Хорошо, вот переведенная и переработанная статья:
Ученые впервые запечатлели “спагетти”-неустойчивость плазмы
Впервые ученые смогли “сфотографировать” редкое явление неустойчивости в плазме**, когда пучки высокоэнергетических электронов формируют структуры, похожие на спагетти. Недавнее исследование подробно описывает, как исследователи использовали мощный инфракрасный лазер. С его помощью вызвали так называемую филаментационную неустойчивость. Это явление имеет важные последствия для технологий будущего. Особенно для ускорителей частиц на основе плазмы и исследований в области термоядерного синтеза.
Визуализация неуловимой неустойчивости
Когда мощный лазерный импульс или пучок частиц проходит через плазму, он может генерировать собственный интенсивный пучок электронов. Теория предсказывала, что этот электронный пучок может распадаться на множество мелких пучков или филаментов. Это явление известно как филаментационная неустойчивость. Однако зафиксировать его было крайне сложно. Потому что процессы развиваются очень быстро (на фемтосекундных масштабах) и в микроскопических масштабах.
Команда исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) использовала уникальный метод. Они применили так называемую теневую фотографию (shadowgraphy). Эксперимент проводился на лазерной установке GALILEO. Мощный инфракрасный лазерный импульс фокусировался на гелиевом газе. Это создавало плазму и генерировало электронный пучок. Затем очень короткий пробный лазерный импульс пропускался через плазму перпендикулярно основному пучку. Электронные филаменты в плазме отбрасывали тени. Эти тени регистрировались камерой, создавая “фотографию” нестабильности.
“Возможность напрямую визуализировать эти филаменты — это как сделать первый снимок неуловимого существа”, — объясняет Чан Джоши, заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники UCLA. “Это прямое подтверждение существования филаментационной неустойчивости для релятивистского электронного пучка в плазме.”
Как работает филаментационная неустойчивость
Филаментационная неустойчивость возникает из-за взаимодействия между током электронного пучка и магнитными полями, которые он сам создает в плазме. Малейшие неоднородности в пучке или плазме могут усиливаться. Это приводит к тому, что пучок “сжимается” в отдельных местах, формируя плотные нити тока (филаменты). Эти филаменты разделены областями с меньшей плотностью тока.
Важно отличать эту неустойчивость от другой, известной как неустойчивость Вейбеля. Неустойчивость Вейбеля тоже приводит к образованию филаментов. Но она вызывается анизотропией температуры электронов в самой **плазме**, а не током внешнего пучка. Новые изображения помогли четко идентифицировать именно филаментационную неустойчивость. Наблюдаемые структуры соответствовали теоретическим предсказаниям для этого типа нестабильности.
Значение для науки и технологий
Понимание и контроль филаментационной неустойчивости имеют огромное значение для нескольких областей физики.
Во-первых, это важно для разработки плазменных кильватерных ускорителей (PWFA). Это перспективная технология для создания компактных и мощных ускорителей частиц. В PWFA электронный пучок, проходя через плазму, создает волну (кильватер), которая ускоряет другие частицы. Однако филаментационная неустойчивость может разрушать пучок. Это снижает эффективность ускорения. Новые данные помогут разработать способы подавления этой неустойчивости.
Во-вторых, результаты важны для инерциального термоядерного синтеза (ICF). В некоторых схемах ICF используются пучки электронов для быстрого нагрева термоядерного топлива. Филаментация может привести к неравномерному нагреву мишени. Это снижает шансы на запуск реакции синтеза. Понимание механизмов неустойчивости позволит оптимизировать процесс нагрева.
Кроме того, филаментационная неустойчивость может играть роль в астрофизических явлениях. Например, в релятивистских струях (джетах), выбрасываемых из активных ядер галактик и других космических объектов. Полученные изображения и данные помогут лучше моделировать эти процессы.
Будущие исследования
Полученные впервые изображения филаментации открывают новые возможности для исследований. Ученые планируют продолжить изучение динамики филаментов. Они будут варьировать параметры лазера и плазмы. Исследователи надеются научиться контролировать эту неустойчивость. Возможно, получится использовать ее для создания структурированных электронных пучков с новыми свойствами.
Эти результаты не только подтверждают десятилетия теоретической работы. Они также открывают новые пути для управления сложными взаимодействиями в **плазме**. А это важно для многих передовых технологий и фундаментальной науки.