Великим прорывом какого-либо научного изыскания может быть не только открытие нового материала, создание нового аппарата или системы, но и изобретение нового метода, используемого в других исследованиях. Информация — это крайне ценный ресурс, особенно в исследованиях, которые требуют чрезвычайно сложной и точной настройки дорогостоящей аппаратуры, а окно наблюдения составляет всего несколько секунд, если не меньше. К примеру, исследования того, какими могут быть условия внутри звезд или газовых гигантов проводятся с помощью динамического ударного сжатия, управляемого многолучевыми наносекундными лазерами мощностью в несколько кДж (килоджоуль). Очевидно, что данные опыты крайне сложны, но проблема в том, что из-за низкой частоты повторения лазеров они еще и весьма ограничены. Ученые из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR от Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) разработали альтернативную методику, в основе которой лежат короткие лазерные импульсы и сверхтонкий медный провод. Как именно работает данная методики, что она позволяет измерять, и какое ее практическое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Динамическое ударное сжатие служит важнейшим инструментом для создания теплой и горячей плотной материи в экстремальных условиях, которые существуют во всей Вселенной, таких как внутренняя часть планет, сверхновых и астрофизических струй (или джетов). Для создания этих условий в лаборатории используется широкий спектр методов, таких как газовые пушки, импульсные системы питания и наносекундные высокоэнергетические лазерные импульсы. Обычно используются два типа геометрии ударных волн: плоские ударные волны, которые распространены в большинстве случаев, и сходящиеся ударные волны. Сходящиеся ударные волны особенно ценны, поскольку они доставляют энергию в небольшой объем, что приводит к сжатию материала до чрезвычайно высоких плотностей и давлений. Создание сходящихся ударных волн требует точной конструкции и оборудования, позволяющего осуществлять лазерное облучение несколькими пучками, такими как OMEGA, NIF или LMJ.
Рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL от X-ray Free Electron Lasers) предоставляют новую платформу для изучения физики сжатия и удара. Большое количество рентгеновских фотонов на импульс, низкая пропускная способность, короткая временная длительность импульса и высокая когерентность делают XFEL отличным инструментом для изучения сверхбыстрой структурной динамики с помощью комбинации методов: рентгеновская дифракция, малоугловое и широкоугловое рентгеновское рассеяние, фазово-контрастная визуализация, рентгеновская абсорбционная и эмиссионная спектроскопия и т. д. Сочетание пучков XFEL с мощными оптическими лазерными драйверами позволило проводить точные измерения экстремальных состояний вещества. Генерация состояний высокого давления на этих образцов была ограничена использованием высокоэнергетических (60 Дж) лазеров с длительностью импульса в несколько наносекунд. С помощью этих драйверов ученые смогли изучить уравнение состояния и фазовые переходы материалов, а также создать условия, относящиеся к мантии Земли и недрам больших планет. Однако покрытие фазового пространства ограничено диапазоном давления до нескольких Мбар из-за ограниченной энергии лазера.
С другой стороны, приборы в XFEL также оснащены лазерами с короткими импульсами, обеспечивающими энергию на уровне джоулей, длительность импульса составляет десятки фемтосекунд и достигающими интенсивности до 1020 Вт/см2 при фокусировке на образце. Взаимодействие таких лазеров с веществом генерирует взрывную волну после сильного локализованного нагрева в фокальном пятне лазера, а вторичное излучение, гетерогенно поглощаемое образцом, может вызывать гидродинамическое движение.
В то время как прошлые экспериментальные исследования были сосредоточены на разрежении после распространения ударной волны после взрывной, в данном друге ученые экспериментально показывают, что при облучении тонкой проволоки лазером с короткими импульсами выполняются условия, при которых на поверхности генерируется цилиндрический удар, распространяющийся к оси проволоки.
Подготовка к исследованию
Изображение №1
Эксперимент был проведен в стенах центра Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) с использованием лазера ReLaX в качестве релятивистского плазменного драйвера, работающего на приборе HED-HiBEF (схема эксперимента на 1a).
Лазер ReLaX использовался на уровне 100 ТВт, выдавая лазерные импульсы с энергией мишени 3 Дж и длительностью импульса полуширины (FWHM от full width at half maximum) менее 30 фс (фемтосекунд). Лазер был сфокусирован с использованием внеосевой параболы F/2 на размер пятна приблизительно 4 мкм FWHM, что привело к средней интенсивности 1020 Вт/см2. Рентгеновские лучи 8,2 кэВ, генерируемые ондулятором SASE2, использовались для освещения квадратной области (250 мкм2) вокруг фокального пятна ReLaX. Эта плоскость была отображена и увеличена составной рефракционной линзой, состоящей из 10 бериллиевых линз с фокусным расстоянием приблизительно 53 см, для рентгеновского детектора изображения, расположенного на расстоянии 3.3 м. Детектором был сцинтиллятор GAGG, изображение которого было получено камерой Andor Zyla CMOS через объектив ×7.5. Шаг пикселя детектора составляет 6.5 мкм, и после учета общего коэффициента увеличения это дает эквивалентный размер пикселя на мишени 150 нм/пиксель.
Основные экспериментальные результаты отображены на 1b, где видно фазово-контрастные изображения (PCI от Phase Contrast Images) проволоки для различных временных задержек в диапазоне от 100 пс (пикосекунд) до 1 нс (наносекунды) после лазерного облучения.
В данных PCI провода диаметром 25 мкм ориентированы вертикально, а оптический лазер распространяется с левой стороны и фокусируется на левом крае провода в вертикальном центре освещенной области. Помимо затухания и фазового контраста, создаваемых проводом, можно измерить эволюцию двух различных структур. В течение первых 300 пс наблюдается сферическая ударная волна, возникающая из объема фокусного пятна. Через 300 пс после лазерного облучения эта волна уже распространился по проволоке. В то же время можно проследить вторую почти цилиндрическую ударную волну, движущуюся радиально внутрь к оси проволоки, исходящую как от левого, так и от правого края проволоки. Скорость этой волны уменьшается с увеличением расстояния от фокуса ReLaX. Через 500–1000 пс можно увидеть схождение волны близко к оси проволоки. Одновременно с радиальным движением внутрь наблюдается радиальное расширение, приводящее к сглаживанию края проволоки. Этот эффект приписывается расширению плазмы проволоки. Чтобы количественно оценить эволюцию, связанную с радиально сходящейся структурой, ученые проанализировали линии на расстоянии 42 и 100 мкм от фокального положения лазера.
Ученые рассчитали скорость ударной волны, измеряя расстояние, пройденное ударной волной между временными задержками 300 пс и 500 пс. Эти временные задержки лежат в области постоянной скорости ударной волны, избегая начального замедления, а также конечного ускорения, как предсказано моделированием. Средняя скорость 14.3 ± 1.3 км/с наблюдается в 42 мкм вблизи фокуса лазера и 10.5 ± 1.3 км/с на расстоянии 100 мкм. Кроме того, ученые оценили скорость фронта ударной волны, выходящего из фокуса лазера. Здесь скорость фронта уменьшается со 180 км/с при 20 пс до 50 км/с при 300 пс во время выброса ударной волны.
Результаты исследования
Первым делом ученые решили исследовать происхождение наблюдаемых цилиндрических сходящихся ударных волн. Моделирование частиц в ячейках обычно используется для моделирования взаимодействия лазера с веществом в качестве предсказательных инструментов, дающих детальное представление об эволюции плазмы во время взаимодействия лазера и вскоре после него (в пикосекундных масштабах времени).
Выполняя моделирование с проводом в качестве мишени, можно наблюдать процессы, похожие на те, что описаны в предыдущих исследованиях: во-первых, генерация высокоэнергетической популяции электронов путем прямого взаимодействия лазерного импульса с материалом провода, которая будет распространяться продольно через провод, приводя, например, к генерации плазменной оболочки с сильными электрическими полями, которые ускоряют ионы. Одновременно часть популяции горячих электронов будет двигаться со скоростью, близкой к скорости света, поперечно от фокального пятна. Горячие электроны электростатически захватываются вблизи поверхности провода, и в их следе поверхность провода ионизируется. Для достижения баланса заряда вдоль поверхности устанавливается обратный ток, достигающий плотности 1013 А/см2.
Методы протонной визуализации (использующие ускоренные лазером протоны) успешно применялись для измерения полей оболочки и, таким образом, динамики связанного с этим переноса горячих электронов и последующего обратного тока. Хотя время жизни таких токов оценивалось в 20 пс, что на порядок больше длительности пс используемого лазерного импульса, недавние теоретические работы были сосредоточены на лазерных импульсах, соответствующих данному эксперименту в несколько десятков фемтосекунд. PIC моделирование используется на первом этапе для расчета профиля плотности тока вдоль протяженного провода. С моделью, детализированной уравнением ниже, распределение температуры оценивается по плотности тока в глубине скин-слоя на поверхности провода. Наконец, это распределение температуры используется в качестве начальных условий для гидродинамического моделирования для прогнозирования долгосрочного формирования ударной волны, распространения и сжатия плотности.
Изображение №2
Чтобы подтвердить этот сценарий, ученые провели двумерное PIC моделирование взаимодействия лазера с мишенью из медной проволоки диаметром 10 мкм. Наблюдалось формирование пикового тока возврата 2.8 × 1013 А/см2 со временем жизни 100 фс (2a показывает jy и связанное с ним магнитное поле для t = 38 фс после пика взаимодействия, а 2b пик временной эволюции jy на расстоянии 8 мкм от фокуса). Поверхностный обратный ток оказывает два эффекта на мишень, которые могут привести к сжатию: магнитное сжатие и джоулев нагрев и связанную с этим абляцию. В то время как величина обратного тока масштабируется обратно радиусу провода, для медного провода диаметром 25 мкм пик поверхностной плотности обратного тока, как прогнозируется, будет находиться в диапазоне 0.4–1.1 × 1013 А/см2, при этом сила тока уменьшается по мере удаления от лазерного фокуса. В то время, когда обратный ток максимален, тепловое давление оценивается в 8 раз выше магнитного давления в 250 Мбар. Полученная плазма β ≈ 8 подтверждает кинетическую природу ударного образования.
Распределение электронной температуры, которое будет использоваться в качестве начального условия для гидромоделирования, оценивается с использованием уравнения электронной энергии:
где KTe — теплопроводность холодных электронов, σTe — электропроводность, а je® — распределение поверхностного обратного тока в радиальном направлении от PIC (2c).
Правая часть уравнения учитывает диффузию тепла в радиальном направлении и джоулев нагрев из-за поверхностного обратного тока. Модель электронного сопротивления и коэффициент диффузии тепла являются функциями температуры и плотности и могут быть извлечены из уравнения состояния SESAME.
Рассчитанная температура электронов с помощью этого уравнения достигает пика при 140–320 эВ для диапазона обратного тока 0.4–1.1 × 1013 А/см2 и распределена в пределах скин-слоя толщиной 0.1 мкм. Это распределение температуры используется в качестве начального условия для гидродинамического моделирования для исследования эволюции плазмы до 1 нс. Эти моделирования с кодом FLASH решают в одномерной цилиндрической симметрии уравнения гидродинамики с одной жидкостью, двумя видами (ион и электрон) и двумя температурами с SESAME уравнением состояния меди. Температура ионов и температура электронов предполагаются равными из-за высоких скоростей столкновений между ними.
На 2d–2f показан результат моделирования динамики ударной волны для медной проволоки толщиной 25 мкм в условиях экспериментального лазерного облучения, дающий временную и пространственную эволюцию сжатия (плотность, нормированная на начальную плотность), давления и температуры. Начальным условием является пиковая температура 250 эВ с экспоненциальной глубиной спада и константой спада τ = 0.067 мкм. Ударная волна формируется в течение первых 5 пс из-за давления абляции. Она начинается на поверхности с коэффициентом сжатия 2.8 по отношению к холодной меди и пиковым давлением 111 Мбар. Волна движется к оси проволоки с начальной скоростью 44 км/с.
За время 200 пс ударная волна замедляется до 15 км/с, а температура фронта ударной волны достигает 22 эВ, в то время как давление уменьшается до 12 Мбар. Пиковый коэффициент сжатия в этой точке равен 2. Между 200 пс и 650 пс ударная волна распространяется при постоянных условиях, и фронт ударной волны перемещается с 8.1 мкм от оси проволоки вниз до 1.1 мкм. После этой точки ударная волна набирает скорость, пока не сойдется на оси проволоки, достигая коэффициента сжатия 9, что соответствует плотности 80.6 г/см3, температуре 38 эВ и давлению 830 Мбар.
Изображение №3
Используя радиальный профиль плотности из гидродинамического моделирования, ожидаемые PCI профили рентгеновского излучения были рассчитаны и сравнены с экспериментальными результатами. Используя прямое преобразование Абеля профиля плотности, проектируемая плотность массы получается, как зондируется рентгеновским излучением в экспериментальной геометрии. Интенсивность в плоскости детектора может быть рассчитана с помощью уравнения переноса интенсивности:
где I(x1, z = z1) — интенсивность на детекторе, расположенном на расстоянии распространения z1; I(x, z = 0) — интенсивность на контакте, то есть непосредственно на выходной плоскости мишени и заданная ослаблением рентгеновских лучей мишенью; k — волновой вектор рентгеновского излучения, а Φ(x, z = 0) — сдвиг фазы на контакте.
Данные PCI, измеренные с неприводной проволокой, использовались для характеристики расстояния распространения, что привело к эквивалентной плоскости, расположенной на расстоянии z1 = 6 мм после цели, которая отображается CRL на детекторе. На 3a показана временная эволюция прямой расчетной картины PCI до 1 нс для двух начальных температур, 210 эВ и 250 эВ. Время сходимости составляет 758 пс для моделирования 210 эВ и 698 пс для 250 эВ. Полученные профили с временными шагами 300, 500 и 700 пс сравниваются на 3b с экспериментальными данными на расстоянии 42 мкм от фокуса лазера. Синтетические профили количественно и качественно воспроизводят экспериментально наблюдаемые PCI картины с такими характеристиками, как положение распространяющегося внутрь ударного фронта и рефракция луча наружу.
Ученые отмечают, что в этом контексте важно учитывать влияние изменений непрозрачности, вызванных температурой. Используя базу данных TOPS/ATOMIC, было подтверждено, что значения коэффициента затухания массы для температуры 22 эВ отличаются на процентном уровне от значений для холодного медного материала, поэтому его можно не учитывать.
Изображение №4
Ученые выбрали экспериментальные данные при 300 пс и 500 пс и дополнительно проанализировали PCI профили на расстоянии 42 мкм от фокуса лазера, чтобы извлечь параметры ударной волны. Поскольку ускорение ударной волны минимально между этими временными задержками, неопределенность в оценке скорости и ее влияние на ударное давление уменьшаются. Значения, полученные из гидродинамического моделирования, составляют 10.5 Мбар и 10.6 Мбар, что близко соответствует экспериментальному значению. Поскольку экспериментальная скорость не была доступна, на графике выше выделена только оцененная центральная плотность 104+2121 г/см3 для сходимости при 700 пс.
График выше также представляет сравнение этого значения с ранее опубликованными результатами для меди вместе с предсказанными состояниями, достигнутыми в проведенном эксперименте в соответствии с моделированием FLASH. Кроме того, на графике показаны прогнозы моделирования для углерода и железа как репрезентативных материалов в контексте астрофизических исследований. Используя те же условия обратного тока и диаметр мишени, что и для проводов меди, моделирование предсказывает давление до 790 Мбар для железа и до 400 Мбар для углерода. Температуры в этих случаях составляют до 32 эВ и до 16 эВ для железа и углерода соответственно во время конвергенции.
Состояния углерода сопоставимы с ожидаемыми в условиях Юпитера, а также на экзопланетах, что показывает потенциал этой платформы для исследования внутреннего строения планет. Состояния железа находятся в диапазоне звездных условий для оболочек белых карликов.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали возможности короткоимпульсного джоулевого лазера в рамках экспериментов по облучению медной проволоки. В результате ученым удалось создать условия экстремального давления, имеющих отношение к астрофизическим исследованиям.
Работа ученых показала, как состояние можно охарактеризовать с помощью методов визуализации, использующих сверхкороткую длительность и высокую яркость пучка XFEL лазера. В частности, были измерены сходящиеся цилиндрические ударные волны в меди с давлением до 11 Мбар, а моделирование предсказывает давление до 830 Мбар при схождении, что подтверждается превосходным количественным согласием между экспериментальными и расчетными данными.
Ученые уверены, что их метод генерации ударных волн прокладывает путь для проведения астрофизических экспериментов в лаборатории, обеспечивая большую статистическую выборку благодаря высокой частоте повторения лазеров и включая простые и доступные материалы для образцов.
Новый метод измерения может быть полезен не только для астрофизики, но и для другой области исследований. Опыт показал, как можно генерировать очень высокие плотности и температуры в самых разных материалах. А это может быть весьма кстати для исследований термоядерного синтеза. Несколько исследовательских групп и стартапов по всему миру в настоящее время работают над термоядерной электростанцией на основе высокопроизводительных лазеров. Принцип: мощные лазерные вспышки ударяют по топливной капсуле из замороженного водорода со всех сторон и воспламеняют ее, при этом выходит больше энергии, чем было вложено. Описанный в данном труде метод мог бы позволить более детально наблюдать, что происходит внутри капсулы, когда в нее попадают лазерные импульсы. Следовательно, имя больше информации, ученые смогут усовершенствовать свои разработки, сделав их еще более эффективными.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
