Forskere isolerer geometriske effekter og resonansspredning i røntgenspektrene af HED-plasmaer

For første gang, forskere har i kontrollerede laboratoriemiljøer isoleret virkningerne af plasmageometrien i dets røntgenstråle-emissionsspektrum - energifordelingen af ​​den stråling, som plasmaerne udsender.

Værket er også det første eksperimentelle testbed af teorier, der beskriver et fænomen kendt i astrofysikken som resonansspredning. Dette fænomen findes i et plasma af tilstrækkelig størrelse og tæthed, hvor fotoner udsendes i systemet og har en sandsynlighed for at blive reabsorberet og genudsendt flere gange. Derudover forskere observerede den geometriske inversion af et plasma kun fra dets spektrum for første gang.

Ledet af postdoc-forsker Gabriel Pérez-Callejo, nu ved University de Bordeaux, og kolleger ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), værket blev omtalt i Physical Review Letters. Arbejdet blev udført som en del af OpticalDepth eksperimentelle serie på Omega Laser Facility ved University of Rochester og var et samarbejde mellem LLNL og University of Oxford.

"Spektraet af ikke-isotrope plasmaer - grundlæggende for at diagnosticere deres temperaturer og tætheder - varierer afhængigt af observatørens position, sagde Pérez-Callejo, hovedforfatter til værket. "Selvom der er teoretiske tilgange til dette problem, på grund af vanskeligheden ved at isolere plasmageometrien fra andre variabler, ingen eksperimentel bekræftelse var endnu opnået. Vi er nu i stand til at få information om, hvordan geometrien af ​​et plasma ændrer sig, kun fra dets røntgenspektrum."

At kunne studere, hvordan disse geometriske variationer afhænger af udsigtsvinklen for forskellige geometrier, vil give ny indsigt i anomale astrofysiske data og kan endda bruges til at diagnosticere betingelserne for inertial indeslutningsfusion (ICF) -implosioner.

Pérez-Callejo forklarede, at arbejdet vil gavne astrofysikken, idet forskere kunne bestemme geometrien af ​​strukturer i galaksehobe eller stjerneatmosfærer, som ikke kan løses med nuværende instrumenter. Han sagde, at forskningen også vil gavne ICF-eksperimenter, der bruger cylindriske sporstoffer.

"Dette kan gøres ved at tidsopløse sporstoffets spektrum og observere, hvordan dets geometri ændrer sig med tiden, "sagde han." Forskere kan få yderligere oplysninger om implosionens hydrodynamiske udvikling. "

"Vores mål har været at give eksperimentelle og teoretiske grunde til at adoptere en mere intuitiv forestilling om en fysisk proces, der ofte virker alt for kompleks, " sagde Duane Liedahl, LLNL teoretisk teamleder. "Den resonante spredningseffekt har sine historiske rødder i observationel og teoretisk astrofysik. Vi kan nu give noget tilbage til astronomer, der arbejder på at udlede fysiske forhold og geometrier af strålekilder, der, naturligvis, ikke kan kontrolleres. Krydsbefrugtningen mellem to ellers adskilte felter, astrofysik og HED-fysik, der virker på vidt forskellige størrelser og tidsskalaer, er et af de mere spændende aspekter af dette projekt."

For at udføre arbejdet, forskerne brugte cylindriske beryllium (Be) mål, som indeholdt en nedgravet skive af en scandium/vanadium (Sc/V) blanding. Ved at skyde både forsiden og bagsiden af ​​Be med den samme laserbestrålingsprofil, forskere formåede at generere en ensartet Sc/V plasmacylinder.

Røntgen-framing-kameraer blev brugt til at observere både den aksiale og radiale udvidelse af målene (hvilket giver målinger af deres geometri og tæthed til enhver tid) og røntgen-framed spektrometre til at måle deres spektre, både for emission i aksial og radial retning (og derved få deres temperatur og spektrale emission til enhver tid).

Ved at ændre radius af den nedgravede lagskive, forskere formåede at generere to plasmaer, der udviklede sig efter samme temperatur- og tæthedsveje, men havde en anden radius (tykkelsen af ​​skiven fulgte den samme vej i begge tilfælde). Dette gav holdet spektrale målinger af den direkte effekt af kun at ændre plasmaets radius.

Teamet udførte forskningen på Omega-anlægget og demonstrerede effekten i røntgenspektre, der udsendes af cylindriske plasmaer, der genereres af laserstråling med høj effekt, bekræfter den geometriske fortolkning af resonansspredning.