Technika obracającej się ściany

Technika obracających się ścian ( technika RW ) to metoda kompresji jednoskładnikowej plazmy (zimnego, gęstego gazu naładowanych cząstek) zamkniętej w pułapce elektromagnetycznej. Jest to jedno z wielu zastosowań naukowych i technologicznych, które polegają na przechowywaniu naładowanych cząstek w próżni. Technika ta znalazła szerokie zastosowanie w poprawianiu jakości tych pułapek i dostosowywaniu plazmy zarówno pozytonowej , jak i antyprotonowej (tj. antycząstkowej ) do różnych zastosowań końcowych.

Przegląd

Plazmy jednoskładnikowe (SCP), które są rodzajem plazmy nieobojętnej , mają wiele zastosowań, w tym badanie różnych zjawisk fizyki plazmy oraz gromadzenie, przechowywanie i dostarczanie antycząstek. Zastosowania obejmują tworzenie i badanie antywodoru , wiązek do badania interakcji pozytonów ze zwykłą materią i tworzenia gęstych gazów z atomów pozytonu (Ps) oraz tworzenie wiązek atomów Ps. Technika „obrotowej ściany (RW)” wykorzystuje wirujące pola elektryczne do promieniowego kompresji SCP w pułapkach PM w celu zwiększenia gęstości plazmy i/lub przeciwdziałania tendencji plazmy do promieniowej dyfuzji z pułapki. Okazało się, że ma kluczowe znaczenie dla poprawy jakości, a tym samym użyteczności uwięzionej plazmy i wiązek opartych na pułapkach.

Zasady działania

W tym zastosowaniu plazma jest przechowywana w pułapce Penninga-Malmberga (PM) w jednolitym polu magnetycznym B . Chmura ładunku ma zwykle kształt cylindryczny, a wymiar wzdłuż B jest duży w porównaniu z promieniem. Ładunek ten wytwarza promieniowe pole elektryczne, które mogłoby wypychać plazmę na zewnątrz. Aby temu przeciwdziałać, plazma obraca się wokół osi symetrii, wytwarzając siłę Lorentza aby zrównoważyć to ze względu na pole elektryczne, a plazma przybiera postać wirującego naładowanego pręta. Taka zimna, jednoskładnikowa plazma w pułapkach PM może dojść do równowagi termicznej i obracać się jak sztywne ciało z częstotliwością

{\ Displaystyle f_ {E} = {\ Frac {\ operatorname {e} n} {\ operatorname {4 \ pi \ varepsilon _ {0}} B}}

,

gdzie n jest gęstością plazmy. Jak pokazano na ryc. 1, technika RW wykorzystuje azymutalnie segmentowaną cylindryczną elektrodę pokrywającą część plazmy. Do segmentów przykładane są fazowe, sinusoidalne napięcia o częstotliwości f _{RW .} Rezultatem jest wirujące pole elektryczne prostopadłe do osi symetrii plazmy. To pole indukuje elektryczny moment dipolowy w plazmie, a tym samym moment obrotowy. Rotacja pola w kierunku i szybciej niż naturalny obrót plazmy działa na szybsze wirowanie plazmy, zwiększając w ten sposób siłę Lorentza i powodując kompresję plazmy (patrz ryc. 2 i 3).

Ryc. 1. Aparatura do promieniowego sprężania plazmy elektronowej w pułapce Penninga-Malmberga przy użyciu techniki RW poprzez przyłożenie fazowych sinusoidalnych sygnałów elektrycznych do elektrody segmentowej (RW).

Ryc. 2. Kompresja radialna plazmy elektronowej w funkcji czasu przy włączonych polach RW przy t = 0. Zwróć uwagę na skalę logarytmiczną dla gęstości i płaskie profile gęstości, przed i po kompresji, które są charakterystyczne dla sztywnej rotacji plazmy.

Ważnym wymogiem kompresji plazmy techniką RW jest dobre sprzężenie plazmy z polem wirującym. Jest to konieczne, aby przezwyciężyć transport wywołany asymetrią , który działa jak opór na plazmę i ma tendencję do przeciwstawiania się momentowi obrotowemu RW. W przypadku wysokiej jakości pułapek PM z _transportem indukowanym małą asymetrią można uzyskać dostęp do tak zwanego „reżimu silnego napędu”. = fa _RW (por. ryc. 3). Okazało się to niezwykle przydatne jako sposób ustalenia gęstości plazmy po prostu przez dostosowanie f _RW .

Rys. 3. Gęstość plazmy pozytonowej w funkcji przyłożonej częstotliwości RW. Linia ciągła odpowiada f _E = f _RW , charakterystycznemu dla reżimu silnego napędu. W tym eksperymencie B = 0,04 T, a maksymalna osiągnięta gęstość wynosi 17% granicy gęstości Brillouina, która jest maksymalną możliwą gęstością dla SCP zamkniętego w polu o sile B.

Historia

Technika RW została po raz pierwszy opracowana przez Huanga i in. w celu kompresji namagnesowanej plazmy Mg ⁺ . Technika ta została wkrótce potem zastosowana do plazmy elektronowej, gdzie elektroda segmentowa, taka jak opisana powyżej, została użyta do sprzęgania się z falami (mody Trivelpiece-Goulda) w plazmie. Technika ta została również wykorzystana do zablokowania fazowego częstotliwości rotacji chłodzonych laserowo jednoskładnikowych kryształów jonowych. Pierwsze użycie techniki RW dla antymaterii zostało wykonane przy użyciu małych plazm pozytonowych bez sprzężenia z modami. Reżim silnego napędu, który został odkryty nieco później przy użyciu plazmy elektronowej, okazał się bardziej przydatny w tym, że dostrajanie (i śledzenie) trybów plazmy jest niepotrzebne. Opracowano pokrewną technikę kompresji jednoskładnikowych naładowanych gazów w pułapkach PM (tj. obłokach ładunku nie w reżimie plazmy).

Używa

Technika RW znalazła szerokie zastosowanie w manipulowaniu antycząstkami w pułapkach Penninga-Malmberga. Jednym z ważnych zastosowań jest tworzenie specjalnie dostosowanych wiązek antycząstek do eksperymentów fizyki atomowej. Często chciałoby się uzyskać wiązkę o dużej gęstości prądu. W tym przypadku przed porodem kompresuje się osocze techniką RW. Było to kluczowe w doświadczeniach dotyczących gęstych gazów atomów pozytonu (Ps) i tworzenia cząsteczki Ps ₂ (e ⁺ e ⁻ e ⁺ e ⁻ ) [5-7]. Było to również ważne w tworzeniu wysokiej jakości wiązek atomów Ps.

Technika RW jest wykorzystywana na trzy sposoby w tworzeniu niskoenergetycznego antywodoru atomy. Antyprotony są kompresowane promieniowo przez współczulną kompresję z elektronami współładowanymi w pułapce. Technika ta została również wykorzystana do ustalenia gęstości pozytonów przed połączeniem pozytonów i antyprotonów. Niedawno odkryto, że można ustawić wszystkie ważne parametry plazmy elektronowej i pozytonowej do produkcji antywodoru za pomocą RW, aby ustalić gęstość plazmy i chłodzenie wyparne w celu schłodzenia plazmy i ustalenia potencjału ładunku przestrzennego na osi. Rezultatem była znacznie zwiększona odtwarzalność produkcji przeciwwodoru. W szczególności technika ta, nazwana SDREVC (chłodzenie wyparne w reżimie silnego napędu), okazała się skuteczna do tego stopnia, że zwiększyła liczbę możliwych do uwięzienia przeciwwodorów o rząd wielkości. Jest to szczególnie ważne, ponieważ chociaż można wytworzyć duże ilości antywodoru, zdecydowana większość ma wysoką temperaturę i nie może zostać uwięziona na małej głębokości pułapek atomowych przy minimalnym polu magnetycznym.

Zobacz też