在燃烧的等离子体中，保持对聚变产生的高能离子的约束是产生能量的关键。这些核聚变等离子体中存在大量电磁波，可以将高能离子挤出等离子体。这可以减少聚变反应产物对等离子体的加热，并结束等离子体的燃烧状态。DIII-D国家聚变设施的新观测结果为聚变等离子体中的高能离子提供了重要的洞察力，这对于聚变电厂的开发和空间等离子体的理解至关重要，并对卫星技术产生影响。
最近在 DIII-D 国家聚变设施进行的测量首次直接观测到了高能离子在托卡马克中的空间和能量移动。研究人员将这些测量结果与先进的电磁波计算机模型及其与高能离子的相互作用结合起来。这些结果加深了人们对聚变等离子体中等离子体波和高能离子之间相互作用的理解。
等离子体物理和聚变研究正从实验设施向示范电站设计迈进。为了使这一转变取得成功，研究人员需要精确的模拟和其他工具来预测电站设计的性能。目前的大多数设施都不能产生燃烧等离子体。不过，研究人员了解许多相关物理知识，并正在开发模拟工具，以重现观察到的实验行为。
目前的研究对 DIII-D 托卡马克中的高能离子流进行了新的测量。这将加速开发能解释所有相关波离子相互作用动力学的模型。加深理解后还可以应用相空间工程。研究人员可以利用这一过程，根据预测的波与离子之间的理想相互作用来设计新的聚变等离子体方案。值得注意的是，这些相互作用也会损害卫星，因此这项研究可能有助于提高卫星的可靠性。
DIII-D 等离子体中测量（左）和模拟（右）的高能离子流。从中性束的注入能量开始，注入离子由于与电磁波的相互作用而在空间和能量中移动。资料来源：X.D. Du，通用原子公司
DIII-D 国家聚变设施是能源部的一个用户设施，该设施的研究人员首次使用新诊断系统--成像中性粒子分析仪（INPA）进行测量，以观察托卡马克中的高能离子流。经过多年的构思、设计和建造，INPA 现在首次具备了观测这种行为的能力。
高能离子被中性束注入托卡马克后，与电磁等离子体波相互作用，在托卡马克中以能量和位置流动。模拟再现了观察到的行为，从而证明了第一原理模型在描述基础物理学方面的准确性。加深对这些波粒相互作用的理解，对于设计核聚变发电厂和理解外太空观测到的等离子体的行为都具有重要意义。
INPA 测量中性束注入的高能离子的能量，这些离子的能量大于从热等离子体核心到冷等离子体边缘的背景等离子体的能量。这些实验与先进的高性能计算模拟（模拟电磁波频谱以及与高能离子的相互作用）相结合，提供了对聚变等离子体中等离子体波和高能离子之间相互作用的最详细了解。
这种理解的加深也使研究人员能够应用相空间工程，即根据预测的波和离子之间的理想相互作用设计新的聚变等离子体方案。这些类型的相互作用发生在外层空间。例如，电磁离子回旋（EMIC）波会导致电子在空间和能量中流动。
在某些情况下，电子被加速，导致卫星出现故障。通过聚变等离子体研究加深对波-粒子共振相互作用过程的了解，有助于对外空等离子体进行模拟，从而提高未来卫星任务的可靠性。
编译来源：ScitechDaily