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连等离子体都跑不出去:新研究修复了“磁镜”中的裂缝!

2020-04-06  人老颠东

当环形电磁铁呈线性排列时,它们能产生类似于管子的磁场,两端各有一个圆锥体——这种结构能将进入其中一个圆锥体的带电粒子沿着它们靠近的路径击退。自20世纪50年代以来,这些被称为“磁镜”的装置被认为是一种相对简单限制等离子体的方法,但也被证明具有内在的泄漏性。西北师范大学段文山和中国科学院杨磊领导的物理学家,在EPJ D上发表的一项研究表明:

如果满足特定条件,这些等离子体泄漏可以被最小化。利用计算机模拟,物理学家们分析了磁镜内高能质子等离子体束的动态特性,并对模拟设置进行了微调,以最大限度地限制其约束。首先,段文山、杨磊和同事改变了“镜比”——镜比的定义是镜中最强磁场(在每个锥的顶端)除以最弱磁场(在管的表面)。发现,使用微调电磁铁结构可以实现更高的镜像比,这与更长的约束时间和更低的损耗率直接相关。

其次,还发现,等离子体束本身的初始条件,包括密度、温度、速度和轨迹,都有重要的影响。当这些特性都得到优化时,模拟高能光束在镜中以紧密的螺旋形运动,确保了最大的约束。其研究发现,可以解决数十年来等离子体约束时间短、磁镜损耗率高的问题。这将使它们成为吸引人的新粒子物理实验的理想材料,包括反氢原子和电子正电子等离子体的产生和限制,以及高能反质子的减速。

利用粒子胞内模拟方法,研究了磁镜中质子束的约束问题。同时定义了两个物理量来描述质子束镜的约束效应,一个是损失率,泄露粒子的数量,另一种是τm被约束时间,给出了磁镜和质子束参数对损耗率和约束时间的依赖关系。研究结果表明,反射镜比越大,损耗越小,约束时间越长。适当的质子束速度和质子其他参数可以显著提高镜面的约束时间和约束效率。

博科园|研究/来自:Springer

参考期刊《欧洲物理D》

DOI: 10.1140/epjd/e2019-90587-0

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