL debería ayudar a los investigadores a estudiar y comprender los mecanismos detrás de la excitación de estas ondas para ayudar a controlarlas.