कैलटेक के प्रोफेसर पॉल बेलन दो दशकों से प्लाज्मा जेट का अध्ययन कर रहे हैं, जिससे "ठंडे" प्लाज्मा में अप्रत्याशित व्यवहार का पता चला है। बेरन ने शुरू में इलेक्ट्रॉन त्वरण के लिए टकराव बचाव तंत्र सिद्धांत का प्रस्ताव रखा। बाद में उन्होंने सिमुलेशन के माध्यम से इस सिद्धांत को उलट दिया और पाया कि कुछ इलेक्ट्रॉन आयनों के करीब से गुजरने पर शायद ही कभी ऊर्जा खोते हैं, इस प्रकार एक्स-रे में तेजी और उत्पादन जारी रहता है। पारंपरिक प्लाज्मा सिद्धांतों को चुनौती देने वाले सौर ज्वालाओं और परमाणु संलयन प्रयोगों को समझने के लिए यह खोज बहुत महत्वपूर्ण है।
पॉल बेलन के नेतृत्व में कैलटेक प्लाज्मा जेट प्रयोग से नए इलेक्ट्रॉन व्यवहार का पता चलता है जो सौर फ्लेयर्स और परमाणु संलयन ऊर्जा को समझने में मदद कर सकता है।
लगभग 20 वर्षों से, एप्लाइड फिजिक्स के कैलटेक प्रोफेसर पॉल बेलन और उनकी शोध टीम चुंबकीय रूप से त्वरित प्लाज्मा, आयनों और इलेक्ट्रॉनों से बनी एक प्रवाहकीय गैस, के जेट बना रही है, जो एक व्यक्ति को रखने के लिए पर्याप्त बड़े वैक्यूम कक्ष में है। (नियॉन रोशनी और बिजली प्लाज्मा के रोजमर्रा के उदाहरण हैं)।
एक निर्वात कक्ष में, गैस के तारों को कई हजार वोल्ट के वोल्टेज द्वारा आयनित किया जाता है। फिर 100,000 एम्पीयर की धारा प्लाज्मा के माध्यम से प्रवाहित होती है, जिससे एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र बनता है जो प्लाज्मा को लगभग 10 मील प्रति सेकंड के जेट में आकार देता है। हाई-स्पीड रिकॉर्डिंग से पता चलता है कि जेट दसियों माइक्रोसेकंड के भीतर कई अलग-अलग चरणों से गुजरता है।
बेरन ने कहा, प्लाज़्मा जेट एक बढ़ती हुई छतरी की तरह दिखता है। एक बार जब इसकी लंबाई एक से दो फीट तक पहुंच जाती है, तो जेट एक अस्थिर चरण से गुजरता है, जिससे यह तेजी से फैलने वाले कॉर्कस्क्रू में बदल जाता है। यह तेज़ विस्तार एक और तेज़ अस्थिरता को जन्म देता है जो लहरें पैदा करता है। लहरें जेट के 100-किलोवाट करंट को रोक देती हैं, ठीक उसी तरह जैसे पानी के पाइप पर अपना अंगूठा रखने से प्रवाह रुक जाता है और एक दबाव प्रवणता बन जाती है जो इसे तेज कर देती है। जेट करंट एक विद्युत क्षेत्र बनाता है जो इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा तक त्वरित करने के लिए पर्याप्त मजबूत होता है।
प्लाज्मा व्यवहार की आश्चर्यजनक खोज
इन उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को पहले जेट प्रयोगों में उत्पादित एक्स-रे द्वारा पहचाना गया था, और उनकी उपस्थिति आश्चर्यजनक थी। ऐसा इसलिए है, क्योंकि पारंपरिक समझ के अनुसार, इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा में त्वरित करने के लिए उत्सर्जित प्लाज्मा बहुत ठंडा होता है। ध्यान दें कि "ठंडा" एक सापेक्ष शब्द है: जबकि यह प्लाज्मा लगभग 20,000 केल्विन (35,500 डिग्री फ़ारेनहाइट) है - आम तौर पर मनुष्यों द्वारा अनुभव की जाने वाली किसी भी चीज़ की तुलना में बहुत अधिक गर्म - यह सूर्य के कोरोना के तापमान के आसपास भी नहीं है, जो 1 मिलियन केल्विन (1.8 मिलियन डिग्री फ़ारेनहाइट) से अधिक है।
तो सवाल यह है कि 'हम एक्स-रे क्यों देखते हैं?'
ऐसा माना जाता है कि ठंडे प्लाज़्मा उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करने में असमर्थ होते हैं क्योंकि वे बहुत अधिक "संघर्षशील" होते हैं, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन किसी अन्य कण से टकराने से पहले बहुत दूर तक यात्रा नहीं कर सकते हैं। यह वैसा ही है जैसे कोई ड्राइवर राजमार्ग पर जाम के बीच दौड़ने की कोशिश कर रहा हो। एक ड्राइवर एक्सीलेटर दबा सकता है, लेकिन दूसरे वाहन से टकराने से पहले केवल कुछ फीट की दूरी तय करता है। ठंडे प्लाज्मा में, इलेक्ट्रॉन टकराने और धीमा होने से पहले सिर्फ एक माइक्रोन तक तेज होते हैं।
बेलैंड के समूह ने सबसे पहले जिस मॉडल से इस घटना को समझाने की कोशिश की, वह बताता है कि इलेक्ट्रॉनों का एक अंश अपनी उड़ान के पहले माइक्रोमीटर के दौरान अन्य कणों के साथ टकराव से बचने का प्रबंधन करता है। इस सिद्धांत के अनुसार, इलेक्ट्रॉनों को थोड़ी अधिक गति तक त्वरित किया जा सकता है, और एक बार त्वरित होने के बाद, वे किसी अन्य कण का सामना करने से पहले कुछ दूरी तय कर सकते हैं जिसके साथ वे टकरा सकते हैं। इनमें से कुछ अब तेज़ इलेक्ट्रॉन बदले में अस्थायी रूप से टकराव से बचेंगे, जिससे उन्हें उच्च गति तक पहुँचने की अनुमति मिलेगी ताकि वे आगे की यात्रा कर सकें, एक सकारात्मक फीडबैक लूप का निर्माण होगा जो भाग्यशाली कुछ इलेक्ट्रॉनों को आगे और तेज़ी से यात्रा करने, उच्च गति और उच्च ऊर्जा तक पहुँचने की अनुमति देगा।
जबकि सिद्धांत सम्मोहक था, बेरन ने कहा, यह गलत था: "लोगों को एहसास हुआ कि तर्क त्रुटिपूर्ण था क्योंकि इलेक्ट्रॉन टकराव वास्तव में टकराव या गैर-टकराव के बारे में नहीं थे। वे वास्तव में हर समय थोड़ा सा विचलन कर रहे थे। इसलिए इलेक्ट्रॉनों की कोई टक्कर या गैर-टकराव नहीं था।"
कंप्यूटर सिमुलेशन से नई अंतर्दृष्टि
हालाँकि, जेट प्रयोगों के ठंडे प्लाज्मा में उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं। इसका कारण जानने के लिए, बेरन ने एक कंप्यूटर कोड विकसित किया जो विद्युत क्षेत्र में लगातार एक-दूसरे को विक्षेपित करने वाले 5,000 इलेक्ट्रॉनों और 5,000 आयनों के व्यवहार की गणना करता है। यह पता लगाने के लिए कि कैसे कम संख्या में इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा तक पहुंचते हैं, उन्होंने मापदंडों में बदलाव किया और देखा कि इलेक्ट्रॉनों का व्यवहार कैसे बदल गया।
जब इलेक्ट्रॉनों को विद्युत क्षेत्र में त्वरित किया जाता है, तो वे आयनों के पास से गुजरते हैं लेकिन वास्तव में उन्हें कभी छूते नहीं हैं। कभी-कभी, एक इलेक्ट्रॉन एक आयन से गुजरता है, ऊर्जा को आयन से जुड़े एक इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित करता है, और धीमा कर देता है, जिससे "उत्तेजित" आयन दृश्य प्रकाश उत्सर्जित करता है। चूँकि इलेक्ट्रॉन कभी-कभार ही इतने करीब से गुजरते हैं, वे आम तौर पर आयन को उत्तेजित किए बिना उससे थोड़ा दूर चले जाते हैं। अधिकांश इलेक्ट्रॉन समय-समय पर इस ऊर्जा रिसाव से पीड़ित होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे कभी भी उच्च ऊर्जा तक नहीं पहुंच पाते हैं।
जैसे ही बेलन ने अपने सिमुलेशन में बदलाव किया, कई उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन उभरे जो एक्स-रे उत्पन्न करने में सक्षम थे। उन्होंने आगे कहा: "कुछ भाग्यशाली इलेक्ट्रॉन कभी भी आयन को उत्तेजित करने के लिए उसके इतने करीब नहीं पहुंच पाते हैं, और वे कभी भी ऊर्जा नहीं खोते हैं। ये इलेक्ट्रॉन विद्युत क्षेत्र में लगातार त्वरित होते रहते हैं और अंततः एक्स-रे उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं।"
बेरन ने कहा, अगर यह व्यवहार कैल्टेक की प्रयोगशाला में प्लाज्मा जेट में देखा जाता है, तो इसे सौर फ्लेयर्स और खगोल भौतिकी सेटिंग्स में भी देखा जा सकता है। यह यह भी समझा सकता है कि अप्रत्याशित उच्च-ऊर्जा एक्स-रे कभी-कभी संलयन ऊर्जा प्रयोगों में क्यों दिखाई देते हैं।
उन्होंने कहा, "लंबे समय तक, लोगों ने कुछ ऐसा देखा जिसे वे उपयोगी फ़्यूज़न मानते थे। यह पता चला कि यह फ़्यूज़न था, लेकिन यह वास्तव में उपयोगी फ़्यूज़न नहीं था।" "यह अस्थिरता से उत्पन्न एक मजबूत क्षणिक विद्युत क्षेत्र था जिसने कुछ कणों को बहुत उच्च ऊर्जा तक त्वरित कर दिया था। यह समझा सकता है कि क्या हो रहा था। यह वह नहीं था जो लोग चाहते थे, लेकिन शायद यही हुआ था।"
कार्य का वर्णन करने वाला एक पेपर प्लाज़्मा फिजिक्स पत्रिका के 20 अक्टूबर के अंक में छपा है और 3 नवंबर को डेनवर, कोलोराडो में अमेरिकन फिजिकल सोसाइटी के प्लाज़्मा फिजिक्स डिवीजन की 65वीं वार्षिक बैठक में प्रस्तुत किया गया था।
संकलित स्रोत: ScitechDaily