한 번의 X선 펄스로 10~500나노미터 플라스마 구조를 포착하다

X선 펄스 한 번과 카메라 한 대로 고에너지밀도 플라스마가 10~500나노미터의 공간 규모에서 어떻게 붕괴하는지를 1피코초 미만의 시간 분해능으로 포착했다. 일본 핵융합과학연구소의 오타 마사토(Masato Ota)가 이끄는 국제 연구팀은 10월 16일 Communications Physics에 이 결과를 보고했다.

연구팀에 따르면 이렇게 넓은 크기 범위의 구조를 X선 펄스 한 번과 카메라 한 대로 동시에 측정한 것은 이번이 처음이다. 오타는 오사카대학 대학원생 시절 이 연구를 수행했으며, 같은 대학 레이저공학연구소의 사카와 요이치(Yoichi Sakawa)와 함께했다.

플라스마를 측정하기 어려운 이유

플라스마의 불안정성과 난류를 이해하는 것은 핵융합에서 천체물리학, 레이저 플라스마 물리학에 이르는 분야의 핵심 과제다. 플라스마에서는 작은 교란이 불안정성 때문에 커질 수 있으며, 난류는 다양한 크기의 구조 사이에서 에너지를 전달한다. 매우 작은 것부터 큰 것까지 이러한 구조는 플라스마의 전체적인 운동과 에너지 흐름에 큰 영향을 미친다.

조건이 조금만 달라져도 구조가 변하기 때문에 매 실험마다 같은 상태를 재현하기 어렵다. 그래서 한 번의 측정으로 넓은 크기 범위를 포착하는 '공간 다중 규모 단일 샷 측정'이 필요하다. 고에너지밀도 플라스마에서는 불안정성이 극히 짧은 시간에 커지기 때문에 그 초기 단계를 포착하려면 높은 시간 분해능과 높은 공간 분해능이 모두 필요하다.

빔 스톱이 없는 산란 방식

연구팀은 새로 개발한 '빔 스톱 없는 X선 소각 산란 방식'을 X선 자유전자 레이저, 그리고 고강도 펨토초 레이저가 때리는 미세 막대 집합체 표적과 결합했다. X선 소각 산란에서는 작은 각도로 산란된 X선의 패턴이 시료 속 구조의 크기를 알려 준다.

기존 방식에서는 강한 X선 빔으로부터 카메라를 보호하기 위해 빔의 중앙 부분을 빔 스톱으로 가리고 그 주변의 회절 패턴만 측정한다. 이 때문에 빔 스톱 뒤에 가려진 초소각 영역의 신호는 근본적으로 얻을 수 없다.

새로운 방식에서는 두께, 크기, 모양을 최적화한 적층 금속 박막으로 만든 광 감쇠 필터 시스템을 대신 사용했다. 이를 통해 X선 카메라 한 대로 측정할 수 있는 강도 범위가 기존 방식의 100배 이상으로 넓어졌다. 강한 중앙 빔이 카메라가 감당할 수 있는 수준으로 약해지므로 넓은 각도 범위의 신호를 한꺼번에 기록할 수 있다.

측정한 내용

이 방식으로 연구자들은 10nm에서 500nm에 이르는 공간 규모에서 플라스마의 구조 붕괴와 희박화(엷어짐)를 1피코초 미만의 시간 분해능으로 측정했다. 미세 막대 집합체를 표적으로 사용한 이 실험은 측정 방법의 시연이었으며, 논문 제목은 이를 고에너지밀도 플라스마의 다중 규모 구조 측정이라고 표현한다.

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