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電漿所河森榮一郎教授團隊自行設計開發探針 成功量測並驗證電漿亂流現象

 
文/翁藍莉 圖/成大太空與電漿科學研究所提供
 
國立成功大學太空與電漿科學研究所教授兼任所長河森榮一郎,領導碩士生林彧廷,以自行設計開發可以量測離子迴旋速度分布函數的探針,成功在實驗室裡量測驗證電漿亂流現象,將有助於揭開長久以來在核融合、太空及天文研究探索的問題。本研究成果已經刊登在國際期刊 Nature 的子期刊 Communications Physics。完整研究報告
 
磁化電漿裡的電漿亂流現象
磁化電漿裡的電漿亂流現象是科學研究者長期投入探討但仍未解開的謎
 
宇宙中,99% 以上的已知物質是處於電漿狀態。因此,有關太空科學、天文物理和磁控核融合研究中常常觀察到的電漿亂流現象,例如太陽日冕、太陽風、吸積盤和磁控核融合電漿亂流加熱等,都是科學研究者長期投入探討但仍未解開的謎。
 
電漿亂流一般被認為是電漿中大尺度渦流分裂成小尺度渦流的過程。然而,因為太空電漿的巨大空間尺度與核融合電漿的極高溫度,要到太陽表面或極高溫度環境下直接量測非常困難。如果能在實驗室中先取得較多的電漿亂流資訊,對日後應用於核融合、太空及天文相關研究將有很大幫助。
 
成功大學太空與電漿科學研究所教授兼任所長河森榮一郎領導碩士生林彧廷,自行設計的探針,成功在實驗室裡量測驗證電漿亂流現象
成大太空與電漿科學研究所教授兼任所長河森榮一郎領導碩士生林彧廷,自行設計的探針,成功在實驗室裡量測驗證電漿亂流現象
 
成大電漿科學實驗室自 2013 年開始著手在實驗室中以探針測量電漿亂流的研究,經過多年的實驗、優化與改良,近日研究獲得了重要成果。河森榮一郎教授表示,傳統探針只能量測離子的平均速度,而且僅能提供單一位置的資訊,要得到離子速度分布,除了必須找到新的量測方式同時多點量測,還要避免干擾影響到測量準確性,如何克服這些問題都是挑戰。
 
自行設計開發的新型式探針,可以直接量測離子迴旋速度的分布函數-首先讓探針與真空腔中的電漿保持相同電位,再藉由軌道篩選不同速度離子,量測收集電流,進而得到離子速度與密度分布。為了改善探針訊號,除了透過隔離電流-電壓轉換電路和數據收集系統來消除探針固有電容訊號,也在探針外加裝不銹鋼網和鋁板消除高能電子訊號,再延長探針軌道長度來消除類自由離子訊號,終於成功在實驗室中量測磁化電漿中離子迴旋速度與密度分布。實驗結果驗證了在速度空間中的電漿亂流與傳統流體理論的大尺度渦流分裂成小尺度渦流過程類似。
 
成功大學太空與電漿科學研究所教授兼任所長河森榮一郎所主持電漿科學實驗室,是台灣唯一磁化電漿實驗室,擁有台灣首座磁控電漿實驗設備台灣首座磁控電漿實驗設備
成大太空與電漿科學研究所教授兼任所長河森榮一郎所主持電漿科學實驗室,是台灣唯一磁化電漿實驗室,擁有台灣首座磁控電漿實驗設備台灣首座磁控電漿實驗設備
 
成功大學太空與電漿科學研究所是台灣唯一以電漿科學做為基礎發展太空與核融合科學的研究所,發展各種電漿現象之量測實驗、理論和模擬等研究。河森榮一郎教授所主持電漿科學實驗室,更是台灣唯一的磁化電漿實驗室,擁有台灣首座磁控電漿實驗設備,投入研究基礎核融合電漿物理及前瞻的高度磁化電漿科學,包含在核融合、太空及天文中各種電漿所共有的波動、不穩定性、亂流和動能-磁能交換等現象。
 
探針量測原理及實驗量測到的離子速度與密度分布
探針量測原理及實驗量測到的離子速度與密度分布
 
實驗顯示速度空間中的電漿亂流與傳統流體理論大尺度渦流分裂成小尺度渦流過程類似
實驗顯示速度空間中的電漿亂流與傳統流體理論大尺度渦流分裂成小尺度渦流過程類似
 
 

維護單位: 新聞中心
更新日期: 2023-01-07
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