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等離子體可以被磁場約束嗎

密歇根大學領導的研究表明，對等離子體的磁壓縮進行新的改造可以改善材料科學，核聚變研究，X射線産生和實驗室天體物理學。

研究表明，彈簧形磁場減少了在磁力線之間滑出的等離子量。

等離子體被稱為物質的第四态，是一種非常熱的氣體，其電子會脫離其原子。研究人員使用磁壓縮來研究極端等離子體狀态，在該狀态下密度足夠高，以至于量子力學效應變得重要。由于重力的壓縮，這種狀态自然發生在恒星和氣體巨型行星内部。

密西根州大學核工程與放射科學副教授賴安·麥克布賴德（Ryan McBride）領導的研究小組測試了通過向等離子圓柱體施加磁場來實現這種狀态的方法。當磁場在圓柱體的表面上發現細小的凹痕并切入其中時，這些圓柱體會以“香腸連接”的方式破裂。（技術術語為“香腸不穩定性”。）

麥克布賴德說：“這就像是要用手擠一根軟黃油。” “黃油在你的手指間擠出來。”

麥克布賴德類比中的黃油是血漿，手指是磁場線。他的小組正在尋找一種方法，以防止磁場深入圓柱體中的缺陷，而是使磁場更均勻地壓在圓柱體的外表面上。他們通過将磁場扭曲成螺旋形，即彈簧狀，并改變螺旋壓在等離子圓柱體上的角度來做到這一點。這使得磁場很難切入-磁場跨過許多草皮移動，而不是壓入任何一個草皮太長時間。

在這些實驗中測試的最扭曲的磁性結構将逃逸的等離子體觸手的長度減少了約70％。該研究是與桑迪亞國家實驗室和康奈爾大學等離子研究實驗室合作完成的。

該團隊通過改變超過100萬安培的電流流過壓縮裝置的方式來改變磁場的形狀。電流通常流過将被壓縮的中心圓柱體，然後通過圍繞中心圓柱體的直“返回電流”柱向下流動。這産生了圍繞中心圓柱體的圓柱磁場。為了将圓柱磁場轉換成螺旋線，研究小組扭曲了中心圓柱周圍的回流柱。中心圓柱體開始時是金屬箔，但是巨大的電流很快将金屬轉化為等離子體。他們在康奈爾光束研究加速器上進行了實驗。

該論文的第一作者，博士學位的保羅·坎貝爾說：“設計回流電流結構是一種有趣的平衡方法。” 密西根大學核工程和放射科學專業的學生。“我們不确定是否可以對這些結構進行機械加工，但幸運的是，金屬3D打印技術已經發展到足以使我們能夠進行印刷的程度了。”

坎貝爾解釋說，當結構扭曲得更多時，流過它們的電流就更少了，因此必須将色譜柱放置在離爆破等離子體更近的位置以進行補償。同時，他們需要結構上的空隙，以便他們可以了解内爆的情況。

為了複制恒星内部的條件，磁力壓縮是一種壓縮核聚變燃料（通常是氫的變體）的方法，以研究為恒星提供動力的過程。該技術還可以産生強大的X射線爆發，并模拟天體物理學現象，例如黑洞附近的等離子流。

關于該研究的論文“通過動态螺杆夾緊來穩定襯套内爆”已被《物理評論快報》接受。這項研究還将在2020年11月舉行的美國物理學會等離子體物理分會年會上的邀請演講中進行介紹。

該研究由美國國家科學基金會和能源部資助。所表達的觀點，發現，結論或建議僅為作者的觀點，不一定反映美國國家科學基金會或美國能源部的觀點。

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