Medir pequenas populações de elétrons rápidos escondidas em um mar de elétrons "térmicos" mais frios em plasmas tokamak é muito desafiador. Porque? O desafio vem do sinal de elétron rápido sendo superado pelo sinal de elétron térmico na maioria dos diagnósticos. Físicos da Universidade da Califórnia-San Diego, com físicos do Oak Ridge National Lab e da General Atomics, conseguiram medir as populações de elétrons rápidos. Eles alcançaram esse resultado inédito ao ver o efeito dos elétrons rápidos na taxa de ablação de pequenos grânulos de argônio congelados.

Interrupções tokamak, grandes instabilidades que podem ocasionalmente encerrar toda a descarga de plasma, são uma das principais preocupações do conceito de tokamak para energia de fusão magnética. Essas interrupções podem formar grandes feixes de elétrons "descontrolados" que podem causar danos localizados inaceitavelmente grandes na parede do reator. Esses feixes de elétrons rápidos começam com pequenas e difíceis "sementes" de elétrons rápidos. As sementes se formam no início das rupturas. Observar essas sementes é um primeiro passo importante para prever e evitar danos rápidos de elétrons às paredes dos vasos durante as interrupções do tokamak.

As interrupções de tokamak são grandes instabilidades magneto-hidrodinâmicas (MHD) que podem ocorrer, por exemplo, se houver uma falha rara e imprevista no sistema de controle de posição do plasma que faça com que o plasma toque as paredes da câmara. Essas instabilidades causam a pulverização do material da parede onde o plasma toca a parede, e as impurezas resultantes entram no plasma, causando uma impureza "frente fria" que se move para o núcleo do plasma.

Nesta frente fria, as impurezas irradiam fortemente, causando uma queda rápida na temperatura do plasma. Se a queda for rápida o suficiente, pequenas sementes rápidas de elétrons podem se formar. Essas sementes podem acelerar para energias relativísticas (nível MeV +) e, em seguida, amplificar seus números pelo processo de avalanche (que também ocorre em relâmpagos, tubos fotomultiplicadores, etc.), eventualmente formando grandes feixes de elétrons rápidos. Medir as sementes de elétrons rápidos iniciais é importante para os tokamaks preverem se e quando grandes feixes de elétrons rápidos se formarão e como evitá-los.

Atualmente, as previsões são feitas usando duas fórmulas:a fórmula de Dreicer (que pressupõe temperatura constante) e a fórmula de cauda quente (que pressupõe uma queda muito rápida de temperatura). No tokamak DIII-D, os cientistas projetaram experimentos para formar interrupções intencionais, disparando pequenas pelotas de gelo de argônio congeladas em descargas de plasma. O plasma quente faz com que o vapor de argônio evapore da superfície da pelota, formando uma frente fria e disrupção.

A taxa na qual o argônio evapora (ablata) da superfície do pellet é muito sensível ao número de elétrons rápidos no plasma; por uma análise cuidadosa, foi possível separar as populações de elétrons térmicos e rápidos no plasma durante as rupturas intencionais. A equipe descobriu que as magnitudes da semente do elétron rápido eram cerca de 100 vezes menores do que o previsto pela fórmula da cauda quente, mas cerca de 100 vezes maior do que o previsto pela fórmula de Dreicer. Esses experimentos, Portanto, demonstrar claramente a necessidade de fórmulas ou simulações aprimoradas para prever sementes de elétrons rápidas durante interrupções.