20年来，加州理工学院应用物理学教授保罗·贝兰(Paul Bellan)和他的团队一直在一个足够容纳一个人的真空室中制造磁加速等离子体射流。等离子体是一种由离子和电子组成的导电气体。(霓虹灯和闪电是等离子体的日常例子)。

在那个真空室里，一缕缕的气体被几千伏特的电压电离。然后10万安培的电流流过等离子体，产生强大的磁场，将等离子体塑造成每秒10英里的射流。高速记录显示，射流在几十微秒内经历了几个不同的阶段。

贝兰说，等离子体喷射看起来就像一把长伞。一旦长度达到一到两英尺，射流就会经历不稳定，导致它变成一个迅速膨胀的螺旋形螺旋。这种快速膨胀引发了一种不同的、更快的不稳定性，从而产生了涟漪。

贝兰说:“波纹阻塞了喷射的10千安培电流，就像把你的拇指放在水管上限制水流，并产生一个压力梯度来加速水流。”“阻断射流会产生一个强大的电场，足以将电子加速到高能量。”

这些高能电子之前在喷射实验中通过它们产生的x射线被识别出来，贝兰说它们的存在是一个惊喜。这是因为传统的理解认为，喷射等离子体太冷，电子无法加速到高能量。请注意，“冷”是一个相对的术语:尽管这种等离子体的温度约为20,000开尔文(35,500华氏度)——比人类通常遇到的任何温度都要高得多——但它远不及太阳日冕的温度，后者超过100万开尔文(180华氏度)。

“所以，问题是，‘为什么我们会看到x射线?’”他说。

冷等离子体被认为无法产生高能电子，因为它们太“碰撞”了，这意味着电子在与另一个粒子碰撞之前不能移动很远。这就像一个司机试图在高速公路上飙车一样。司机可能会踩油门，但在撞到另一辆车之前，他只会行驶几英尺。在冷等离子体的情况下，电子在碰撞和减速之前只会加速大约一微米。

贝兰小组首次尝试解释这一现象的模型表明，在第一个微米的移动过程中，部分电子设法避免与其他粒子碰撞。根据该理论，这允许电子加速到稍高的速度，一旦加速，它们可以在遇到另一个可能与它们相撞的粒子之前走得更远一点。

这些现在更快的电子中的一部分会再次避免碰撞一段时间，使它们达到更高的速度，这将使它们能够走得更远，形成一个正反馈循环，使少数幸运的电子能够走得更远更快，达到高速和高能量。

贝兰说，虽然这个理论很有说服力，但它是错误的。

“人们意识到，这个论点有一个缺陷，”他说，“因为电子并没有真正碰撞到什么东西或不撞击到什么东西。它们实际上一直都有一点偏转。所以，不存在电子碰撞或不碰撞的问题。”

然而，高能电子确实出现在喷射实验的冷等离子体中。为了找出原因，贝兰开发了一种计算机代码，计算了5000个电子和5000个离子在电场中不断相互偏转的行为。为了弄清楚一些电子是如何达到高能量的，他调整了参数，观察电子的行为是如何变化的。

当电子在电场中加速时，它们经过离子附近，但从未真正接触到离子。偶尔，一个电子与一个离子擦身而过，它会将能量传递给附着在离子上的电子，从而减慢速度，此时被“激发”的离子发出可见光。因为电子只是偶尔如此近距离地通过，它们通常只是稍微偏离离子而不会激发它。这种偶然的能量泄漏发生在大多数电子中，这意味着它们永远不会达到高能量。

当贝兰调整他的模拟时，一些能够产生x射线的高能电子出现了。他补充说:“少数幸运的人从来没有足够接近离子来激发它，从来没有失去能量。”“这些电子在电场中不断加速，最终获得足够的能量来产生x射线。”

贝兰说，如果这种行为发生在加州理工学院实验室的等离子体喷射中，那么它也可能发生在太阳耀斑和天体物理情况中。这也可以解释为什么在聚变能实验中有时会看到意想不到的高能x射线。

他说:“在很长的历史中，人们看到了他们认为有用的融合。”“事实证明这是核聚变，但它并没有真正有用。它是由不稳定性产生的强瞬态电场，将一些粒子加速到极高的能量。这也许可以解释发生了什么。这不是人们想要的，但可能会发生。”

描述这项工作的论文，“在亚干燥器电场中离散电子和离子的二元相遇产生的高能电子尾”，发表在10月20日的《等离子体物理学》杂志上，并于11月3日在科罗拉多州丹佛市举行的第65届美国物理学会等离子体物理分会年会上发表。