Selama kira-kira 20 tahun, Profesor Fizik Gunaan Caltech Paul Bellan dan kumpulannya telah mencipta jet plasma dipercepatkan secara magnetik, gas pengalir elektrik yang terdiri daripada ion dan elektron, dalam ruang vakum yang cukup besar untuk menampung seseorang. (Tanda neon dan kilat adalah contoh plasma setiap hari).
Dalam kebuk vakum itu, ketulan gas diionkan oleh beberapa ribu volt. Kemudian 100,000 amp mengalir melalui plasma, menghasilkan medan magnet yang kuat yang membentuk plasma menjadi jet yang bergerak kira-kira 10 batu sesaat. Rakaman berkelajuan tinggi menunjukkan bahawa jet beralih melalui beberapa peringkat yang berbeza dalam beberapa puluh mikrosaat.
Bellan berkata jet plasma itu kelihatan seperti payung yang semakin panjang. Apabila panjangnya mencapai satu atau dua kaki, jet itu mengalami ketidakstabilan yang menyebabkan ia berubah menjadi corkscrew yang berkembang pesat. Pengembangan pesat ini mencetuskan ketidakstabilan yang berbeza dan lebih pantas yang menimbulkan riak.
“Riak menyekat arus elektrik 100 kiloamp jet, sama seperti meletakkan ibu jari anda di atas hos air menyekat aliran dan mencipta kecerunan tekanan yang mempercepatkan air,” kata Bellan. "Mencekik arus jet menghasilkan medan elektrik yang cukup kuat untuk mempercepatkan elektron kepada tenaga tinggi."
Elektron bertenaga tinggi itu sebelum ini dikenal pasti dalam eksperimen jet oleh sinar-X yang mereka hasilkan, dan Bellan berkata kehadiran mereka adalah satu kejutan. Itu kerana pemahaman konvensional mengatakan jet plasma terlalu sejuk untuk elektron untuk dipercepatkan kepada tenaga tinggi. Ambil perhatian bahawa "sejuk" ialah istilah relatif: Walaupun plasma ini mempunyai suhu kira-kira 20,000 Kelvin (35,500°F)—jauh lebih panas daripada apa-apa yang biasa ditemui manusia—ia tidaklah hampir sama dengan suhu korona matahari, iaitu lebih daripada 1 juta Kelvin (1.8 juta darjah F).
"Jadi, persoalannya ialah, 'Mengapa kita melihat sinar-X?'" katanya.
Plasma sejuk dianggap tidak mampu menghasilkan elektron bertenaga tinggi kerana ia terlalu "berlanggar," bermakna elektron tidak boleh bergerak jauh sebelum berlanggar dengan zarah lain. Ia seperti pemandu yang cuba menyeret perlumbaan melalui kesesakan lebuh raya. Pemandu mungkin melanggar pemecut tetapi akan bergerak hanya beberapa kaki sebelum merempuh kereta lain. Dalam kes plasma sejuk, elektron akan memecut hanya kira-kira satu mikron sebelum berlanggar dan perlahan.
Percubaan pertama kumpulan Bellan untuk menjelaskan fenomena ini ialah model yang menunjukkan bahawa beberapa pecahan elektron berjaya mengelak daripada berlanggar dengan zarah lain semasa mikron pertama perjalanan. Menurut teori, yang membolehkan elektron memecut ke halaju yang lebih tinggi sedikit, dan apabila berjalan lebih laju, mereka boleh bergerak lebih jauh sedikit sebelum bertemu dengan zarah lain yang mungkin berlanggar.
Sebilangan kecil daripada elektron yang kini lebih laju sekali lagi akan mengelakkan perlanggaran untuk seketika, membolehkan mereka mencapai kelajuan yang lebih tinggi, yang akan membolehkan mereka bergerak lebih jauh, mewujudkan gelung maklum balas positif yang membolehkan beberapa elektron bertuah pergi lebih jauh dan lebih pantas, mencapai kelajuan tinggi dan tenaga tinggi.
Tetapi walaupun memaksa, teori itu salah, kata Bellan.
"Telah disedari bahawa hujah ini mempunyai kelemahan," katanya, "kerana elektron tidak benar-benar berlanggar dalam erti kata memukul sesuatu atau tidak memukul sesuatu. Mereka semua sebenarnya melencong sedikit sepanjang masa. Jadi, tidak ada elektron yang berlanggar atau tidak berlanggar."
Namun, elektron bertenaga tinggi memang muncul dalam plasma sejuk eksperimen jet. Untuk mengetahui sebabnya, Bellan membangunkan kod komputer yang mengira tindakan 5,000 elektron dan 5,000 ion secara berterusan memesongkan satu sama lain dalam medan elektrik. Untuk mengetahui bagaimana beberapa elektron berjaya mencapai tenaga tinggi, dia mengubahsuai parameter dan melihat bagaimana tingkah laku elektron berubah.
Apabila elektron memecut dalam medan elektrik, mereka melepasi ion berhampiran tetapi tidak pernah menyentuhnya. Kadangkala, elektron melepasi ion dengan sangat rapat sehingga ia memindahkan tenaga kepada elektron yang terikat pada ion dan menjadi perlahan, dengan ion yang kini "teruja" memancarkan cahaya yang boleh dilihat. Kerana elektron hanya sekali-sekala melepasi begitu rapat, mereka biasanya hanya terpesong sedikit daripada ion tanpa mengujakannya. Kebocoran tenaga sekali-sekala ini berlaku pada kebanyakan elektron, yang bermaksud mereka tidak pernah mencapai tenaga tinggi.
Apabila Bellan mengubah suai simulasinya, beberapa elektron bertenaga tinggi yang mampu mencipta sinar-X muncul. "Sebilangan kecil yang bertuah yang tidak pernah cukup dekat dengan ion untuk merangsangnya tidak pernah kehilangan tenaga," tambahnya. "Elektron ini terus dipercepatkan dalam medan elektrik dan akhirnya memperoleh tenaga yang mencukupi untuk menghasilkan sinar-X."
Bellan mengatakan bahawa jika tingkah laku ini berlaku dalam jet plasma dalam makmal Caltechnya, ia mungkin berlaku dalam suar suria dan situasi astrofizik juga. Ini juga mungkin menjelaskan mengapa sinar-X bertenaga tinggi yang tidak dijangka kadang-kadang dilihat semasa eksperimen tenaga gabungan.
"Terdapat sejarah panjang orang melihat perkara yang mereka fikir adalah gabungan yang berguna," katanya. “Ternyata ia adalah gabungan, tetapi ia tidak begitu berguna. Ia adalah medan elektrik sementara yang sengit yang dihasilkan oleh ketidakstabilan yang mempercepatkan beberapa zarah kepada tenaga yang sangat tinggi. Ini mungkin menjelaskan apa yang sedang berlaku. Bukan itu yang orang mahukan, tetapi mungkin itulah yang berlaku.”
Kertas kerja yang menerangkan kerja, "Penghasilan ekor elektron bertenaga daripada pertemuan binari elektron dan ion diskret dalam medan elektrik sub-Dreicer," diterbitkan dalam edisi 20 Oktober Fizik Plasmas dan telah dibentangkan pada 3 November di Mesyuarat Tahunan Ke-65 Bahagian Persatuan Fizikal Amerika bagi Fizik Plasma di Denver, Colorado.