近日，伦敦帝国理工学院的研究人员取得了一项重要突破，他们首次成功拍摄到罕见的等离子体不稳定性现象，捕捉到高能电子束形成意大利面条状细丝的画面。这一发现为等离子体粒子加速器和聚变能研究提供了重要见解。
等离子体是一种超热的带电粒子混合物，当粒子流发生变化时，会出现不稳定性，导致一些粒子聚集成细丝。这些细丝会产生磁场，进一步破坏等离子体的稳定性，这一过程可能会对聚变等应用产生负面影响。伦敦帝国理工学院和约翰亚当斯加速器科学研究所的研究员尼古拉斯·多佛博士表示，研究团队对不稳定性特别感兴趣，因为它们往往会扰乱应用，比如将能量注入等离子体以触发聚变。然而，要做到避免不稳定，首先需要深入了解它们。
为了研究这一现象，研究团队利用高强度红外激光产生并成像“类似韦贝尔电流”的不稳定性。实验过程中，他们将高强度激光发射到静止等离子体中，试图产生高能电子束。然而，光束并没有顺利通过，反而扰乱了等离子体，引发了波动，导致电子聚集成细丝。这一过程中，等离子体的稳定性被破坏，产生了磁场，形成了“滚雪球效应”。
尽管科学家早就推断出这种不稳定性，但直接观察它却是一项挑战。此次研究标志着科学家首次在实验室中成功捕捉到这种现象。研究团队由伦敦帝国理工学院约翰亚当斯加速器科学研究所、石溪大学和布鲁克海文国家实验室合作组成，他们使用了两台同步激光器，包括布鲁克海文加速器测试设施的高强度长波红外激光器和较短波长的光学探测激光器。红外激光用于产生电子束，而光学激光则用于捕捉不稳定性的图像。
值得注意的是，长波红外激光使研究人员能够控制等离子体中的能量沉积，这使得用可见激光探头进行观察成为可能。由于等离子体密度的原因，使用标准激光器通常很难做到这一点。此外，研究团队还通过调整气体靶产生的等离子体密度，研究了细丝尺寸如何变化，从而获得了前所未有的不稳定性特写图像。
多佛博士表示，这些照片的效果让他们非常惊讶，因为使用光学激光很难拍摄出等离子体的清晰照片。布鲁克海文加速器测试设施计划升级光学激光器，以便在更短的时间间隔内获得更清晰、更精确的图像，这将允许实时观察激光与等离子体的相互作用。
约翰·亚当斯研究所副主任Zulfikar Najmudin教授强调了这项研究的潜力，并指出在如此小的气体靶中达到10 MeV的能量水平在其他相互作用中几乎是闻所未闻的。这项研究的成果将对正在进行的核聚变研究产生重大影响，因为等离子体稳定性是维持核聚变反应和发电的最重要要求之一。目前，全球科学家正在努力增加等离子体稳定时间，以实现商业用途的核聚变。法国最近在WEST托卡马克反应堆中创造的22分钟的等离子体稳定时间保持了世界纪录，但科学家们仍在不断努力，希望在未来能够取得更大的突破。
