Микроскопические плазменные пузыри оказались на удивление нестабильными
Сверхмощный лазерный импульс, прожигая мишень насквозь, порождает облачко сильно замагниченной плазмы. Американские физики, проследив за поведением этого облачка, выяснили, что плазма в нём более нестабильна, чем считалось ранее.
Концентрированный свет жжется — согласно легенде, это было известно еще Архимеду. Только сейчас, в отличие от тех времен, физики уже не собирают солнечный свет зеркалами, а конструируют сверхмощные импульсные лазеры, луч которых в мгновение ока прожигает предметы насквозь. Оказывается, такой эксперимент позволяет узнать немало интересного о... свойствах замагниченной плазмы, что, в свою очередь, может пригодиться в астрофизике (см. подборку популярных статей по физике плазмы в Соросовском образовательном журнале).
В современных экспериментах мощность короткого лазерного импульса можно сделать настолько большой, что материал мишени (например, тонкой пленки) не успеет ни расплавиться, ни загореться, а сразу (за доли наносекунды) превратится в плазму. Если лазерный импульс не слишком короткий (например, 1 нс), то это облачко плазмы выдувается наружу, «впитывая» при этом энергию светового импульса, и лишь после его прекращения начинает остывать. В результате получается плазма с очень высокой концентрацией энергии и сильными магнитными полями (вплоть до 100 Тесла). Ее динамика очень интересна физикам, но до сих пор в экспериментах по прожиганию мишеней ее проследить не удавалось.
На днях группа американских исследователей опубликовала в работе Phys. Rev. Lett. 99, 015001 (2 July 2007) результаты эксперимента, который впервые смог показать этот процесс в динамике (статья доступна на сайте одного из авторов, pdf, 260 Кб). Эти результаты, с одной стороны, примерно подтвердили ожидания физиков, но с другой стороны, кое в чём их и озадачили.
«Ноу-хау» этой группы заключалось в очень изящной схеме пространственного «картографирования» магнитного поля субмиллиметровых размеров за очень короткое время. На расстоянии нескольких миллиметров от мишени размещалась ампула с дейтерием и гелием-3, готовая к микротермоядерному взрыву. Этот микровзрыв осуществлялся сразу после прожигания мишени. Родившиеся в нём протоны, разлетаясь во все стороны, проходили вначале сквозь мелкую сеточку, затем сквозь облачко плазмы и попадали на экран. Если бы в плазме не было магнитного поля, то на экране получилось бы четкое неискаженное изображение сеточки. Но поскольку магнитное поле в плазме слегка отклоняет протоны, изображение получалось деформированным, и благодаря этому удалось вычислить пространственное распределение поля. Этот метод в чём-то напоминает то, как астрофизики строят карты темной материи, используя отклонение света от далеких галактик в поле гравитации.
Разработанная экспериментальная методика позволила с высокой точностью восстановить динамику плазменного пузыря. Выяснилось, во-первых, что самое сильное магнитное поле располагалось не внутри, а на самой поверхности пузыря. Во-вторых, пока лазерный луч давил на облачко, оно расширялось, сохраняя совершенно симметричную полусферическую форму. Однако как только световой импульс выключался, эта форма быстро становилась несимметричной.
Авторы сравнили эти данные с результатами численного моделирования и выяснили, что имеется несогласие на втором этапе процесса (то есть при выключенном луче). Теоретики не ожидали, что нестабильность в плазме будет развиваться так быстро, а это происходит, по всей видимости, из-за того, что плазма остывает заметно быстрее, чем считалось. Теоретикам теперь предстоит перепроверить, было ли что-то упущено в программах моделирования плазмы или же тут есть предмет для более глубокого теоретического исследования (к слову сказать, всевозможные нестабильности — это одна из отличительных черт плазмы; именно из-за них пока что не удается запустить термоядерный реактор).
Источник: C. K. Li et al. Observation of the Decay Dynamics and Instabilities of Megagauss Field Structures in Laser-Produced Plasmas // Physical Review Letters, 99, 015001 (2 июля 2007 года).
-
Очень красивый эксперимент. Можно ли в двух словах объяснить, каким образом получаются такие мощные поля (100 Тл)? Вроде бы явных причин, например разделения движущихся зарядов, нет. Откуда тогда такое поле?
Почему авторы уверены, что искажения изображения сетки вызвано именно магнитным полем? А не может быть так, что здесь сказываются неупругие столкновения протонов с плазмой в пузыре?
И еще. Почему на рисунке верхняя и нижняя граница пузыря разного цвета? Это связано с направлением поля?
1. Электрические поля конечно тоже есть. В предыдущей работе той же группы, опубликованной в PRL 97, 135003 (28 September 2006), http://www.lle.rochester.edu/pub/review/v108/108_03Measuring
рассказывается про эти поля подробнее. Там утверждается, что ориентированы эти поля в среднем так, что если просвечивать пузырь протонным пучком с торца (как в этой работе), то отклонение будет в основном за счет магнитного поля, а если с боку -- то за счет электрического. Рассеяние протонов на отдельных ионах по всей видимости не важно из-за малой концентрации плазмы.
2. Вообще поля генерируются в этой плазме так. После того, как материал выжженной области превратился в плазму, лазерный луч по-прежнему давит на нее. Это давление ощущается преимущественно электронами (просто сечение комптон-эффекта для электронов во много раз больше, чем для ионов). В результате электронную компоненту начинает сдувать вперед относительно ионной, и получается разделение зарядов, т.е. электрические поля. Эти электрические поля пересиливают давление лазера (т.к. мощность у него умеренно большая), в результате, электроны не улетают, а начинают циркулировать в плазме. Поскольку есть явная зависимость от расстояния до оси, то в результате циркуляция электронов происходит не только вдоль z, но и радиально. Это один из источников магнитного поля.
3. Эта картина на самом деле очень приближенная. Более точно, для определения магнитного поля можно записать уравнение Фарадея dB/dt = - nabla x E, а поле E складывается из доброго десятка слагаемых. Там есть и движение плазмы как целого, и токи внутри плазмы, и члены, связанные с градиентами температуры и давления, и члены, связанные с дрожанием электрона в поле световой волны и т.д. Это все подробно выписано например в работе PRL 78, 254 (1996). Там утверждается, что в конце концов главная причина роста магнитного поля в плазме под действием умеренно мощного, но длительного лазерного импульса -- слагаемое nable T x nabla n, т.е. непараллельность градиентов электронной температуры и электронной концентрации. Говорят даже, что это знаменитый результат, но я физику плазмы не настолько знаю, чтоб привести ссылку :)
-
Вы знаете, Игорь, работа в экспериментальном смысле, конечно очень красивая и результаты любопытны. Но трактовка, (жесткое разделение на измерение магнитного поля продльным зондированием и электрического поперечным) честно говоря вызывает некоторые сомнения. Скажем, последняя ссылка в статье по измерениям (23)
In addition, E fields can be eliminated as a cause of deflections in face-on images by utilizing, in part, the monoenergetic character of the protons to show that, on the picosecond timescale, electrons would short out the E fields that would be required to create the circular patterns.
- звучит странно. Конечно, электроны быстро "закоротят" все с точностью до своей температуры! Я бы наивно полагая квазиравновесное распределение энергий, считал ее порядка 10^5 эВ, что согласуется с показанной скоростью разлета плазмы, поглощенной энергией на частицу и даже с авторской оценкой электрического поля, померянного поперечным пучком - 10^8 В/мм при 1 мм размере! И несмотря на то, что даже расчет (картинка 108.33) показывает, что форма пузыря уже почти сферическая, а вовсе не блин, и, соответственно, электрическое поле погранслоя имеет хорошую составляющую перпендикулярную оси симметрии, авторы увернно игнорируют его наличие ссылками типа 23... Правда, есть важный момент, который я не понимаю - они меряют рентгеном температуру электронов в 1000 эВ всего! Два порядка разницы - это многовато. Какй-то механизм эффективного охлаждения электронов? Не передается ионам при таких плотностях?...
В этом диапазоне энергий (термояд) я слаб, но лазерной абляцией занимался с конца 80-х по конец 90-х. Сейчас далек - даже в справочники не полез. И Вас не призываю углубляться. Просто разговор поддержал и недоумение участников чата.-
Спасибо за подробный комментарий. Насчет трактовки я, конечно, вынужден полагаться на экспериментаторов.
Правда, в Вашем комментарии мне непонятно, почему (электронную) температуру правомерно связывать со скоростью выдувания пузыря и с разностью потенциалов на двойном слое (Вы имели в виду: 10^8 В/м * 1 мм = 10^5 В ?).-
Про электронную температуру - это просто. Электроны, двигаясь гораздо быстрее ионов, покидают плазменный пузырь "насовсем" но только до того момента, когда нескомпенсированный заряд ионов в пузыре не создаст потенциал соответствующий тепловой энергии электронов. Потенциал шара Q/r , как мы помним, соответствует энергии, необходимой электрону (единичному заряду) для удаления с поверхности шара на бесконечность. Если тепловой энерги электрону не хватает, он вернется обратно и будет осциллировать в области ионного облака. Это мы описали потенциал суммарного заряда облака ионов и электронов при взгляде "издалека" (уже это поле шара будет искажать протонный пучок). Пограничный слой сложно корректно описать простым языком. Толщина "пояса электронов" пытающихся улететь, но возвращающихся будет определяться плотностью плазмы.
Если грубо считать, что есть резкая граница облака ионов, внутри которого электрон энергии почти не теряет (квазинейтральность, обеспечиваемая тем самым "закорачиванием" и компенсацией электронным облаком разностей потенциалов), то как раз вся борьба зарядов и произойдет на границе, на дебаевском радиусе экранирования. Толщина (дебаевская) этого слоя будет пропорциональна корню из отношения температуры к плотности, а вот потенциал так и останется соответствовать той самой энергии, необходимой для его прохождения - тепловой энергии электрона.
Скорость выдувания пузыря определяется просто скоростью движения ионов. Там с равновесностью совсем непросто, наверное. У ионов явно есть пространственное распределение и скоростей потоков и локальных температур. Но можно предполагать, что энергия ионов в среднем близка к энергии электронов в облаке, и скорость распространия границы ионного облака будет определяться ионами самой легкой массы (водород в конкретной мишени), Мы видим порядка 1 мм за нс - для протона это соответствует кинетической энергии 5000 еВ.
И вот здесь я должен сам себя критиковать за скоропалительность оценок навскидку порядками. Как мы видим, энергия ионов водорода уже не 10^5, а в 20 раз меньше (я в первый раз ошибочно прикидывал на углерод), и недостающий фактор для "подгонки" под температуру в 1000эВ можно объяснить сильным превышением скорости границы над среднетепловой скоростью ионов по всему облаку.
Поглощенную энергию на частицу я брал без учета отраженной энергии и теплопроводности фольги. Докладываемые авторами электрические поля в 10^8 В/м вполне могли существовать не на всем миллиметре облака, а лишь в двойном слое, который в плотной плазме мог составлять и меньше 10 микрон. (Вот так мы, экспериментаторы при нащупывании модели гоняем пару порядков туда-сюда :)) То есть, возможна и цифра 1000 электроновольт для оценки температуры и энергии частиц в пузыре.
-
-
Последние новости
