לאלף את הפלסמה
כיצד אפשר לחקור את התנאים השוררים בליבתו של ענן דחוס, טעון ולוהט? חוקרי מעבדת הפלסמה במכון ויצמן מפתחים שיטות המאפשרות לקבוע את הטמפרטורות של מרכיבים שונים בעומק הפלסמה, ברזלוציה שטרם הושגה
מה יקרה אם נמקד על מילימטר מרובע אחד של חומר את כל אור השמש שמגיע לכדור הארץ? נקבל חומר בעל צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד, המצוי במצב צבירה רביעי וקרוי פלסמה - ענן של חלקיקים נושאי מטען חשמלי.
סוגים שונים של פלסמה - הנבדלים זה מזה בהרכבם, בצפיפותם ובטמפרטורה שלהם - מרכיבים יותר מ-99% מהחומר הנראה ביקום.
כך, לדוגמה, ליבת השמש עשויה מפלסמה דחוסה מאוד, שהטמפרטורה שלה מגיעה לעשרה מיליון מעלות ויותר.
בתנאים אלה מתרחש תהליך של מיזוג גרעיני, שהוא מקור האנרגיה של השמש - ארבעה גרעיני מימן מתמזגים בתהליך מורכב לגרעין הליום אחד, תוך שהם פולטים כמות עצומה של אנרגיה: חישובים מראים, כי מיזוג גרם אחד של מימן מספק כמות האנרגיה המופקת משריפה של כעשר טונות נפט.
מדענים רבים במקומות שונים בעולם מנסים להבין לעומק את התכונות של הפלסמה, מתוך תקווה שידע כזה יסייע בעתיד, בין היתר, לפתח כורי מיזוג גרעיניים.
פלסמה מאולפת
כיצד מייצרים פלסמה "מאולפת" במעבדה? אפשרות אחת היא באמצעות העברת זרם חשמלי חזק (מעל מיליון אמפר) בזמן קצר מאוד - פחות ממיליונית השנייה. השדה המגנטי של הזרם דוחס את החומר הטעון, ובסופו של התהליך מתקבלת פלסמה צפופה וחמה. מערכת כזו נקראת Z-pinch.
אפשרות אחרת היא להשתמש במכשירי לייזר המייצרים אור חזק בפרק זמן קצר ועל פני שטח קטן של מיקרונים בודדים. החומר שמתקבל במערכת כזו הוא בעל תכונות שבין חומר מוצק חם לאלה של פלסמה חמה, ודומה בתכונותיו לזה שנמצא בליבות של כוכבי לכת ענקיים כמו צדק ושבתאי.
בשתי הדרכים מתקבלים ענני פלסמה צפופים ועתירי אנרגיה, הפולטים כמות רבה של אור. פליטת האור הזו פותחת פתח חשוב - ולמעשה יחיד - לחקור את תכונות הפלסמה בלי להשפיע ולהתערב בנעשה בתוכה, באמצעות שיטות ספקטרוסקופיות.
"הספקטרום הנפלט מהפלסמה מאפשר לקבל המון מידע: טמפרטורה, צפיפות, שדות חשמליים ומגנטיים, מהירות החלקיקים ועוד", מסביר העמית ד"ר יבגני סטמבולצ'יק, ממעבדת הפלסמה במחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע. המעבדה, בראשותו של פרופ' יצחק מרון, מתמקדת בספקטרוסקופיה של פלסמה בצפיפות ובאנרגיה גבוהות, ובפיתוח שיטות מידול לעיבוד הנתונים.
נכנסים למעבדה
לשם מחקרים אלה פיתחה מעבדת הפלסמה שיטות ייחודיות לאבחנת פרטים עדינים בספקטרום, כולל שינויים המתחוללים בפרקי זמן קצרים מאלפית-מיליונית השנייה. בניגוד לפלסמות האסטרו-פיסיות, אשר קיימות זמן ארוך מאוד ולכן מגיעות בדרך כלל לשיווי משקל, לפלסמות הנוצרות במעבדה משך חיים קצר ביותר - אלפית מיליונית השנייה, במקרה הטוב, ועוד פחות מכך בפלסמות הנוצרות באמצעות לייזר.
תכונותיהן של פלסמות אלה אינן אחידות - דבר שמקשה על המדידות ועל ניתוח הנתונים. כך לדוגמה, טמפרטורת הפלסמה - שהיא אחד המדדים החשובים להבנתה - מורכבת למעשה מאוסף נתונים: מפרטורת היונים שונה מטמפרטורת האלקטרונים, ושתיהן שונות מטמפרטורת הקרינה, ומשתנות גם על פי מיקום החלקיקים ותנועתם.
במעבדת הפלסמה מפתחים שיטות המאפשרות להבחין בין תופעות כאלה, המבוססות על ספקטרום האור הנפלט מהפלסמה. שיטות אלה משמשות גם למדידה של תנאים קיצוניים בפלסמות, כמו, לדוגמה, שדות חשמליים של מיליארד וולט למטר, ושדות מגנטיים של מיליון גאוס.
אחד הקשיים הגדולים במחקר של פלסמות בצפיפות ובאנרגיה גבוהות הוא, שמרבית הקרינה שנפלטת מליבת הפלסמה נבלעת בתוכה - דבר שמונע את האפשרות ללמוד את התנאים השוררים בליבה.
באחרונה פיתחה מעבדת הפלסמה שיטות לקביעת הטמפרטורה במיקומים שונים בתוך הליבה ברמת רגישות שלא הושגה עד כה. השיטות מבוססות על כך שבפלסמות המיוצרות באמצעות לייזר מתרחש יינון מסוג מיוחד, שבו האלקטרונים נקרעים מהשכבות הפנימיות של האטומים, ולא מהשכבות החיצוניות.
בעקבות זאת, אלקטרונים מהשכבות החיצוניות "קופצים" פנימה כדי למלא את ה"חור", תוך שהם משחררים ספקטרום אופייני של אור, שהוא רגיש מאוד לטמפרטורה ואינו נבלע בפלסמה.
בעזרתו אפשר לקבוע - ברמת רזולוציה של עשרה מיקרונים - את הטמפרטורה של האלקטרונים ה"מרחפים" בפלסמה. הניסויים האלה נערכו בעזרת פולסים של לייזרים קצרים ביותר ורבי עוצמה, במעבדות מחקר בגרמניה ובצרפת, בהשתתפות העמית ד"ר אייל קרופ, אליו התלווה הטכנאי הראשי של הקבוצה, פסח מאירי. ניתוח הקווים הספקטראליים נעשה על-ידי ד"ר סטמבולצ'יק וד"ר ולדימיר ברנשטם במעבדת הפלסמה.
מאיצים חלקיקים
בימים אלה מנסים מדעני מעבדת הפלסמה לרתום שיטה המשמשת ליצירת פלסמה למטרה מפתיעה - מאיץ חלקיקים קומפקטי. הרעיון מבוסס על כך שכאשר ממקדים קרן לייזר על פלסמה בעלת תכונות מסוימות, נוצר שדה חשמלי חזק אשר נע כמעט במהירות האור, ו"סוחב" אתו את האלקטרונים.
למעשה, זהו מאיץ חלקיקים, אולם בעוד המאיצים הקיימים כיום משתרעים על שטח של עשרות קילומטרים, גודלו של מכשיר כזה לא יעלה על עשרות מטרים.
מספר קבוצות מחקר בעולם מנסות לבצע זאת באמצעות פלסמה המיוצרת בתוך מערכת של צינוריות עדינות, אולם זו אינה ניתנת לשימוש חוזר ממושך. מעבדת הפלסמה במכון משתפת פעולה עם קבוצות מגרמניה במטרה לנסות ליישם שיטה שונה, בה אין הגבלה על מספר הניסויים החוזרים שאפשר לבצע.
בימים אלה, לאחר עבודה משותפת של תלמידי המחקר דימיטרי מיקיטצ'וק וכריסטין שטולברג, התקבלו הישגים ראשוניים בהכנת פלסמה אחידה באורכה ובעלת פרופיל צפיפות מיוחד. בהמשך, בשיתוף קבוצות בגרמניה ובצרפת, ינסו לייצר מאיץ חלקיקים ראשון מסוגו.
המאמר המלא התפרסם במגזין מכון ויצמן למדע.
לפנייה לכתב/ת 
