Forskere observerer laserdrevne tin-ejecta-mikrojet-interaktioner

De eksperimentelle observationer af højhastigheds-partikelladede strømningsinteraktioner har været sparsomme, på grund af vanskeligheden ved at generere højhastighedsstrømme af mange partikler. Disse observationer spiller en vigtig rolle i forståelsen af ​​en bred vifte af naturfænomener, lige fra planetdannelse til skyinteraktioner.

Det er, indtil nu. I eksperimenter udført på Omega Laser Facility ved University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE), forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har for første gang vist sekvenser af røntgenstrålebilleder af to interagerende tin-ejecta-mikrojets.

Værket er udgivet af Fysisk gennemgangsbreve og udvalgt som redaktørforslag med LLNL-fysiker Alison Saunders, der fungerer som hovedforfatter.

"Disse interaktioner var aldrig blevet observeret før, og så vidste vi ikke rigtig, hvad vi skulle forvente, " sagde Saunders. "Det var overraskende at se jetfly med lavere tæthed fra det lavere stødtryk passere gennem hinanden helt uændret. Dette kan opfattes som diffuse partikelstrømme, der passerer gennem hinanden."

Saunders sagde, at det også var en overraskelse at se dyserne med højere tæthed fra det højere stødtryk interagere stærkt.

"Vi kalder det 'vandslange-eksperiment', fordi det så ud som om, vi sprøjtede to vandslanger mod hinanden og så dem sprøjte, når de ramte hinanden, " hun sagde.

Kolliderende tinudstødende mikrojets

Holdet tog den første sekvens af radiografiske billeder af kolliderende tin-ejecta-mikrojetfly ved to forskellige stødtryk. Ejecta-mikrojets er stråler i mikronskala af små partikler, der bevæger sig med ekstreme hastigheder (hastigheder på over flere kilometer i sekundet, eller flere tusinde miles i timen). Holdet observerede to regimer for interaktionsadfærd som funktion af choktryk. Ved et stødtryk på 11,7 gigapascal, jetflyene rejser med 2,2 km/s og passerer udæmpet gennem hinanden, hvorimod ved et tryk på 116,0 gigapascal, de nu højere tæthedsstråler rejser med hastigheder på 6,5 km/s og interagerer stærkt, danner en korona af materiale omkring interaktionsområdet.

"Vi bruger også en forenklet kollisionsmodel i en strålingshydrodynamisk kode til at modellere interaktionerne og finde ud af, at modellen er ude af stand til at gengive den nøjagtige interaktionsadfærd, vi observerer, tyder på, at der er behov for flere eksperimenter for at forstå fysikken, der driver ejecta mikrojet-interaktionsadfærd, " sagde Saunders.

Forskerne brugte OMEGA Extended Performance (EP) med sin korte puls-evne til at afbilde jet-interaktionerne. To langpulslasere driver stød ind i to tinprøver, som er præget med trekantede riller på deres frie overflader. Når stødene bryder ud fra de frie overflader, rillen er inverteret for at danne plane mikrostråler af materiale, der udbreder sig mod hinanden.

På et senere tidspunkt, EP-strålen med kort puls, der falder ind på en mikrotråd, genererer en lys udbrud af røntgenstråler, der gør det muligt for holdet at tage et røntgenbillede af jetflyene, når de kolliderer. Røntgenbilledet giver også kvantitativ information om jetflyene før og efter kollision, såsom jetdensiteter og partikelpakning inde i dyserne.

"Værket giver de første billeder af ejecta microjet interaktioner og dermed, rejser en masse interessante spørgsmål om den fysik, der dominerer kollisionsadfærden, " sagde Saunders, tilføjer, at tin er et materiale, der vides at smelte over de stødtryk, der blev udforsket i dette eksperiment. "Vi har grund til at tro, at undertryksdyserne kan indeholde mere fast materiale end dyserne fra højtrykschokdrevene."

Saunders sagde, at dette rejser spørgsmålet om, hvorvidt forskellen i interaktionsadfærd, der blev observeret mellem de to tilfælde, er et resultat af forskellen i materialefase, eller andre jetegenskaber, såsom tæthed, hastigheds- eller partikelstørrelsesfordelinger. Kollisionerne forekommer med små partikler, der bevæger sig med ekstreme hastigheder og involverer ekstrem høj tøjningshastighed.

Holdet har til hensigt at løse nogle af de fysiske usikkerheder og forstå, hvad der driver de forskelle, der blev observeret i interaktionsdynamik:tæthed, materiale fase, partikelstørrelsesfordelinger, elasticitet ved kollisioner eller en kombination af alle disse. Som en del af det, holdet ønsker at udvide de diagnostiske muligheder til at omfatte forskellige målinger, der måske kan måle nogle af disse egenskaber direkte.