בטבע, נצפות לעתים קרובות תופעות שבהן תנודות מרובות מתרחשות באופן מצמוד. לדוגמה, ברעידות אדמה גדולות דווחו מקרים שלהן המתרחשים ברציפות באזורים סמוכים. כאשר מתרחשות תנודות מרובות בדרך זו, בהשוואה לתנודה בודדת, המשולבות משחררות יותר אנרגיה, מה שמוביל לתופעות בקנה מידה גדול יותר.
בפלזמות היתוך קיימות תנודות הנגרמות על ידי חלקיקים אנרגטיים וידועים כמדרדרות את הכליאה של חלקיקים אנרגטיים.
מצד שני, תנודות אלו צפויות למלא תפקיד בהעברת האנרגיה של החלקיקים האנרגטיים ליוני דלק היתוך לחימום. לפיכך, תנודות הנגרמות על ידי חלקיקים אנרגטיים הן נושא חשוב בחקר ההיתוך, וביניהן ראויות לציון תנודות המתרחשות בצורה משולבת מכיוון שהן יכולות להתפתח לתופעות בקנה מידה גדול.
במכשיר ASDEX Upgrade בגרמניה, נצפו שתי תנודות המתרחשות באופן משולב. למרות שהתנודות הללו יוחסו לחלקיקים אנרגטיים, המנגנון הבסיסי של הצימוד שלהם נותר לא ברור.
חוקרים מהמכון הלאומי למדעי היתוך (NIFS) וממכון מקס פלנק לפיזיקת פלזמה (IPP) שיתפו פעולה במחקר סימולציה כדי להבהיר את המנגנון הפיזיקלי שבאמצעותו שתי תנודות מתרחשות באופן מצמוד.
המחקר הואפורסםביומןדוחות מדעיים.
NIFS פיתחה קוד בשם "MEGA" כדי לדמות תנודות פלזמה הנגרמות על ידי חלקיקים אנרגטיים. זה נקרא "סימולציה היברידית" מכיוון שהיא מבצעת חישובים משולבים ובו-זמניים עבור חלקיקים ונוזל.
קוד MEGA הוחל על מכשירים ניסיוניים ביפן ומחוצה לה, כאשר יעילותו הוכחה באמצעות השוואה עם תוצאות ניסוי שונות.
הפעם, עוזר פרופסור האו וואנג מ-NIFS ואחרים ערכו סימולציה באמצעות MEGA במחשב-על והצליחו לשחזר את התופעה שנצפתה במכשיר ה-ASDEX-Upgrade, בה מתרחשות שתי תנודות באופן צמוד.
בסימולציה, התנודה הראשונה בתדר של 103 קילו-הרץ נגרמה בתחילה על ידי חלקיקים אנרגטיים, ולאחר מכן נוצרה תנודה שנייה בתדר של 51 קילו-הרץ, שהתפתחה לאמפליטודה גדולה יותר מהראשונה. תוצאת סימולציה זו תואמת את תוצאות הניסוי.
כדי להבין את מנגנון היצירה של התנודה השנייה, חוקרים חקרו את התפתחות הזמן של פונקציית ההפצה של חלקיקים אנרגטיים. זה מתאר כמה חלקיקים עם אילו מהירויות ואנרגיות קיימים בכל מיקום בפלזמה.
הצורה של פונקציית התפלגות זו יכולה להשפיע מאוד על התפתחות התנודות ולהפך, תנודות יכולות לעוות את פונקציית ההתפלגות.
עוזר פרופסור האו וואנג ומשתפי הפעולה שלו ביצעו ניתוח מפורט של תוצאות הסימולציה. הם מצאו שככל שהתנודה הראשונה גדלה, פונקציית ההפצה של חלקיקים אנרגטיים הייתה מעוותת משמעותית, ועיוות זה גרם להתרחשות התנודה השנייה. במילים אחרות, הם חשפו ששתי התנודות התרחשו בצורה משולבת באמצעות דפורמציה של פונקציית חלוקת החלקיקים האנרגטית.
גלה את החידושים האחרונים בתחום המדע, הטכנולוגיה והחלל עם מעל100,000 מנוייםשמסתמכים על Phys.org לתובנות יומיומיות.
הירשמו לשלנוניוזלטר בחינםולקבל עדכונים על פריצות דרך,
חידושים ומחקרים שחשובים -יומי או שבועי.
משמעות ועבודה עתידית
השגת אנרגיית היתוך דורשת חלקיקים אנרגטיים הנוצרים על ידי תגובות היתוך כדי לחמם פלזמה ולקיים תגובות אלו. למטרה זו, חיוני להגביל ביעילות את החלקיקים האנרגטיים הללו בתוך הפלזמה. תנודות משולבות עלולות להוביל לאובדן משמעותי של חלקיקים אנרגטיים.
על ידי ניצול הידע של המנגנון הפיזיקלי שהובהר במחקר זה, ניתן יהיה לתרום לפיתוח שיטות לדיכוי היצירה המשולבת של תנודות. יתר על כן, המנגנון הפיזי הזה עשוי לאפשר לנו ליצור את התנודה השנייה - שקשה לעורר ישירות - מהראשונה.
זה יכול לתרום לחימום יוני דלק. יתרה מכך, אפילו בפלזמות בחלל, למרות שסוגי הגלים שונים, נצפו תנודות משולבות הנגרמות על ידי חלקיקים אנרגטיים. שיטת הניתוח של פונקציית הפצת החלקיקים האנרגטית שפותחה במחקר זה צפויה להיות ישימה גם על פלזמות חלל.
בעתיד, החוקרים מתכננים לבצע סימולציות המחשבות הן חלקיקים אנרגטיים והן יוני דלק כדי לחקור את תפקידם של האחרונים ואת העברת האנרגיה אליהם בתנודות משולבות מונעות על ידי חלקיקים אנרגטיים.
מידע נוסף:
Hao Wang וחב', עירור לא ליניארי של מצב אקוסטי גיאודזי מונע על ידי חלקיקים אנרגטיים על ידי חפיפת תהודה עם חוסר יציבות Alfvén בשדרוג ASDEX,דוחות מדעיים(2025).DOI: 10.1038/s41598-024-82577-3
מסופק על ידי
המכונים הלאומיים למדעי הטבע
צִיטָטָה:
סימולציות מבהירות את המנגנון של תנודות פלזמה מצמודות (2025, 22 בינואר)