Ultrahurtige optiske feltioniserede gasser:En laboratorieplatform til undersøgelse af kinetiske plasma-ustabiliteter

Kinetiske ustabilitet opstår sædvanligvis fra anisotrope (forskellige egenskaber i forskellige retninger) elektronhastighedsfordelinger inden for ionosfæren, kosmiske og jordiske plasmaer. Men kun en håndfuld eksperimenter har valideret denne teori hidtil. Ultrahurtige laserpulser kan bruges under ionisering af optiske felter af atomer til at generere plasmaer med kendte anisotrope elektronhastighedsfordelinger for at forstå fænomenet i praksis. I en nylig undersøgelse, Chaojie Zhang og et tværfagligt forskerhold i afdelingerne for el- og computerteknik, og fysik og astronomi i USA, viste, at plasma gennemgik to-strøm filamentation efter ionisering-men inden kollisionsbaseret termalisering af de elektroniske bestanddele.

De observerede Weibel ustabilitet (til stede i homogent eller næsten homogent plasma), der isotropiserede (lignende egenskaber i alle retninger) elektronfordelingerne. Forskerne målte den polariseringsafhængige frekvens og vækstrater for disse kinetiske ustabiliteter ved hjælp af Thomson-spredning (TS) af en sondelaser, hvilket stemte godt overens med den kinetiske teori og simuleringer. Forskergruppen demonstrerede en let anvendelig laboratorieplatform til at studere kinetiske ustabilitet i plasma; resultaterne er nu offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Plasmaer er modtagelige for kinetisk ustabilitet, når hastighedsfordelingen af ​​dens bestanddeler i plasmaelektroner, ioner eller begge dele bliver ikke -termiske. Fysikere kan eksperimentelt validere teorien om disse ustabilitet, hvis de har direkte kendskab til de indledende hastighedsfordelingsfunktioner for sådanne plasmarter. Med fremkomsten af ​​intens ultrakort-puls, nær-infrarøde lasere, forskere har ioniseret atomer og/molekyler af en gas i et par lasercyklusser for at generere anisotrope eller ikke -termiske elektronhastighedsfordeling (EVD) funktioner. Processen er kendt som optisk feltinduceret eller tunnelionisering (OFI). Evnen til at starte hastighedsfordelingsfunktioner vil give forskere mulighed for kvantitativt at teste den kinetiske teori om plasma på ultrahurtige tidsskalaer, forud for elektron-elektron (e-e) kollisioner og iontermalisering. Imidlertid, de mekanismer og tidsskala, hvor plasmaelektroner udviklede sig fra en anisotrop tilstand til en termisk tilstand, forbliver et uløst eksperimentelt problem inden for grundvidenskab.

Som et resultat af den ekstremt brede vifte af situationer, der giver anledning til kinetisk ustabilitet, herunder gammastråleblink, elektron positronplasma, magnetiske felter, protonsynkrotroner, solcorona og interplanetariske medier. Der findes et omfangsrigt teoretisk arbejde om den kinetiske teori om plasma. I dette arbejde, forskergruppen beskrev først kort tre af de hyppigst studerede kinetiske ustabiliteter, der er aktiveret af OFI -plasma til kvantitativ undersøgelse i laboratoriet. For eksempel, når plasmaelektroner er sammensat af to eller flere co- eller modspredende strømme (stråler) kan de blive ustabile. Selvom der findes en masse teoretisk arbejde om kinetiske ustabiliteter i plasma, de skal stadig verificeres yderligere i laboratoriet. Forskergrupper havde tidligere undersøgt disse ustabiliteter ved at føre relativistiske elektronstråler gennem plasmaer eller ved at oprette to indbyrdes gennemtrængende plasmaer.

I dette arbejde, Zhang et al. viste, at et ultrahurtigt OFI (optisk felt induceret ionisering) heliumplasma med en kendt polarisationsafhængig anisotrop elektronhastighedsfordeling (EVD) var modtagelig for kinetisk streaming, filamentation og Weibel-lignende filamentation ustabilitet. De målte vækstraterne og frekvenserne for disse ustabilitet ved hjælp af tidsopløst Thomson-spredning. De sammenlignede målingerne med selvkonsistente (nøjagtige) partikel-i-celle (PIC) computersimuleringer og med teori derefter, og observerede god enighed.

I eksperimenterne og simuleringerne teamet initialiserede anisotrope EVD (elektronhastighedsfordeling) funktioner ved at ionisere den første og den anden helium (He) elektron enten ved hjælp af cirkulært polariserede (CP) eller lineært polariserede (LP) Ti-Sapphire laserpulser. De overvåger elektronens ioniseringspotentiale, da laserintensiteten kræves for at ionisere mere end 90 procent af He -atomerne via en tunnelmekanisme udviklet andre steder. Under forsøgene, EVD -funktionen for den anden He -elektron var 'varmere' end den første He -elektron. Zhang et al. opnåede resultaterne efter passage af lineære impulser fra en 3-D partikel-i-celle (PIC) simulering, som de byggede ved hjælp af OSIRIS -koden. Elektronmomentfordelingen lignede en "dobbelt donut" -form for cirkulært polariserede (CP) lasere og en fordeling med to temperaturer i retning af lineært polariserede (LP) lasere. De bekræftede, at plasmaerne, der blev produceret på denne måde, havde EVD -funktioner. De værdier, der blev målt af forskergruppen, stemte fremragende med de værdier, der forventes fra PIC -simuleringen.

Forskergruppen brugte derefter 2-D-simuleringer af optisk feltionisering (OFI) -aktiveret kinetisk streaming og filamentationsinstabilitet i et He-plasma. Derfor, både streaming og filamentation ustabilitet begyndte at vokse umiddelbart efter oprettelsen af ​​plasma. De observerede streaming ustabilitet til sidst at mætte og dæmpe meget hurtigt, og Zhang et al. forventede derfor på samme måde, at filamentationsinstabiliteten havde en sammenlignelig tidsmæssig adfærd. På senere stadier, Weibel-lignende filamentation ustabilitet drevet af en reduceret, men endelig temperaturanisotropi af elektronerne begyndte at dominere i plasmaet.

For at få yderligere oplysninger om kinetisk ustabilitet, Zhang et al. sonderede en bølgevektor. For det, de brugte enten en 400 nm laser eller en 800 nm laser med en 5nm båndbredde og 100 femtosekund (fs) pulsbredde og sonderede elektrostatiske komponenter af plasma ustabilitet. De målte spektrene og observerede to bemærkelsesværdige træk. I starten elektronfunktionen voksede og mættede til at dæmpe inden for en tidsramme, der var meget kortere end tiden for elektron-elektronkollision. Næste, elektronfunktionens spektrale skift viste anomal adfærd fra den sædvanlige Langmuir -bølge (elektrostatiske plasmasvingninger). Elektronfunktionens spidsfrekvens og eksistensen af ​​nulfrekvensfunktionen var væsentlige beviser for Zhang et al. at bekræfte streaming og filamentøse ustabilitet i opsætningen. Forskergruppen undersøgte yderligere streaming, filamentation og Weibel ustabilitet induceret af cirkulære polarisationslasere omfattende i det eksperimentelle system.

Forskerne har også sporet udviklingen i elektronhastighedsfordelinger og temperaturanisotropi ved optisk feltionisering i en 2-D-simulering. De modellerede konsekvent ionisering og udvikling af plasmaet i simuleringen, mens de udelukkede Coulomb -kollisioner for at isolere effekten af ​​ustabilitet på temperaturanisotropi. De observerede kinetiske ustabilitet i eksperimenterne, på grund af hvilken plasmaets anisotropi hurtigt faldt.

Som Weibel ustabilitet mættet i simuleringen, magnetfelterne selvorganiserede til en kvasi-spiralformet struktur som forudsagt andre steder. Ved hjælp af yderligere simuleringer, Zhang et al. bekræftet, at elektronkollisioner ikke spillede en væsentlig rolle i løbet af de første 10 picosekunder efter plasmadannelse. I løbet af denne tid, kinetisk ustabilitet dominerede isotropisering af plasmaet, imidlertid, til sidst vil kollisionerne termalisere plasmaet.

Forskergruppen undersøgte også de kinetiske ustabilitet forårsaget af lineære polarisationslasere, som viste kontrasterende resultater for de cirkulært polariserede lasere. I dette tilfælde, ustabiliteten blev drevet af reflekterede elektroner, som forplantede sig gennem langsommere elektroner i bevægelse. Frekvensspektret for tilstanden var smallere end med CP -lasere. Den eksperimentelle proces tog også længere tid, før streaming -ustabiliteten voksede og mættede. Zhang et al. observeret en bemærkelsesværdig overensstemmelse mellem målingerne og simuleringen.

På denne måde, Chaojie Zhang og kolleger viste muligheden for at generere "designer" EVD'er ved hjælp af en kombination af betingelser, herunder forskellige polariseringer, bølgelængder, intensitetsprofiler og ioniserende medier. Holdet kontrollerede driftshastigheden og tværgående temperaturer i vandløbene ved at ændre polariseringsellipticiteten for at undertrykke streaming- eller filamentationsinstabilitet. Forskerne viste, at ultrahurtige OFI -plasmaer var ikke -termiske med en anisotropi med stor hastighed. Plasmaerne gennemgik streaming og filamentøse ustabilitet, efterfulgt af Weibel-lignende filamentation ustabilitet til at isotropisere plasmaet. Når de målte den polariseringsafhængige frekvens og vækstrate for disse kinetiske ustabiliteter, resultaterne stemte godt overens med den kinetiske teori og simuleringer. Forskerteamet udviklede og demonstrerede således en let anvendelig platform til at studere plasmakinetiske ustabiliteter i laboratoriet.

© 2019 Science X Network