نبضة أشعة سينية واحدة تلتقط بنى البلازما من 10 إلى 500 نانومتر
التقطت نبضة أشعة سينية واحدة وكاميرا واحدة كيف تتفكك بلازما عالية كثافة الطاقة على مقاييس مكانية من 10 إلى 500 نانومتر، بدقة زمنية أقل من بيكوثانية. وأعلن الفريق الدولي بقيادة ماساتو أوتا من المعهد الوطني لعلوم الاندماج في اليابان عن النتيجة في 16 أكتوبر في مجلة Communications Physics.
ووفقًا للمجموعة البحثية، فهذه أول مرة تُقاس فيها بنى ضمن نطاق واسع كهذا من الأحجام في وقت واحد بنبضة أشعة سينية واحدة وكاميرا واحدة. وأنجز أوتا العمل حين كان طالب دراسات عليا في جامعة أوساكا، بالتعاون مع يويتشي ساكاوا من معهد هندسة الليزر في الجامعة.
لماذا يصعب قياس البلازما
يُعدّ فهم عدم الاستقرار والاضطراب في البلازما تحديًا رئيسيًا في مجالات تمتد من الاندماج النووي إلى الفيزياء الفلكية وفيزياء البلازما الليزرية. ففي البلازما يمكن للاضطرابات الطفيفة أن تنمو بسبب عدم الاستقرار، وينقل الاضطراب الطاقة بين بنى مختلفة الأحجام. وتؤثر هذه البنى، من الصغيرة جدًا إلى الكبيرة، تأثيرًا قويًا في الحركة العامة للبلازما وتدفق طاقتها.
ولأن البنى تتغير حتى مع أدنى اختلاف في الظروف، يصعب إعادة إنتاج الحالة نفسها في كل تجربة. وهذا يخلق حاجة إلى «قياسات متعددة المقاييس مكانيًا بلقطة واحدة» تلتقط نطاقًا واسعًا من الأحجام في قياس واحد. وفي البلازما عالية كثافة الطاقة ينمو عدم الاستقرار في زمن قصير للغاية، ولذلك يلزم توفر دقة زمنية ومكانية عاليتين لالتقاط مراحله الأولى.
طريقة تشتت بلا موقف للحزمة
جمع الفريق بين «طريقة تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة بلا موقف للحزمة» المطورة حديثًا وليزر الإلكترونات الحرة بالأشعة السينية وهدف مصنوع من تجميعة قضبان مجهرية، سُلّط عليه ليزر فيمتوثانية عالي الشدة. وفي تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة، يكشف نمط الأشعة السينية المتشتتة بزوايا صغيرة عن حجم البنى في العينة.
وفي النسخة التقليدية، يُحجب الجزء المركزي من الحزمة بموقف للحزمة لحماية الكاميرا من حزمة الأشعة السينية الشديدة، ولا تُقاس سوى أنماط الحيود المحيطة به. وهذا يجعل من المستحيل من حيث المبدأ الحصول على إشارات من منطقة الزوايا الصغيرة جدًا المخفية خلف موقف الحزمة.
وفي الطريقة الجديدة استُخدم بدلًا من ذلك نظام مرشحات لإضعاف الضوء مصنوع من رقائق معدنية مكدسة، جرى تحسينها من حيث السماكة والحجم والشكل. وقد وسّع هذا نطاق الشدة الذي تستطيع كاميرا أشعة سينية واحدة قياسه إلى أكثر من 100 ضعف ما تتيحه الطرق التقليدية. وهكذا تُضعَف الحزمة المركزية الشديدة إلى مستوى تستطيع الكاميرا التعامل معه، فيمكن تسجيل إشارات من نطاق واسع من الزوايا دفعة واحدة.
ما الذي قيس
وبهذا النهج قاس الباحثون الانهيار البنيوي للبلازما وتخلخلها (ترققها) على مقاييس مكانية من 10 نانومتر إلى 500 نانومتر، بدقة زمنية دون البيكوثانية. وكانت التجربة، التي استخدمت تجميعة قضبان مجهرية هدفًا، عرضًا توضيحيًا لطريقة القياس، ويصفها عنوان الورقة بأنها قياس للبنية متعددة المقاييس للبلازما عالية كثافة الطاقة.
المزيد في قسم العلوم لدينا.