科学家们进一步了解导致融合装置热量损失的过程

每个人都知道台球比赛涉及球台旁边的球护理 - 但很少有人知道同样的原则适用于聚变反应。构成等离子体的电子和原子核等带电粒子如何与被称为托卡马克的环形装置的壁相互作用，有助于确定聚变反应的发生效率。具体地，在称为二次电子发射(SEE)的现象中，电子撞击壁的表面，导致其他电子发射。这些二次电子会冷却等离子体的边缘并抑制等离子体的整体性能。

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们几十年来一直在研究SEE，并在过去的一年中取得了重要进展，进一步加深了他们的理解。最近，两位物理学家 - 加州大学洛杉矶分校的研究生Marlene Patino和新泽西学院的教授Angela Capece致力于研究SEE如何受到不同的影响墙体材料和结构。

理解SEE是至关重要的，因为二次电子的行为可能会影响未来融合机器的性能。“当热量损失变大时，融合机器的发电能力就会降低，”Capece说。

在她的SEE研究中，Capece研究了电子如何与锂相互作用，锂是一种可以提高托卡马克限制等离子体能力的壁材料。其他对锂有兴趣的科学家已经创建了模拟锂与等离子体电子相互作用的计算机模型，但这些模型没有考虑到锂与等离子体中的其他微量元素如氧气如何轻易地形成新的分子，如氧化锂。这些新分子与电子的相互作用不同于纯锂。

具体地，当电子撞击托卡马克墙上的氧化锂时，与诸如钨和碳的非锂壁材料相比，更多的二次电子释放到等离子体中。如果托卡马克有一个由石墨制成的衬里，一个电子用一定量的能量撞击它就可能产生一个二次电子。另一方面，如果具有相同能量的电子撞击由氧化锂制成的衬里，则可能产生一到三个二次电子。

这种差异至关重要。“当将SEE纳入聚变装置的模型时，重要的是要考虑锂的反应性，并在托卡马克环境中形成氧化锂，”Capece说。

Capece最终发现，一般来说，当锂衬里中的氧含量上升时，电子更容易释放二次电子。她的研究确切地量化了与壁中锂结合的氧量如何改变可以进入等离子体的二次电子的量。虽然增加的SEE产量可能会增加热量损失，但等离子体边缘的许多变量可能会改变这种影响。

Patino从不同的角度研究了SEE。她研究了被称为“模糊”的微小结构，当它们被氦原子核轰击时形成钨衬里。她观察到，与光滑的钨相比，具有绒毛的钨可以将SEE降低40%至60%。这些研究结果非常重要，因为过去研究人员的研究涉及制造微观结构，而在这项研究中，钨绒毛自行生长。此外，与制造的结构不同，SEE的减少不依赖于电子接近壁的角度，这是因为二次电子被模糊捕获并且模糊中的纤维随机分布。“

她的作品发表在2016年11月的“ 应用物理快报”上。Capece's发表于2016年7月的同一期刊上。他们的研究由美国能源部科学办公室(Fusion Energy Sciences)资助。帕蒂诺的工作还得到了空军科学研究办公室(AFOSR)的资助。

SEE首先通过对等离子推进器的实验和理论研究吸引了PPPL科学家的注意，等离子推进器有朝一日能够将航天器推进遥远的宇宙物体。“PPPL研究人员提出了使用表面结构材料(如碳丝绒)来抑制SEE从而改善等离子推进器的性能和寿命的想法，”PPPL的主要研究物理学家和Patino的首席研究员Yevgeny Raitses说。和Capece的项目。