Un solo pulso de rayos X capta estructuras del plasma de 10 a 500 nanómetros

Un solo pulso de rayos X y una sola cámara han captado cómo se desintegra un plasma de alta densidad de energía en escalas espaciales de 10 a 500 nanómetros, con una resolución temporal inferior a un picosegundo. El equipo internacional, dirigido por Masato Ota, del Instituto Nacional de Ciencia de la Fusión de Japón, comunicó el resultado el 16 de octubre en Communications Physics.

Según el grupo de investigación, es la primera vez que se miden simultáneamente estructuras en un rango de tamaños tan amplio con un solo pulso de rayos X y una sola cámara. Ota realizó el trabajo siendo estudiante de posgrado en la Universidad de Osaka, junto con Yoichi Sakawa, del Instituto de Ingeniería Láser de dicha universidad.

Por qué es difícil medir los plasmas

Comprender las inestabilidades y la turbulencia en los plasmas es un desafío clave en campos que van desde la fusión nuclear hasta la astrofísica y la física del plasma láser. En los plasmas, pequeñas perturbaciones pueden crecer debido a las inestabilidades, y la turbulencia transfiere energía entre estructuras de distintos tamaños. Esas estructuras, de las muy pequeñas a las grandes, influyen con fuerza en el movimiento global y en el flujo de energía del plasma.

Como las estructuras varían incluso con diferencias mínimas en las condiciones, es difícil reproducir el mismo estado en cada experimento. Esto crea la necesidad de «mediciones de un solo disparo multiescala espaciales» que capturen un amplio rango de tamaños en una sola medición. En los plasmas de alta densidad de energía, las inestabilidades crecen en un tiempo extremadamente corto, por lo que se requieren tanto una alta resolución temporal como una alta resolución espacial para captar sus etapas iniciales.

Un método de dispersión sin bloqueador de haz

El equipo combinó un nuevo «método de dispersión de rayos X de ángulo pequeño sin bloqueador de haz» con un láser de electrones libres de rayos X y un blanco formado por un conjunto de varillas microscópicas, sobre el que incidió un láser de femtosegundos de alta intensidad. En la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, el patrón de los rayos X dispersados en ángulos pequeños revela el tamaño de las estructuras de la muestra.

En la versión convencional, la parte central del haz queda tapada por un bloqueador de haz para proteger la cámara del intenso haz de rayos X, y solo se miden los patrones de difracción a su alrededor. Esto hace que sea fundamentalmente imposible obtener señales de la región de ángulos ultrapequeños oculta tras el bloqueador.

En el nuevo método se utilizó en su lugar un sistema de filtros de atenuación de luz formado por láminas metálicas apiladas, optimizadas en grosor, tamaño y forma. Amplió el rango de intensidades que puede medir una sola cámara de rayos X a más de 100 veces el de los métodos convencionales. De este modo, el intenso haz central se debilita hasta un nivel que la cámara puede manejar, de manera que las señales de un amplio rango de ángulos pueden registrarse a la vez.

Qué se midió

Con este enfoque, los investigadores midieron el colapso estructural y la rarefacción (adelgazamiento) del plasma en escalas espaciales de 10 nm a 500 nm, con una resolución temporal inferior al picosegundo. El experimento, que utilizó como blanco un conjunto de varillas microscópicas, fue una demostración del método de medición, y el título del artículo lo describe como una medición de la estructura multiescala del plasma de alta densidad de energía.

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