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为极端等离子体压缩而扭曲磁场

密歇根大学领导的研究表明,等离子体磁压缩的新自旋可以改善材料科学、核聚变研究、x射线产生和实验室天体物理学。

研究表明,弹簧形状的磁场减少了在磁场线之间滑出的等离子体的数量。

等离子体被称为物质的第四种状态,它是一种热到电子可以脱离原子的气体。研究人员使用磁压缩来研究极端等离子体状态,其中密度足够高,量子力学效应变得重要。由于重力的压缩,这种状态在恒星和气体巨行星内部自然出现。

由密歇根大学核工程和放射科学副教授瑞安·麦克布莱德领导的研究小组,通过用磁场内爆等离子体圆柱体来测试达到这种状态的方法。当磁场在圆柱体表面发现微小的凹痕并切入它们时,这些圆柱体就有以“香肠连接”的方式破裂的倾向。(专业术语是“香肠不稳定性”。)

麦克布莱德说:“这就像用手捏一根软黄油棒。”“黄油在你手指间都压扁了。”

在麦克布莱德的比喻中,黄油就是等离子体,而手指就是磁场线。他的团队寻找了一种方法来阻止磁场进入圆柱体的缺陷,而是让磁场更均匀地挤压圆柱体的外表面。他们通过将磁场扭曲成弹簧状的螺旋,并改变螺旋压在等离子体圆柱上的角度来做到这一点。这使得磁场切割变得更加困难——磁场在许多凹地移动,而不是在任何一个凹地挤压太久。

在这些实验中测试的最扭曲的磁结构将逃逸的等离子触手的长度减少了约70%。这项研究是与桑迪亚国家实验室和康奈尔大学等离子体研究实验室合作完成的。

研究小组通过改变电流通过压缩装置的方式来改变磁场的形状,电流超过100万安培。电流通常通过被压缩的中央圆柱体向上流动,然后通过环绕中央圆柱体的“回流电流”柱向下流动。这就产生了一个圆柱形磁场,围绕着中心圆柱形。为了将圆柱形磁场转变成螺旋状,研究小组将回流电流圆柱绕在中心圆柱形周围。中间的圆柱体一开始是金属箔,但巨大的电流迅速将金属转变为等离子体。他们在康奈尔大学光束研究加速器上进行了实验。

“设计回流结构是一种有趣的平衡行为,”论文第一作者、密歇根大学核工程和辐射科学博士生保罗·坎贝尔(Paul Campbell)说。“我们甚至不确定我们是否能把这些结构加工成机器,但幸运的是,金属3d打印技术已经有了很大的进步,我们可以把它们打印出来。”

坎贝尔解释说,结构越扭曲,流过的电流就越少,因此柱子必须放置在离内爆等离子体更近的地方以进行补偿。与此同时,他们需要在结构上有间隙,这样他们就可以看到内爆发生了什么。

为了复制恒星内部的条件,磁压缩是一种压缩核聚变燃料(通常是氢的变体)的方法,以研究为恒星提供能量的过程。这项技术还可以产生强大的x射线爆发,并模拟天体物理现象,如黑洞附近的等离子体喷流。

这项研究的一篇论文,“通过动态螺旋箍缩稳定化衬管内爆”,已被《物理评论快报》接受。这项研究也将在2020年11月举行的美国物理学会等离子物理分会年会上被邀请发表演讲。

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