作者:麻省理工学院保罗·瑞文伯格
这张图片显示了密集、湍流等离子体丝的电场散射，用白色圆圈表示
而在灯丝的左侧(上游)，波的轨迹不受干扰，在右侧，它由于散射而扭曲、破坏
理解这种散射将是设计未来射频天线的关键
功劳:菩提·比斯瓦斯 在寻求聚变能的过程中，了解射频(RF)波是如何在聚变炉的湍流内部传播(或“传播”)的，对于维持高效、持续运行的发电厂至关重要
射频波由磁约束聚变装置(称为托卡马克)中常见的环形真空室中的天线发射，加热等离子体燃料并驱动其电流在环形内部流动
这一过程的效率会受到腔室内条件如何改变(或“散射”)波的轨迹的影响
研究人员试图利用计算机模拟来研究这些射频过程，以匹配实验条件
一个好的匹配将验证计算机模型，并提高使用它探索新物理和设计未来高效射频天线的信心
虽然模拟可以精确计算射频波驱动的总电流量，但在预测该电流在等离子体中的确切位置方面做得很差
现在，在《等离子体物理杂志》发表的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员提出，用于这些模拟的射频波传播模型没有适当考虑这些波在遇到等离子体边缘密集的湍流细丝时的散射方式，这些细丝被称为“刮离层”(SOL)
菩提·比斯瓦斯是等离子体科学与融合中心(PSFC)的研究生，由高级研究科学家保罗·博诺利、工程学院杰出工程教授安妮·怀特和论文的主要作者、首席研究科学家阿比·拉姆指导
拉姆将这种情况下发生的散射比作水撞击睡莲叶子的波浪:“与睡莲叶子碰撞的波浪会激发第二次散射波，形成从植物向外传播的环形波纹
入射波将能量传递给散射波
这些能量中的一部分被向后反射(相对于入射波)，一部分向前传播，一部分被偏转到侧面
细节都取决于波浪、水和睡莲叶子的特殊属性
在我们的例子中，睡莲叶子是等离子体细丝
" 到目前为止，研究人员在模拟托卡马克内部的湍流时，还没有适当地考虑这些细丝及其引起的散射，这导致了对波散射的低估
Biswas使用来自PSFC托卡马克Alcator C-Mod的数据表明，使用模拟SOL湍流的RF波散射的新方法提供了与旧模型相当不同的结果，并且与实验更好地匹配
值得注意的是，对稳态托卡马克中驱动等离子体电流至关重要的“低混合”波谱似乎是不对称散射的，这是以前模型中没有考虑到的一个重要影响
比斯瓦斯的顾问保罗·博诺利非常熟悉传统的“光线追踪”模型，该模型通过将波的轨迹分成一系列光线来评估波的轨迹
几十年来，他在自己的研究中使用这一模型来理解等离子体行为，尽管它有局限性
博诺利说，他很高兴“菩提博士论文中的研究成果重新将注意力集中在边缘湍流对射频功率传播和吸收的深远影响上
" 虽然散射的射线追踪处理并不能完全捕捉所有的波物理，但是一个“全波”模型却非常昂贵
为了经济地解决这个问题，比斯瓦斯把他的分析分成两部分:(1)用射线追踪来模拟托卡马克中的波的轨迹，假设没有湍流，同时(2)用新的散射模型来修正这个射线轨迹，该模型考虑了湍流等离子体丝
比斯瓦斯说:“这个散射模型是一个全波模型，但是是在一个小区域内以简化的几何形状计算出来的，所以做起来非常快。”
“结果是射线追踪模型首次解释了全波散射物理
" Biswas指出，这种模型弥合了无法与实验匹配的简单散射模型和昂贵得令人望而却步的全波模型之间的差距，以低成本提供了合理的精度
“我们的结果表明散射是一个重要的影响，在设计未来的射频天线时必须考虑到这一点
我们散射模型的低成本使得这非常可行
" “这是令人兴奋的进展，”普林斯顿等离子体物理实验室的研究物理学家Syun'ichi Shiraiwa说
“我相信菩提的工作为我们所经历的漫长隧道的尽头提供了一条清晰的道路
他的工作不仅证明了波散射一旦被准确地解释，就可以解释实验结果，而且还回答了一个令人困惑的问题:为什么以前的散射模型是不完整的，以及它们的结果不令人满意
" 目前正在进行工作，将这一模型应用于更多来自Alcator C-Mod和其他托卡马克的等离子体
比斯瓦斯认为，这种新模型将特别适用于高密度托卡马克等离子体，因为标准的射线追踪模型明显不准确
他还对该模型能够通过DIII-D国家聚变设施验证感到兴奋，这是一项与PSFC合作的聚变实验
“DIII-D托卡马克将很快能够发射较低的混合波，并测量刮除层的电场
这些测量可以为我们模型预测的不对称散射效应提供直接证据
"
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