A vérplazma melegebb

A kutatók felfedezték a lézer által indukált nitrogénplazma váratlan tulajdonságait

Képek a plazmafejlődésről © MPQ
felolvasta

A lézer által generált plazmák számos alkalmazásban állnak a magfúzióban, a részecskegyorsításban, valamint a röntgen- vagy attoszekundumos ultraibolya impulzusok generálásában. Annak érdekében, hogy az egyes célokhoz optimális tulajdonságokat lehessen meghatározni, pontos ismereteket igényel ennek a feltételnek az időbeli alakulásáról. A kutatók most valós időben követik a plazma dinamikáját egy új lekérdezési módszer alkalmazásával.

Mint a Martin Centurion körüli tudósok, Peter Reckenthäler és Ernst Fill a Max Planck Kvantumoptikai Intézetből a Garchingban a Nature Photonics folyóiratban számoltak be, kiderült, hogy az úgynevezett OFI (optikai mezők által indukált) plazma a várakozásokkal ellentétes. magas elektromos és mágneses mezők épülnek fel. Ez a megállapítás nagy hatással lehet a lézer által indukált plazma sok alkalmazásra.

A plazma egy forró és sűrű anyagállapot, amelyben az atomok hatékonyan feloldódtak alkotóelemeikben - magokban és elektronokban - úgy, hogy a pozitívan töltött ionok és a negatívan töltött elektronok egymás mellett létezzenek. A népszerű elméletek szerint a plazma belseje egy mezőt nem igénylő tér, amelyben az elektromos töltések egyenletesen vannak elosztva. Csak a legkisebb méretekben, az úgynevezett Debye hosszúságon - körülbelül 0, 1 mikrométer - kell az elektromos töltések ingadozásainak következnie.

Lézerimpulzusokkal bombázott gázsugarat

A vizsgálatok azonban azt mutatták, hogy egy OFI plazma közepén nyilvánvalóan pozitív töltésű terület alakul ki, amely a Debye hosszúságán át egy olyan kútot vesz körül, amely eléri az elektronfelhőt. Az OFI plazma előállításához a tudósok hagyják, hogy a nitrogén folyjon egy fúvókából. Bombázzák ezt a gázsugarat intenzív, mindössze 50 femtosekundum (fs, fs = 10 magas -15 sec) lézeres impulzussal a látható spektrumtartománytól. Az impulzusokon belüli nagy térerősség ionizálja az atomokat, és plazmaképződéshez vezet a lézer fókuszpontjában.

Ezt a gázplazmát ezután három pikoszekundumos (ps) impulzussal (egy ps = 10 magas -12 másodperc) bombázzák az elektronok, amelyek energiája 20 kilo-elektron volt. A lézer és az elektron impulzusok ismétlődési sebessége egy kHz (= 1000 impulzus másodpercenként). A plazmán való áthaladás után a detektoron három milliméter átmérőjű elektronnyalábot detektálnak. kijelző

"Lyuk" az elektronnyalábban

A plazma hatása az elektronok "kihallgatási sugara" tükröződik az eloszlásukban: Egy mező nélküli plazma esetében feltételezhető, hogy az elektronok egyenletesen fedik le az érzékelőt, és csak a gázfúvóka blokkolja azokat. A kísérletek azonban azt mutatták, hogy a detektor érdekes, gyorsan változó mintázatú.

A plazma időbeli fejlődésének nyomon követése érdekében a lézer és a kihallgatási impulzus közötti idő változik. Az így kapott képek néhány pikosekundum távolságra a következőket mutatják: először, néhány pikoszekundum után egy "lyuk" jön létre az elektronnyalábban a lézer fókuszpontjának közelében. A hiányzó elektronok nyilvánvalóan két lebeny alakú régióba vándoroltak, amelyek a lézernyaláb mentén terjednek a plazma régió mindkét oldalán.

Ez a fejlődés mintegy 80 pikosekundumig tart. Ezután a kihallgató elektronok fényes "foltra" emelkednek a központban, így ezek sűrűsége itt még nagyobb, mint az eredeti fénysugárban. Körülbelül 300 pikoszekundum után ezek a minták fokozatosan elmosódnak.

Egy felhő forró elektronok

A tudósok a következő magyarázatot adják ezekre a megfigyelésekre: Röviddel a plazma generálása a lézerimpulzussal egy pozitív töltésű terület alakul ki a központban, meleg elektronfelhővel körülvéve. Ennek a töltés-elválasztásnak az eredményeként olyan elektromos és mágneses mezők jönnek létre, amelyek úgy alakítják el a "kihallgatási sugár" elektronjait, hogy a fent leírt eloszlás eredménye legyen. Az elektron felhő meghaladja az eredeti plazmát, 100 pikoszekundum után sugara mintegy 1000-szer nagyobb, mint a Debye hossza.

Ilyen körülmények között a kihallgatási fénysugár most az érzékelő közepére van összpontosítva, amely magyarázza a fényes folt megjelenését. Az ezen feltételezéseken alapuló numerikus szimulációk jól ábrázolják a kísérleti adatokat, és lehetővé teszik a paraméterek, például a térerősség, a teljes töltés és az elektronhőmérséklet kiszámítását. Megmutatják, hogy a leírt töltési eloszlások csak akkor fordulhatnak elő, ha a plazma elektronok egy része rendkívül felmelegszik, és sokkal melegebb lesz, mint maga a plazma.

Jobban megértsék a lézer által generált plazma fizikáját

Az egyik folyamat, amely ezt okozhatja, az oszcilláló elektronok visszatérése az atommagokkal. Az itt bemutatott ‚ Deflektrometria ”technika a plazma evolúciójában bekövetkező változásokat képes érzékelni néhány pikoszekundumon belül, 30 mikron térbeli felbontásával. Magas érzékenységük azon a tényen alapul, hogy a plazmán belüli kis töltéseltolódások az elektronnyaláb térbeli profiljának zavaraként észlelhetők.

A tudósok szerint az új módszer jobban megértheti a lézer által generált plazma fizikáját, és szelektíven javíthatja a plazma alapú elektron- és iongyorsítókat.

(idw - Max Planck Kvantumoptikai Intézet, 2008.04.21. - DLO)