Caltech 교수 Paul Bellan은 20년 동안 플라즈마 제트를 연구해 왔으며 "차가운" 플라즈마에서 예상치 못한 동작을 밝혀냈습니다. Beran은 처음에 전자 가속에 대한 충돌 회피 메커니즘 이론을 제안했습니다. 그는 나중에 시뮬레이션을 통해 이 이론을 뒤집었고 일부 전자는 이온 근처를 통과할 때 에너지를 거의 잃지 않고 계속해서 가속되어 X선을 생성한다는 사실을 발견했습니다. 이 발견은 태양 플레어와 핵융합 실험을 이해하고 전통적인 플라즈마 이론에 도전하는 데 큰 의미가 있습니다.

Paul Bellan이 이끄는 Caltech 플라즈마 제트 실험은 태양 플레어와 핵융합 에너지를 이해하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 전자 동작을 보여줍니다.

약 20년 동안 Caltech의 응용 물리학 교수인 Paul Bellan과 그의 연구팀은 사람을 수용할 수 있을 만큼 큰 진공 챔버에서 이온과 전자로 만들어진 전도성 가스인 자기 가속 플라즈마 제트를 만들어 왔습니다. (네온 불빛과 번개는 플라즈마의 일상적인 예입니다.)

진공 챔버에서는 가스 조각이 수천 볼트의 전압에 의해 이온화됩니다. 그런 다음 100,000A의 전류가 플라즈마를 통해 흐르면서 플라즈마를 초당 약 10마일의 제트로 형성하는 강력한 자기장을 생성합니다. 고속 기록에 따르면 제트는 수십 마이크로초 내에 여러 단계를 통과합니다.

플라즈마 제트는 점점 커지는 우산처럼 보인다고 Beran은 말했습니다. 길이가 1~2피트에 도달하면 제트는 불안정한 단계를 거쳐 빠르게 팽창하는 코르크 따개로 변합니다. 이러한 급속한 확장은 파문을 일으키는 또 다른 더 빠른 불안정성을 유발합니다. 잔물결은 제트의 100kW 전류를 질식시킵니다. 마치 엄지손가락을 송수관에 대면 흐름을 제한하고 속도를 높이는 압력 구배를 생성하는 것과 같습니다. 제트 전류는 전자를 높은 에너지로 가속할 수 있을 만큼 강한 전기장을 생성합니다.

플라즈마 거동의 놀라운 발견

이러한 고에너지 전자는 이전에 제트 실험에서 생성되는 X선으로 식별되었으며 그 출현은 놀라웠습니다. 이는 기존의 이해에 따르면 방출된 플라즈마가 너무 차가워서 전자가 높은 에너지로 가속되기 때문입니다. "차가움"은 상대적인 용어입니다. 이 플라즈마는 약 20,000켈빈(화씨 35,500도)으로 인간이 일반적으로 접하는 어떤 것보다 훨씬 뜨겁지만 100만 켈빈(화씨 180만도)이 넘는 태양 코로나 온도 근처에도 없습니다.

그래서 질문은 '우리는 왜 엑스레이를 보는가?'입니다.

저온 플라즈마는 너무 "충돌"하기 때문에 고에너지 전자를 생성할 수 없는 것으로 생각됩니다. 즉, 전자가 다른 입자와 충돌하기 전에는 멀리 이동할 수 없습니다. 이는 고속도로 정체를 뚫고 경주하려는 운전자와 같습니다. 운전자가 가속 페달을 세게 밟았지만 몇 피트만 이동하면 다른 차량과 충돌할 수 있습니다. 저온 플라즈마에서 전자는 충돌하여 속도가 느려지기 전에 단 1미크론만큼 가속됩니다.

Beland 그룹이 처음으로 이 현상을 설명하려고 시도한 모델은 전자의 일부가 비행의 첫 번째 마이크로미터 동안 다른 입자와의 충돌을 피할 수 있음을 시사합니다. 이 이론에 따르면 전자는 약간 더 높은 속도로 가속될 수 있으며, 일단 가속되면 충돌할 수 있는 다른 입자를 만나기 전에 일정 거리를 이동할 수 있습니다. 이제 더 빠른 전자 중 일부는 일시적으로 충돌을 피하여 더 높은 속도에 도달하여 더 멀리 이동할 수 있게 하고, 운이 좋은 소수의 전자가 더 멀리 더 빠르게 이동하여 고속 및 고에너지에 도달할 수 있도록 하는 포지티브 피드백 루프를 생성합니다.

Beran은 이론이 설득력이 있지만 그것은 틀렸다고 말했습니다. "전자 충돌은 실제로 충돌이나 비충돌에 관한 것이 아니기 때문에 사람들은 그 주장에 결함이 있다는 것을 깨달았습니다. 그들은 실제로 항상 조금씩 편향되었습니다. 따라서 전자의 충돌이나 비충돌은 없었습니다."

컴퓨터 시뮬레이션을 통한 새로운 통찰력

그러나 제트 실험의 저온 플라즈마에는 고에너지 전자가 나타납니다. 그 이유를 알아내기 위해 베란은 전기장에서 끊임없이 서로 편향되는 5,000개의 전자와 5,000개의 이온의 행동을 계산하는 컴퓨터 코드를 개발했습니다. 소수의 전자가 어떻게 높은 에너지에 도달하는지 알아내기 위해 그는 매개변수를 조정하고 전자의 행동이 어떻게 변하는지 관찰했습니다.

전자가 전기장에서 가속되면 이온 근처를 통과하지만 실제로는 닿지 않습니다. 때때로 전자는 이온을 통과하여 이온에 부착된 전자에 에너지를 전달하고 속도를 늦추어 "여기된" 이온이 가시광선을 방출하게 합니다. 전자는 가끔씩만 이렇게 가까이 지나기 때문에 일반적으로 이온을 자극하지 않고 이온에서 약간 멀어집니다. 대부분의 전자는 때때로 이러한 에너지 누출을 겪습니다. 즉, 결코 높은 에너지에 도달하지 못합니다.

Bellan이 시뮬레이션을 조정하면서 X선을 생성할 수 있는 수많은 고에너지 전자가 나타났습니다. 그는 "운이 좋은 소수의 전자는 이온을 자극할 만큼 이온에 가까이 접근하지 않으며 결코 에너지를 잃지 않습니다. 이러한 전자는 전기장에서 지속적으로 가속되어 결국 X선을 생성할 수 있는 충분한 에너지를 얻습니다."라고 덧붙였습니다.

Caltech 연구실의 플라즈마 제트에서 이러한 현상이 나타난다면 태양 플레어와 천체물리학 환경에서도 나타날 가능성이 높다고 Beran은 말했습니다. 이는 또한 핵융합 에너지 실험에서 예상치 못한 고에너지 X선이 때때로 나타나는 이유를 설명할 수도 있습니다.

"오랫동안 사람들은 유용한 핵융합이라고 생각하는 것을 보았습니다. 그것이 핵융합인 것으로 밝혀졌지만 실제로는 유용한 핵융합은 아니었습니다."라고 그는 말했습니다. "그것은 일부 입자를 매우 높은 에너지로 가속시키는 불안정성에 의해 생성된 강력한 일시적 전기장이었습니다. 그것은 무슨 일이 일어나고 있는지 설명할 수 있습니다. 그것은 사람들이 원했던 것이 아니었지만 아마도 일어난 일이었을 것입니다."

이 작업을 설명하는 논문은 Plasma Physics 저널의 10월 20일자 호에 게재되었으며, 11월 3일 콜로라도주 덴버에서 열린 미국 물리학회 플라즈마 물리학 부문의 제65차 연례 회의에서 발표되었습니다.

컴파일된 소스: ScitechDaily