灌装世界上最冷的血浆

  赖斯大学的物理学家们发现了一种将世界上最冷的等离子体捕获在磁瓶中的方法,这项技术成就可以推动对清洁能源,太空天气和天体物理学的研究。

灌装世界上最冷的血浆

  赖斯自然科学系主任汤姆·基利安(Tom Killian)说:“要了解太阳风如何与地球相互作用,或通过核聚变产生清洁能源,必须了解等离子体(一种电子和离子的汤)在磁场中的行为。” ,有关“物理评论书”中发表的研究的通讯作者。

  基利安和研究生格兰特·戈尔曼(Grant Gorman)和麦肯齐·沃伦斯(MacKenzie Warrens)使用激光冷却的锶制成的等离子体比绝对零值高大约1度,即大约-272摄氏度,并被周围磁铁的力短暂捕获。这是首次对超冷等离子体进行磁约束,而研究超冷等离子体已有二十多年的基利安(Killian)表示,这为在许多场合研究等离子体打开了大门。

  物理学和天文学教授基利安说:“这提供了一个干净可控的试验台,用于研究更复杂位置(例如太阳的大气层或白矮星)中的中性等离子体。” “让血浆如此冷并拥有非常干净的实验室系统真的很有帮助。从一个简单,小型,控制良好,易于理解的系统开始,您可以消除一些杂物并真正隔离现象想看。”

  对于研究合著者斯蒂芬·布拉德肖(Stephen Bradshaw)来说很重要,他是赖斯天体物理学家,专门研究太阳的等离子体现象。

  “在整个太阳的大气层中,(强)磁场具有改变所有与您在没有磁场的情况下所期望的相对的效果,但是如果您没有一个真正的磁场,它会以非常微妙而复杂的方式使您绊倒。对此有很好的理解。”物理学和天文学副教授布拉德肖说。

  太阳物理学家很少能清楚地观察到太阳大气中的特定特征,因为一部分大气层位于相机与这些特征之间,并且中间大气中无关的现象会掩盖他们想要观察的事物。

  布拉德肖说:“不幸的是,由于这个视线问题,血浆性质的观测测量结果具有很大的不确定性。” “但是随着我们对现象的理解得到提高,并且至关重要的是,使用实验室结果来测试和校准我们的数值模型,然后希望我们可以减少这些测量的不确定性。”

  等离子体是物质的四个基本状态之一,但是与固体,液体和气体不同,等离子体通常不是日常生活的一部分,因为它们倾向于发生在非常炎热的地方,例如太阳,闪电或烛光。像那些热等离子体一样,基利安的等离子体是电子和离子的汤,但是它们通过激光冷却而变冷,这种技术是25年前开发的,用于捕获和减慢光的速度。

  基利安说,用于捕获等离子体的四极磁性装置是超冷装置的标准部分,他的实验室和其他实验室用来制造超冷等离子体。但是,发现如何用磁体捕获等离子体是一个棘手的问题,因为磁场对物理学家用来观察超冷等离子体的光学系统造成了严重破坏。

  他说:“我们的诊断是激光诱导的荧光,我们将激光束照射到等离子体中的离子上,如果光束的频率恰到好处,离子将非常有效地散射光子。” “您可以拍摄它们的照片并查看离子的位置,甚至可以通过观察多普勒频移来测量它们的速度,就像使用雷达枪来观察汽车行驶的速度一样。但是磁场实际上却在偏移在共振频率附近,我们必须解开我们感兴趣观察的多普勒频移所产生的频谱中的频移。”

  这极大地增加了实验的复杂性,并使事情变得更加复杂,整个等离子体中的磁场发生了巨大变化。

  “因此,我们不仅必须以相当复杂的方式处理磁场,而且还要处理空间变化的磁场,以便了解数据并弄清楚等离子体中正在发生的事情,”基利安说。“我们花了一年时间试图弄清楚一旦获得数据,我们将看到什么。”

  磁场还使实验中的等离子体行为更加复杂。这就是为什么诱集技术如此有用的原因。

  基利安说:“随着我们的血浆扩展到这些磁场线并开始感受到这些力并被困住,这有很多复杂性。” “这是一个非常普遍的现象,但是它非常复杂,我们需要真正理解。”

  自然界中的一个例子是太阳风,来自太阳的高能等离子体流(导致北极光)或北极光。当来自太阳风的等离子撞击地球时,它与我们星球的磁场相互作用,而这些相互作用的细节仍然不清楚。另一个例子是聚变能研究,物理学家和工程师希望在此重现太阳内部的条件,以创造大量的清洁能源。

  基利安说,他,戈尔曼和沃伦斯用来装瓶超冷等离子体的四极磁场装置类似于1960年代聚变能研究人员开发的设计。布拉德肖说,用于聚变的等离子体需要达到大约1.5亿摄氏度,并且以磁性方式包含它是一个挑战,部分原因是关于等离子体和磁场如何相互作用和相互影响的尚未回答的问题。

  布拉德肖说:“主要问题之一是保持磁场足够长的时间,足以实际抑制反应。” “一旦磁场中出现一小部分扰动,它就会增长并'pfft',核反应就被破坏了。

  他说:“要使其运转良好,就必须保持真正,非常稳定的状态。” “然后,再次在真正原始的实验室血浆中观察事物,可以帮助我们更好地理解粒子如何与磁场相互作用。”

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