每個(gè)人都知道臺(tái)球比賽涉及球臺(tái)旁邊的球護(hù)理 - 但很少有人知道同樣的原則適用于聚變反應(yīng)。構(gòu)成等離子體的電子和原子核等帶電粒子如何與被稱為托卡馬克的環(huán)形裝置的壁相互作用，有助于確定聚變反應(yīng)的發(fā)生效率。具體地，在稱為二次電子發(fā)射(SEE)的現(xiàn)象中，電子撞擊壁的表面，導(dǎo)致其他電子發(fā)射。這些二次電子會(huì)冷卻等離子體的邊緣并抑制等離子體的整體性能。

美國(guó)能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的科學(xué)家們幾十年來(lái)一直在研究SEE，并在過(guò)去的一年中取得了重要進(jìn)展，進(jìn)一步加深了他們的理解。最近，兩位物理學(xué)家 - 加州大學(xué)洛杉磯分校的研究生Marlene Patino和新澤西學(xué)院的教授Angela Capece致力于研究SEE如何受到不同的影響墻體材料和結(jié)構(gòu)。

理解SEE是至關(guān)重要的，因?yàn)槎坞娮拥男袨榭赡軙?huì)影響未來(lái)融合機(jī)器的性能。“當(dāng)熱量損失變大時(shí)，融合機(jī)器的發(fā)電能力就會(huì)降低，”Capece說(shuō)。

在她的SEE研究中，Capece研究了電子如何與鋰相互作用，鋰是一種可以提高托卡馬克限制等離子體能力的壁材料。其他對(duì)鋰有興趣的科學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)建了模擬鋰與等離子體電子相互作用的計(jì)算機(jī)模型，但這些模型沒(méi)有考慮到鋰與等離子體中的其他微量元素如氧氣如何輕易地形成新的分子，如氧化鋰。這些新分子與電子的相互作用不同于純鋰。

具體地，當(dāng)電子撞擊托卡馬克墻上的氧化鋰時(shí)，與諸如鎢和碳的非鋰壁材料相比，更多的二次電子釋放到等離子體中。如果托卡馬克有一個(gè)由石墨制成的襯里，一個(gè)電子用一定量的能量撞擊它就可能產(chǎn)生一個(gè)二次電子。另一方面，如果具有相同能量的電子撞擊由氧化鋰制成的襯里，則可能產(chǎn)生一到三個(gè)二次電子。

這種差異至關(guān)重要。“當(dāng)將SEE納入聚變裝置的模型時(shí)，重要的是要考慮鋰的反應(yīng)性，并在托卡馬克環(huán)境中形成氧化鋰，”Capece說(shuō)。

Capece最終發(fā)現(xiàn)，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)鋰襯里中的氧含量上升時(shí)，電子更容易釋放二次電子。她的研究確切地量化了與壁中鋰結(jié)合的氧量如何改變可以進(jìn)入等離子體的二次電子的量。雖然增加的SEE產(chǎn)量可能會(huì)增加熱量損失，但等離子體邊緣的許多變量可能會(huì)改變這種影響。

Patino從不同的角度研究了SEE。她研究了被稱為“模糊”的微小結(jié)構(gòu)，當(dāng)它們被氦原子核轟擊時(shí)形成鎢襯里。她觀察到，與光滑的鎢相比，具有絨毛的鎢可以將SEE降低40%至60%。這些研究結(jié)果非常重要，因?yàn)檫^(guò)去研究人員的研究涉及制造微觀結(jié)構(gòu)，而在這項(xiàng)研究中，鎢絨毛自行生長(zhǎng)。此外，與制造的結(jié)構(gòu)不同，SEE的減少不依賴于電子接近壁的角度，這是因?yàn)槎坞娮颖荒：东@并且模糊中的纖維隨機(jī)分布。“

她的作品發(fā)表在2016年11月的“ 應(yīng)用物理快報(bào)”上。Capece's發(fā)表于2016年7月的同一期刊上。他們的研究由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室(Fusion Energy Sciences)資助。帕蒂諾的工作還得到了空軍科學(xué)研究辦公室(AFOSR)的資助。

SEE首先通過(guò)對(duì)等離子推進(jìn)器的實(shí)驗(yàn)和理論研究吸引了PPPL科學(xué)家的注意，等離子推進(jìn)器有朝一日能夠?qū)⒑教炱魍七M(jìn)遙遠(yuǎn)的宇宙物體。“PPPL研究人員提出了使用表面結(jié)構(gòu)材料(如碳絲絨)來(lái)抑制SEE從而改善等離子推進(jìn)器的性能和壽命的想法，”PPPL的主要研究物理學(xué)家和Patino的首席研究員Yevgeny Raitses說(shuō)。和Capece的項(xiàng)目。