Ein Röntgenpuls erfasst Plasmastrukturen von 10 bis 500 Nanometern
Ein einziger Röntgenpuls und eine einzige Kamera haben erfasst, wie ein Plasma mit hoher Energiedichte auf räumlichen Skalen von 10 bis 500 Nanometern zerfällt, und zwar mit einer Zeitauflösung unterhalb einer Pikosekunde. Das internationale Team unter Leitung von Masato Ota vom Nationalen Institut für Fusionswissenschaft in Japan berichtete am 16. Oktober in Communications Physics über das Ergebnis.
Nach Angaben der Forschungsgruppe wurden Strukturen in einem so weiten Größenbereich erstmals gleichzeitig mit einem einzigen Röntgenpuls und einer einzigen Kamera gemessen. Ota führte die Arbeit als Doktorand an der Universität Osaka durch, gemeinsam mit Yoichi Sakawa vom Institut für Lasertechnik der Universität.
Warum Plasmen schwer zu messen sind
Das Verständnis von Instabilitäten und Turbulenz in Plasmen ist eine zentrale Herausforderung in Feldern von der Kernfusion über die Astrophysik bis zur Laser-Plasma-Physik. In Plasmen können kleine Störungen aufgrund von Instabilitäten anwachsen, und Turbulenz überträgt Energie zwischen Strukturen unterschiedlicher Größe. Diese Strukturen, von sehr klein bis groß, beeinflussen die Gesamtbewegung und den Energiefluss des Plasmas stark.
Da sich die Strukturen schon bei geringen Unterschieden der Bedingungen verändern, ist es schwierig, in jedem Experiment denselben Zustand zu reproduzieren. Daher besteht ein Bedarf an „räumlich multiskaligen Einzelschussmessungen“, die in einer Messung einen weiten Größenbereich erfassen. In Plasmen mit hoher Energiedichte wachsen Instabilitäten in extrem kurzer Zeit an, sodass sowohl eine hohe zeitliche als auch eine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist, um ihre Anfangsstadien zu erfassen.
Eine Streumethode ohne Strahlfänger
Das Team kombinierte eine neu entwickelte „strahlfängerfreie Röntgen-Kleinwinkelstreumethode“ mit einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser und einem Target aus einer Anordnung mikroskopischer Stäbe, das von einem hochintensiven Femtosekundenlaser getroffen wurde. Bei der Röntgen-Kleinwinkelstreuung verrät das Muster der unter kleinen Winkeln gestreuten Röntgenstrahlen die Größe der Strukturen in der Probe.
In der herkömmlichen Variante wird der zentrale Teil des Strahls durch einen Strahlfänger abgeschirmt, um die Kamera vor dem intensiven Röntgenstrahl zu schützen, und es werden nur die Beugungsmuster um ihn herum gemessen. Dadurch ist es grundsätzlich unmöglich, Signale aus dem hinter dem Strahlfänger verborgenen Ultrakleinwinkelbereich zu erhalten.
Bei der neuen Methode wurde stattdessen ein Lichtabschwächungs-Filtersystem aus gestapelten Metallfolien verwendet, das in Dicke, Größe und Form optimiert war. Es erweiterte den Intensitätsbereich, den eine einzelne Röntgenkamera messen kann, auf mehr als das 100-Fache herkömmlicher Methoden. Der intensive zentrale Strahl wird so auf ein Niveau abgeschwächt, das die Kamera verarbeiten kann, sodass Signale aus einem weiten Winkelbereich gleichzeitig aufgezeichnet werden können.
Was gemessen wurde
Mit diesem Ansatz maßen die Forscher den strukturellen Zerfall und die Verdünnung (Ausdünnung) des Plasmas auf räumlichen Skalen von 10 nm bis 500 nm mit einer Zeitauflösung im Subpikosekundenbereich. Das Experiment, bei dem eine Anordnung mikroskopischer Stäbe als Target diente, war eine Demonstration der Messmethode, und der Titel der Veröffentlichung bezeichnet es als Messung der multiskaligen Struktur von Plasma mit hoher Energiedichte.
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