Feixes de íons de alta energia - feixes de partículas atômicas semelhantes a laser disparados através de aceleradores - têm aplicações que vão desde a fusão por confinamento inercial até a produção de estados extremos superquentes da matéria que se acredita existirem no núcleo de planetas gigantes como Júpiter e que os pesquisadores estão ansiosos para estudar. Esses feixes de íons carregados positivamente devem ser neutralizados por elétrons carregados negativamente para mantê-los focalizados. Contudo, pesquisadores encontraram muitos obstáculos ao processo de neutralização.
Artigo de destaque
No Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), os cientistas descobriram um novo obstáculo surpreendente que reduz a neutralização dos pulsos do feixe de íons. As evidências, relatado na Física dos Plasmas e promovido como Artigo em Destaque, fornecer uma nova visão sobre a origem do problema e indicar como evitá-lo.
A descoberta propõe uma explicação para a baixa taxa de neutralização observada pela primeira vez em experimentos no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley em 2002. O problema permaneceu sem explicação antes do desenvolvimento de códigos capazes de simular os processos envolvidos.
Físico Chaohui Lan, um cientista visitante da Academia de Engenharia Física da China, descobriu a causa ao realizar simulações de computador da dinâmica do elétron com o físico do PPPL Igor Kaganovich, Chefe Adjunto do Departamento de Teoria e Computação do PPPL. Sua pesquisa em computadores da Universidade de Princeton explorou a injeção de elétrons de um filamento fino no pulso do feixe para neutralizá-lo para focalização e transporte eficazes. Os resultados mostraram que o processo reduziu a neutralização quando comparado com a passagem do feixe através do plasma - o estado carregado da matéria composta de íons livres e elétrons.
Ilhas carregadas
"Nessas simulações encontrei algo incomum, "disse Lan, autor principal do artigo de Física dos Plasmas, coautor de Kaganovich. "Eu as chamei de 'ilhas carregadas' que não podiam ser mais neutralizadas por elétrons injetados."
O que Lan descobriu foi a formação de "ondas eletrostáticas solitárias" (ESW), um tipo de onda excitada por elétrons estável que estudos anteriores de neutralização não relataram. Essas ondas podem atingir vários centímetros de comprimento e se mover para frente e para trás das bordas do pulso de feixe de íons, afetando o movimento do elétron e reduzindo a neutralização. As ondas interagem fracamente umas com as outras e, em alguns casos, interrompem e transmitem energia aos elétrons, fazendo com que escapem do feixe e reduzam ainda mais a neutralização.
Para minimizar o problema, as novas descobertas sugerem o alargamento do filamento que injeta os elétrons no feixe para melhorar a taxa de neutralização. "Isso amplia a distribuição de elétrons, "diz Kaganovich, "e diminui a excitação das ondas." Além disso, ele adiciona, o modelo desenvolvido no PPPL deve ajudar os pesquisadores a estudar e compreender os mecanismos por trás da excitação dessas ondas para auxiliar no seu controle.
