Один рентгеновский импульс снял структуры плазмы от 10 до 500 нанометров
Одним рентгеновским импульсом и одной камерой удалось зафиксировать, как разрушается плазма высокой плотности энергии на пространственных масштабах от 10 до 500 нанометров с временным разрешением меньше пикосекунды. Международная группа под руководством Масато Оты из Национального института термоядерной науки Японии сообщила о результате 16 октября в журнале Communications Physics.
По данным исследователей, структуры в столь широком диапазоне размеров впервые измерены одновременно одним рентгеновским импульсом и одной камерой. Ота работал над этим, будучи аспирантом Университета Осаки, вместе с Ёити Сакавой из Института лазерной инженерии университета.
Почему плазму трудно измерять
Понимание неустойчивостей и турбулентности в плазме — ключевая задача в областях от термоядерного синтеза до астрофизики и физики лазерной плазмы. В плазме небольшие возмущения могут нарастать из-за неустойчивостей, а турбулентность переносит энергию между структурами разных размеров. Эти структуры — от очень малых до крупных — сильно влияют на общее движение и поток энергии плазмы.
Поскольку структуры меняются даже при небольших различиях в условиях, в каждом эксперименте трудно воспроизвести одно и то же состояние. Поэтому нужны «пространственно многомасштабные однократные измерения», которые захватывают широкий диапазон размеров за одно измерение. В плазме высокой плотности энергии неустойчивости нарастают за чрезвычайно короткое время, и чтобы поймать их начальные стадии, требуется и высокое временное, и высокое пространственное разрешение.
Рассеяние без бимстопа
Команда объединила новый «безбимстопный метод малоуглового рентгеновского рассеяния» с рентгеновским лазером на свободных электронах и мишенью из сборки микроскопических стержней, по которой бил мощный фемтосекундный лазер. В малоугловом рассеянии рентгеновских лучей картина лучей, рассеянных под малыми углами, показывает размеры структур в образце.
В обычном варианте центральную часть пучка закрывает бимстоп, чтобы защитить камеру от интенсивного рентгеновского пучка, и измеряют только картины дифракции вокруг него. Из-за этого принципиально невозможно получить сигнал из области сверхмалых углов, скрытой за бимстопом.
В новом методе вместо этого использовали систему светоослабляющих фильтров из сложенных металлических фольг, подобранных по толщине, размеру и форме. Она расширила диапазон интенсивностей, который может измерить одна рентгеновская камера, более чем в 100 раз по сравнению с обычными методами. Интенсивный центральный пучок ослабляется до уровня, с которым справляется камера, поэтому сигналы из широкого диапазона углов можно записать одновременно.
Что измерили
С помощью такого подхода исследователи измерили структурное разрушение и разрежение плазмы на пространственных масштабах от 10 до 500 нм с субпикосекундным временным разрешением. Эксперимент с мишенью из сборки микростержней стал демонстрацией метода измерения, а название статьи говорит об измерении многомасштабной структуры плазмы высокой плотности энергии.
Больше — в нашей научной рубрике.