Один рентгенівський імпульс зафіксував структури плазми від 10 до 500 нанометрів
Одним рентгенівським імпульсом і однією камерою вдалося зафіксувати, як руйнується плазма високої густини енергії на просторових масштабах від 10 до 500 нанометрів із часовою роздільною здатністю менше за пікосекунду. Міжнародна група під керівництвом Масато Оти з Національного інституту термоядерної науки Японії повідомила про результат 16 жовтня в журналі Communications Physics.
За даними дослідників, структури в такому широкому діапазоні розмірів уперше виміряно одночасно одним рентгенівським імпульсом і однією камерою. Ота працював над цим, будучи аспірантом Університету Осаки, разом із Йоїті Сакавою з Інституту лазерної інженерії університету.
Чому плазму важко вимірювати
Розуміння нестійкостей і турбулентності в плазмі — ключове завдання в галузях від термоядерного синтезу до астрофізики та фізики лазерної плазми. У плазмі невеликі збурення можуть наростати через нестійкості, а турбулентність переносить енергію між структурами різних розмірів. Ці структури — від дуже малих до великих — сильно впливають на загальний рух і потік енергії плазми.
Оскільки структури змінюються навіть за невеликих відмінностей в умовах, в кожному експерименті важко відтворити один і той самий стан. Тому потрібні «просторово багатомасштабні одноразові вимірювання», які охоплюють широкий діапазон розмірів за одне вимірювання. У плазмі високої густини енергії нестійкості наростають за надзвичайно короткий час, і щоб упіймати їхні початкові стадії, потрібна і висока часова, і висока просторова роздільна здатність.
Розсіювання без бімстопа
Команда поєднала новий «безбімстоповий метод малокутового рентгенівського розсіювання» з рентгенівським лазером на вільних електронах і мішенню зі збірки мікроскопічних стрижнів, по якій бив потужний фемтосекундний лазер. У малокутовому розсіюванні рентгенівських променів картина променів, розсіяних під малими кутами, показує розміри структур у зразку.
У звичайному варіанті центральну частину пучка закриває бімстоп, щоб захистити камеру від інтенсивного рентгенівського пучка, і вимірюють лише картини дифракції навколо нього. Через це принципово неможливо отримати сигнал з області надмалих кутів, прихованої за бімстопом.
У новому методі натомість використали систему світлоослабних фільтрів зі складених металевих фольг, підібраних за товщиною, розміром і формою. Вона розширила діапазон інтенсивностей, який може виміряти одна рентгенівська камера, більш ніж у 100 разів порівняно зі звичайними методами. Інтенсивний центральний пучок послаблюється до рівня, з яким упорається камера, тому сигнали з широкого діапазону кутів можна записати одночасно.
Що виміряли
За допомогою такого підходу дослідники виміряли структурне руйнування та розрідження плазми на просторових масштабах від 10 до 500 нм із субпікосекундною часовою роздільною здатністю. Експеримент із мішенню зі збірки мікрострижнів став демонстрацією методу вимірювання, а назва статті говорить про вимірювання багатомасштабної структури плазми високої густини енергії.
Більше — у нашій науковій рубриці.