一次X射线脉冲捕捉10至500纳米的等离子体结构

一次X射线脉冲和一台相机，捕捉到了高能量密度等离子体在10至500纳米的空间尺度上如何崩解，时间分辨率低于一皮秒。由日本国家聚变科学研究所的太田雅人（Masato Ota）领导的国际团队于10月16日在Communications Physics上报告了这一成果。

据研究小组称，这是首次用一次X射线脉冲和一台相机同时测量如此大尺寸范围内的结构。太田在大阪大学读研究生期间完成了这项工作，合作者是该校激光工程研究所的坂和洋一（Yoichi Sakawa）。

为什么等离子体难以测量

理解等离子体中的不稳定性和湍流，是从核聚变到天体物理学和激光等离子体物理学等领域的关键挑战。在等离子体中，微小的扰动会因不稳定性而增长，而湍流在不同尺寸的结构之间传递能量。这些从极小到较大的结构，强烈影响着等离子体的整体运动和能量流动。

由于条件的细微差异也会使结构发生变化，很难在每次实验中重现相同的状态。这就产生了对“空间多尺度单发测量”的需求，即在一次测量中捕捉很大范围的尺寸。在高能量密度等离子体中，不稳定性在极短时间内增长，因此要捕捉其初始阶段，需要同时具备高时间分辨率和高空间分辨率。

无光束阻挡器的散射方法

研究团队将新开发的“无光束阻挡器X射线小角散射方法”与X射线自由电子激光器以及由微米级棒状结构组装而成的靶材相结合，并用高强度飞秒激光轰击该靶材。在X射线小角散射中，以小角度散射的X射线图样可以揭示样品中结构的尺寸。

在传统方法中，光束中心部分被光束阻挡器遮挡，以保护相机免受强X射线束的损伤，只测量其周围的衍射图样。这使得从隐藏在光束阻挡器后面的超小角区域获取信号从根本上变得不可能。

新方法改用由层叠金属箔构成的光衰减滤波系统，其厚度、尺寸和形状均经过优化。它将单台X射线相机可测量的强度范围扩大到传统方法的100倍以上。这样，强烈的中心光束被减弱到相机可以承受的水平，因此可以一次性记录来自很宽角度范围的信号。

测量了什么

利用这种方法，研究人员在10纳米至500纳米的空间尺度上，以亚皮秒的时间分辨率测量了等离子体的结构崩解和稀疏化（变稀薄）。该实验以微米级棒状组装体为靶材，是对测量方法的演示，论文标题称其为对高能量密度等离子体多尺度结构的测量。

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