Plasma lebih panas daripada yang diharapkan

Penyelidik menemui ciri-ciri yang tidak dijangka daripada plasmas nitrogen yang disebabkan oleh laser

Gambar Pembangunan Plasma © MPQ
membaca dengan kuat

Plasmas yang dijana oleh laser mempunyai banyak aplikasi dalam gabungan nuklear, pecutan zarah, dan dalam penjanaan x-ray atau attosecond denyut nadi ultraviolet. Untuk menetapkan sifat optimum untuk setiap tujuan, ia memerlukan pengetahuan yang tepat tentang evolusi sementara dalam keadaan ini. Penyelidik kini telah mengikuti dinamik plasma dalam masa nyata menggunakan teknik pertanyaan baru.

Sebagai ahli sains di sekitar Martin Centurion, Peter Reckenthäler dan Ernst Fill dari Max Planck Institute untuk Optik Kuantum dalam laporan Garching dalam jurnal Nature Photonics, ternyata bahawa melalui plasma yang disebut OFI (optik yang diinduksi) plasma bertentangan dengan jangkaan medan elektrik dan magnet yang tinggi dibina. Temuan ini boleh memberi impak besar kepada banyak aplikasi plasmas yang disebabkan oleh laser.

Plasma adalah keadaan yang panas dan padat di mana atom telah dibubarkan secara berkesan ke dalam konstituen mereka - teras dan elektron - supaya ion-ion yang dikenakan positif dan elektron bercas negatif bersampingan bersama. Mengikut teori-teori yang popular, bahagian dalam plasma adalah ruang bebas padang di mana caj elektrik diedarkan secara seragam. Hanya dalam dimensi yang paling kecil, panjang Debye yang dipanggil - kira-kira 0.1 mikrometer - ia mesti datang kepada turun naik caj elektrik.

Jet jet bombarded dengan laser denyutan

Namun, siasatan telah menunjukkan bahawa di tengah plasma OFI ternyata suatu kawasan yang dibebankan positif dibentuk, yang mengelilingi sebuah sumur di sepanjang panjang Debye yang menjangkau awan elektron. Untuk menjana plasma OFI, saintis membiarkan aliran nitrogen dari muncung. Mereka membombardir jet gas dengan intens, hanya 50 femtoseconds (fs, fs = 10 tinggi -15 saat) denyutan laser dari jarak spektrum yang kelihatan. Kekuatan medan yang tinggi dalam denyut nadi mengionkan atom dan membawa kepada pembentukan plasma di titik pusat laser.

Plasma gas ini kemudiannya dibombardir dengan tiga pulsa picosecond (ps) (satu ps = 10 tinggi -12 sec) daripada elektron yang mempunyai tenaga 20 kilo-elektron volt. Kadar pengulangan laser dan pulsa elektron adalah satu kHz (= 1, 000 denyutan sesaat). Setelah melalui plasma, rasuk elektron dengan diameter tiga milimeter dikesan pada pengesan. paparan

"Lubang" dalam rasuk elektron

Kesan plasma pada "pancutan siasatan" elektron dicerminkan dalam pengedarannya: Bagi plasma bebas padang, seseorang akan menjangkakan bahawa elektron menutupi pengesan secara sama rata dan hanya disekat oleh muncung gas. Walau bagaimanapun, eksperimen menunjukkan bahawa pengesan mempunyai corak yang menarik dan cepat berubah.

Untuk menjejaki perkembangan plasma dari masa ke masa, masa antara laser dan denyutan interogasi berubah-ubah. Gambar-gambar yang diperolehi pada jarak beberapa picosekond menunjukkan perkara berikut: pertama, selepas beberapa picosekonden, "lubang" dibuat di dalam rasuk elektron di rantau titik fokus laser. Elektron yang hilang jelas telah berpindah ke dua kawasan berbentuk lobus yang menyebarkan di sepanjang rasuk laser di setiap bahagian rantau plasma.

Perkembangan ini berlangsung selama kira-kira 80 pikon. Kemudian elektron soal siasat meningkatkan "tempat" yang terang di tengah, supaya ketumpatannya lebih besar di sini daripada di rasuk asli. Selepas kira-kira 300 piksel, corak ini secara beransur-ansur menjadi kabur.

Awan elektron panas

Para saintis mempunyai penjelasan berikut untuk pemerhatian ini: Tidak lama selepas penjanaan plasma oleh denyut laser, sebuah kawasan yang dibebankan positif terbentuk di tengah, dikelilingi oleh awan elektron panas. Hasil daripada pemisahan caj ini, medan elektrik dan magnet dihasilkan, yang membelokkan elektron "pancaran soal siasat" sedemikian rupa sehingga pengedaran yang diterangkan di atas hasilnya. Awan elektron melangkaui plasma asal, selepas 100 pikosekon radiusnya adalah kira-kira 1, 000 kali lebih besar daripada panjang Debye.

Di bawah keadaan ini, pancaran soal siasat kini memberi tumpuan kepada pusat pengesan, yang menerangkan rupa tempat terang. Simulasi berangka berdasarkan pada andaian ini memberikan gambaran yang baik dari data eksperimen dan membolehkan untuk mengira parameter seperti kekuatan lapangan, jumlah caj dan suhu elektron. Mereka menunjukkan bahawa pengagihan caj yang dijelaskan hanya boleh berlaku jika beberapa elektron plasma menjadi panas dan menjadi lebih panas daripada plasma itu sendiri.

Fahami fizik plasmas yang dihasilkan oleh laser dengan lebih baik

Salah satu proses yang boleh menyebabkan ini adalah kembalinya elektron berayun dengan nukleus atom. Teknik Deflectometry ™ yang ditunjukkan di sini dapat mengesan perubahan dalam evolusi plasma dalam beberapa picoseconds dengan resolusi spasial 30 mikron. Kepekaan tinggi mereka didasarkan pada fakta bahawa pergeseran kecil di dalam plasma kelihatan seperti gangguan dalam profil spatial rasuk elektron.

Menurut saintis, kaedah baru berpotensi untuk lebih memahami fizik plasmas yang dijana oleh laser dan untuk secara selektif meningkatkan pemecut elektron dan ion berasaskan plasma.

(idw - Institut Optik Kuantum Max Planck, 21.04.2008 - DLO)