پیشرفت در انرژی همجوشی: ردیابی پیشرفت حرارت پلاسما در 200,000 درجه فارنهایت برای اولین بار
محققان یک روش جدید برای نظارت بر پیشرفت حرارت فوق‌العاده سریع در پلاسماهای ماده گرم و چگال توسعه داده‌اند.
این مطالعه به رهبری محققان دانشگاه نوادا بررسی می‌کند که چگونه مواد پس از برخورد با پالس لیزری گرم می‌شوند و سرد می‌شوند. با استفاده از پالس‌های اشعه ایکس با مدت زمان بسیار کوتاه از لیزر الکترون آزاد در تاسیسات SACLA در ژاپن، فیزیک‌دانان می‌توانند تغییر دما در ماده را به مرور زمان مشاهده کنند.
این کشف به درک عمیق‌تری از چگونگی تشکیل پلاسما در زمانی که فلز در معرض لیزرهای پرقدرت قرار می‌گیرد، منجر می‌شود.
نتایج شگفت‌انگیز از اولین آزمایش
این روش توسط هیروشی ساوادا، استاد دانشگاه در بخش فیزیک دانشگاه نوادا، رینو، توسعه داده شده است، به همراه همکاری‌های بین‌المللی. ساوادا گفت: «ما پیش‌بینی‌هایی از شبیه‌سازی‌ها داشتیم، اما آنچه دیدیم کاملاً متفاوت بود. ما از تعداد نتایج شگفت‌انگیز اولین آزمایش خود غافلگیر شدیم و نمی‌دانستیم کدام یک را برجسته کنیم.»
یک تکه نازک از مس به طور موقت به پلاسما چگال تبدیل می‌شود
محققان مشاهده کردند که در چند پیکوثانیه (تریلیونیوم ثانیه)، یک تکه نازک از مس به طور موقت به پلاسما چگال، به ویژه به حالتی به نام ماده گرم و چگال، تبدیل می‌شود.
گرم یک اصطلاح نسبی است – فلز به دمای نزدیک به 200,000 درجه فارنهایت می‌رسد. با مدت کوتاه یک پالس لیزری پرقدرت، مس از حالت جامد به حالت پلاسما در یک لحظه تغییر وضعیت می‌دهد قبل از اینکه منفجر شود. درک پیشرفت حرارت در مس یک کشف هیجان‌انگیز در فیزیک مرتبط با داخل سیارات غول‌پیکر و هسته‌های سوخت همجوشی لیزری است، طبق مطالعه.
قبلاً گرفتن داده‌ها درباره نحوه پیشرفت حالت پلاسما دشوار بود
گرفتن داده‌ها درباره نحوه پیشرفت حالت پلاسما در مس یا مواد دیگر قبلاً به دلیل پدیده حرارت‌دهی با سرعت فوق‌العاده سریع چالش‌برانگیز یا غیرممکن بود.
در آنچه به عنوان آزمایش پمپ-پراب شناخته می‌شود، فیزیک‌دانان از یک پالس لیزری با شدت نسبیتی از یک لیزر پرقدرت برای ابتدا گرم کردن یک تکه کوچک مس (پمپ) استفاده کردند، سپس یک پالس اشعه ایکس از لیزر ثانویه تصاویر اشعه ایکس مس را جمع‌آوری کرد (پراب). سپس، دماها و درجات یونیزاسیون، یا حضور پلاسما در داخل مس، از داده‌های تصویری استنباط شد. محققان این آزمایش را چندین بار تکرار کردند و هر بار پالس لیزر ثانویه را کمی بیشتر به تأخیر انداختند تا پیشرفت حرارت در ماده را ردیابی کنند، طبق محققان دانشگاه نوادا.
تصویربرداری انتقال اشعه ایکس تشکیل پلاسما چگال داغ را نشان می‌دهد
این مطالعه که در مجله Nature Communications منتشر شده است، تصویربرداری انتقال اشعه ایکس تشکیل پلاسما چگال داغ متمرکز بر ابعاد نقطه لیزر را نشان می‌دهد، که در یک پیکوثانیه با ماده گرم و چگال فرمی دژنره احاطه شده است، و ریلکسیشن انرژی که در پلاسما داغ در طی چند ده پیکوثانیه رخ می‌دهد.
محققان می‌گویند این نتایج مدل‌های 2D شبیه‌سازی ذرات را که فرایندهای اتمی را دربر می‌گیرد تأیید می‌کند و بینش‌های جدیدی درباره سازوکارهای انتقال انرژی فراتر از ظرفیت‌های شبیه‌سازی کنونی ارائه می‌دهد. «این کار به طور قابل‌توجهی درک ما از حرارت‌دهی سریع الکترون و ریلکسیشن انرژی در ماده چگال جامد را پیشرفت می‌دهد، و به عنوان یک قدم کلیدی به سمت حرارت‌دهی پلاسما چگال با کارآمد و پیشرفت در زمینه‌های علم چگال و تحقیقات انرژی همجوشی اینرسی با استفاده از لیزرهای پالس کوتاه و پرقدرت خدمت می‌کند»، گفته محققان.
این مطالعه که توسط گرنتی که ساوادا از بنیاد ملی علوم (NSF) دریافت کرده است، پشتیبانی می‌شود، می‌تواند در چندین زمینه فیزیک از جمله فیزیک پلاسما، علم چگالی بالا انرژی، اخترفیزیک، تحقیقات انرژی همجوشی اینرسی، و فیزیک کوانتوم و اتمی استفاده شود.
این روش را می‌توان در دیگر تاسیسات لیزر الکترون آزاد نیز اجرا کرد، مانند تاسیسات MEC-U نسل بعدی در SLAC، که لیزرهای پرقدرت پتوات و لیزرهای کیلوژول پرانرژی را با LCLS ترکیب می‌کند.
