Техника вращающейся стены - Rotating wall technique

В Техника вращающейся стены (или же RW техника) - это метод сжатия однокомпонентная плазма (холодный плотный газ заряженных частиц), заключенный в электромагнитную ловушку. Это одно из многих научных и технологических приложений, основанных на хранении заряженных частиц в вакууме. Этот метод нашел широкое применение в улучшении качества этих ловушек и в пошиве обоих позитрон и антипротон (т.е. античастичная) плазма для различных конечных целей.

Обзор

Однокомпонентная плазма (SCP), которая является разновидностью ненейтральная плазма, имеют множество применений, включая изучение различных явлений физики плазмы. [1] и для накопления, хранения и доставки античастиц. Приложения включают создание и изучение антиводород,[2][3][4] пучки для изучения взаимодействия позитронов с обычным веществом и создания плотных газов позитроний (Ps) атомы,[5][6][7] и создание пучков Ps-атомов.[8][9]Метод «вращающейся стенки (RW)» использует вращающиеся электрические поля для сжатия SCP в ловушках PM в радиальном направлении, чтобы увеличить плотность плазмы и / или противодействовать тенденции плазмы к радиальной диффузии из ловушки. Это оказалось решающим в повышении качества и, следовательно, полезности захваченной плазмы и пучков на основе ловушек.

Принцип работы

Для этого приложения плазма хранится в Ловушка Пеннинга – Мальмберга (ПМ)[1] в однородном магнитном поле, B. Облако зарядов обычно имеет цилиндрическую форму с размерами вдоль B большой по сравнению с радиусом. Этот заряд создает радиальное электрическое поле, которое стремится вытолкнуть плазму наружу. Чтобы противодействовать этому, плазма вращается вокруг оси симметрии, создавая Сила Лоренца чтобы уравновесить это из-за электрического поля, и плазма принимает форму вращающегося заряженного стержня. Такая холодная однокомпонентная плазма в ловушках PM может прийти в тепловое равновесие и вращаться как твердое тело с частотой

,

куда п - плотность плазмы.[10] Как показано на рис. 1, в методе RW используется азимутально сегментированный цилиндрический электрод, покрывающий часть плазмы. Фазовые синусоидальные напряжения на частоте fRW применяются к сегментам. В результате возникает вращающееся электрическое поле, перпендикулярное оси симметрии плазмы. Это поле индуцирует электрический дипольный момент в плазме и, следовательно, крутящий момент. Вращение поля в направлении и быстрее, чем естественное вращение плазмы, ускоряет вращение плазмы, тем самым увеличивая силу Лоренца и создавая сжатие плазмы (см. Рис. 2 и 3).[11]

Рис. 1. Устройство, используемое для радиального сжатия электронной плазмы в ловушке Пеннинга – Мальмберга с использованием метода RW путем подачи фазированных синусоидальных электрических сигналов на сегментированный (RW) электрод.
Рис. 2. Зависимость радиального сжатия электронной плазмы от времени с включенными полями RW при t = 0. Обратите внимание на логарифмический масштаб плотности и плоские профили плотности до и после сжатия, которые характерны для вращения жесткой плазмы.
Рис. 2. Зависимость радиального сжатия электронной плазмы от времени с включенными полями RW при t = 0. Обратите внимание на логарифмический масштаб плотности и плоские профили плотности до и после сжатия, которые характерны для вращения жесткой плазмы.

Важным требованием для сжатия плазмы методом RW является хорошая связь между плазмой и вращающимся полем. Это необходимо для преодоления транспорт, вызванный асимметрией который действует как сопротивление плазме и стремится противодействовать крутящему моменту RW. Для высококачественных ловушек ТЧ с незначительным переносом асимметрии можно использовать так называемый «режим сильного возбуждения».[11][12] В этом случае приложение вращающегося электрического поля с частотой приводит к тому, что плазма раскручивается до приложенной частоты, а именно fE = fRW (см. рис. 3). Это оказалось чрезвычайно полезным в качестве способа фиксировать плотность плазмы, просто регулируя fRW.

Рис. 3. Плотность позитронной плазмы в зависимости от частоты приложенного RW. Сплошная линия соответствует, характерному для режима сильного привода. Для этого эксперимента B = 0,04 Тл, а максимальная достигнутая плотность составляет 17% от предела плотности Бриллюэна, который является максимально возможной плотностью для SCP, заключенного в поле с напряженностью B.
Рис. 3. Плотность позитронной плазмы в зависимости от частоты приложенного RW. Сплошная линия соответствует fE = fRW, характерный для режима сильного привода. Для этого эксперимента B = 0,04 Тл, а максимальная достигнутая плотность составляет 17% от предела плотности Бриллюэна,[5] что является максимально возможной плотностью для SCP, заключенного в поле с напряженностью B.

История

Метод RW был впервые разработан Хуангом и др. Для сжатия намагниченного Mg+ плазма.[13] Вскоре после этого метод был применен к электронной плазме, где сегментированный электрод, такой как описанный выше, использовался для связи с волнами (модами Трайвелписа-Гулда) в плазме.[14] Этот метод также использовался для фазовой синхронизации частоты вращения однокомпонентных ионных кристаллов, охлаждаемых лазером.[15] Первое использование метода RW для антивещества было сделано с использованием небольшой позитронной плазмы без связи с модами.[16] Режим сильного возбуждения, обнаруженный несколько позже с помощью электронной плазмы,[17] оказался более полезным в том смысле, что настройка (и отслеживание) плазменных режимов не требуется. Соответствующий метод был разработан для сжатия однокомпонентных заряженных газов в ловушках PM (то есть облаков зарядов не в плазменном режиме).[18][19]

Использует

Метод RW нашел широкое применение при манипулировании античастицами в ловушках Пеннинга – Мальмберга. Одним из важных приложений является создание специально адаптированных пучков античастиц для экспериментов по атомной физике.[5] Часто требуется луч с большой плотностью тока. В этом случае перед доставкой плазму сжимают методом RW. Это имело решающее значение в экспериментах по изучению плотных газов атомов позитрония (Ps) и образования Ps2 молекула (е+е−е+е−) [5-7]. Это также сыграло важную роль в создании высококачественных пучков атомов Ps.[8][9]

Технология RW используется тремя способами при создании низкоэнергетических антиводород атомы. Антипротоны сжимаются в радиальном направлении за счет симпатического сжатия с электронами, загруженными вместе в ловушку. Этот метод также использовался для определения плотности позитронов до объединения позитронов и антипротонов.[2][3] Недавно было обнаружено, что можно установить все важные параметры электронной и позитронной плазмы для производства антиводорода, используя RW для фиксации плотности плазмы и испарительное охлаждение для охлаждения плазмы и фиксации потенциала пространственного заряда на оси. В результате значительно увеличилась воспроизводимость продукции антиводорода.[4] В частности, этот метод, получивший название SDREVC (режим испарительного охлаждения с сильным приводом),[20] оказался успешным до такой степени, что увеличил количество улавливаемого антиводорода на порядок. Это особенно важно в связи с тем, что, хотя могут быть произведены обильные количества антиводорода, подавляющее большинство находится при высокой температуре и не может быть захвачено в небольшой глубине ямы ловушек для атомов с минимальным магнитным полем.[21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Dubin, Daniel H.E .; О’Нил, Т. М. (1 января 1999 г.). «Захваченная ненейтральная плазма, жидкости и кристаллы (состояния теплового равновесия)». Обзоры современной физики. Американское физическое общество (APS). 71 (1): 87–172. Дои:10.1103 / revmodphys.71.87. ISSN  0034-6861.
  2. ^ а б Amoretti, M .; Amsler, C .; Бономи, G .; Bouchta, A .; Bowe, P .; и другие. (18.09.2002). «Производство и обнаружение холодных атомов антиводорода». Природа. Springer Nature. 419 (6906): 456–459. Дои:10.1038 / природа01096. ISSN  0028-0836. PMID  12368849. S2CID  4315273.
  3. ^ а б Gabrielse, G .; Bowden, N. S .; Oxley, P .; Speck, A .; Storry, C.H .; и другие. (2002-10-31). «Безфоновое наблюдение холодного антиводорода с анализом его состояний с помощью полевой ионизации» (PDF). Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 89 (21): 213401–213404. Дои:10.1103 / Physrevlett.89.213401. ISSN  0031-9007. PMID  12443407.
  4. ^ а б Ahmadi, M .; Alves, B. X. R .; Baker, C.J .; Bertsche, W .; Capra, A .; и другие. (2018-04-04). «Характеристика перехода 1S – 2S в антиводороде». Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 557 (7703): 71–75. Дои:10.1038 / s41586-018-0017-2. ISSN  0028-0836. ЧВК  6784861. PMID  29618820.
  5. ^ а б c Danielson, J. R .; Дубин, Д. Х. Э .; Greaves, R. G .; Сурко, С. М. (2015-03-17). «Плазма и ловушки для науки с позитронами». Обзоры современной физики. Американское физическое общество (APS). 87 (1): 247–306. Дои:10.1103 / revmodphys.87.247. ISSN  0034-6861.
  6. ^ Кэссиди, Д. Б.; Миллс, А. П. (2007). «Производство молекулярного позитрония». Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 449 (7159): 195–197. Дои:10.1038 / природа06094. ISSN  0028-0836. PMID  17851519. S2CID  11269624.
  7. ^ Кэссиди, Д. Б.; Hisakado, T. H .; Tom, H. W. K .; Миллс, А. П. (30 марта 2012 г.). «Оптическая спектроскопия молекулярного позитрония».. Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 108 (13): 133402–133405. Дои:10.1103 / Physrevlett.108.133402. ISSN  0031-9007. PMID  22540698.
  8. ^ а б Jones, A.C.L .; Moxom, J .; Rutbeck-Goldman, H.J .; Осорно, К. А .; Cecchini, G.G .; и другие. (2017-08-02). "Фокусировка ридберговского луча позитрония эллипсоидальным электростатическим зеркалом". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 119 (5): 053201. Дои:10.1103 / Physrevlett.119.053201. ISSN  0031-9007. PMID  28949762.
  9. ^ а б Michishio, K .; Chiari, L .; Tanaka, F .; Oshima, N .; Нагашима, Ю. (2019). «Высококачественная и регулируемая по энергии система пучка позитрония, использующая пучок позитронов на основе ловушки». Обзор научных инструментов. Издательство AIP. 90 (2): 023305. Дои:10.1063/1.5060619. ISSN  0034-6748. PMID  30831693.
  10. ^ О’Нил, Т. М .; Дрисколл, К. Ф. (1979). «Переход к тепловому равновесию чистой электронной плазмы». Физика жидкостей. Издательство AIP. 22 (2): 266–277. Дои:10.1063/1.862577. ISSN  0031-9171.
  11. ^ а б Danielson, J. R .; Сурко, С. М. (24 января 2005 г.). «Установившиеся состояния высокой плотности однокомпонентной плазмы со сбалансированным крутящим моментом». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 94 (3): 035001–035004. Дои:10.1103 / Physrevlett.94.035001. ISSN  0031-9007. PMID  15698274.
  12. ^ Danielson, J. R .; Сурко, С. М .; О’Нил, Т. М. (28 сентября 2007 г.). «Фиксированная точка высокой плотности для радиально сжатой однокомпонентной плазмы». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 99 (13): 135005. Дои:10.1103 / Physrevlett.99.135005. ISSN  0031-9007. PMID  17930602.
  13. ^ Хуанг, X.-P .; Anderegg, F .; Hollmann, E.M .; Driscoll, C.F .; О'Нил, Т. М. (1997). «Установившееся удержание не нейтральной плазмы вращающимися электрическими полями». Письма с физическими проверками. 78 (5): 875–878. Bibcode:1997PhRvL..78..875H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.78.875.
  14. ^ Ф. Андерегг, Э. М. Холлманн и К. Ф. Дрисколл, Ограничение вращающимся полем чистой электронной плазмы с использованием режимов Тройной Пазлы-Гулда, Phys. Rev. Lett. 81, 4875-4878 (1998).
  15. ^ Х. П. Хуанг, Дж. Дж. Боллинджер, Т. Б. Митчелл и В. М. Итано, Фазово-синхронизированное вращение кристаллизованной не нейтральной плазмы вращающимися электрическими полями, Phys. Rev. Lett. 80, 73-76 (1998).
  16. ^ Гривз Р., Сурко К. М. Радиальное сжатие и перенос позитронной плазмы внутрь с помощью вращающегося электрического поля // Физ. Мезомех. Plasmas 8, 1879–1885 (2001).
  17. ^ Дэниэлсон Дж., Сурко К. М., Радиальное сжатие и сбалансированные по крутящему моменту стационарные состояния однокомпонентной плазмы в ловушках Пеннинга – Мальмберга, Phys. Plasmas 13, 055706-055710 (2006).
  18. ^ Гривз Р., Моксом Дж. М. Сжатие захваченных позитронов в режиме одной частицы вращающимся электрическим полем // Phys. Plasmas 15, 072304 (2008).
  19. ^ К. А. Исаак, К. Дж. Бейкер, Т. Мортенсен, Д. П. v. D. Верф, М. Чарльтон, Сжатие позитронных облаков в режиме независимых частиц Phys. Rev. Lett. 107, 033201-033204 (2011).
  20. ^ М. Ахмади, Б. X. Р. Алвес, К. Дж. Бейкер, В. Берче, А. Капра, К. Каррут и др., Улучшенный контроль и воспроизводимость ненейтральной плазмы, Phys. Rev. Lett. 120, 025001 (2018).
  21. ^ К. Амоле, М. Д. Ашкезари, М. Бакеро-Руис, В. Берче, П. Д. Боу, Э. Батлер и др., Резонансные квантовые переходы в захваченных атомах антиводорода, Nature 483, 439-444 (2012).