В миллиард раз плотнее

Плазма HED в миллиард раз плотнее, чем та, которая питает термоядерные реакции в токамаках, установках магнитного синтеза в форме пончика, таких как Национальный эксперимент по модернизации сферического тора (NSTX-U) в PPPL. "В плазме HED все функционирует совсем по-другому", - сказал физик PPPL Брайан Краус, ведущий автор статьи в Письма с физическим обзором которые описывают методы измерения. "Нам нужно лучше понять, как работает физика при таких очень высоких плотностях, но до сих пор уточнить измерения было сложно".

Плазма составляет 99 процентов видимой вселенной и состоит из свободно плавающих электронов и атомных ядер, или ионов. Плазма HED настолько плотна, что является практически твердой, в отличие от газообразного состояния плазмы токамака, создавая условия, которые физики стремятся исследовать.

Краус генерировал плазму HED, воздействуя лазерами сверхвысокой интенсивности на тонкие полоски титановой фольги в Лаборатории передовых лазеров и экстремальной фотоники Университета штата Колорадо. Затем он и его коллеги использовали современные компьютерные коды для анализа спектральных данных высокого разрешения, которые рентгеновская диагностика захватила из плазмы, которая вспыхнула всего на триллионные доли секунды.

По словам Крауса, плазма HED модифицировала рентгеновские линии, уширяя и смещая их в сторону более низких энергий. "Вместе эти эффекты позволяют нам измерять как плотность плазмы, так и температуру ионов, чего никогда раньше не делалось. Эти измерения очень трудно получить иным способом в такой плотной плазме".

Исследование выявило ключевые аспекты плазмы, которые ранее не были известны. Например, анализ показал, что температура ионов и электронов не была эквивалентной, как предполагалось в такой плазме, и ионы были существенно холоднее. "Оказывается, что некоторые приближения, которые делали люди, не соответствуют тем данным, которые мы видели", - сказал Краус.

За результатами, определяющими путь, наблюдал Филип Эфтимион, научный руководитель Крауса, который возглавляет отдел науки и технологий плазмы в PPPL и был соавтором статьи. "Фил действительно помогал мне планировать эксперименты и выбирать, какой анализ данных проводить", - сказал Краус. В июне он получил докторскую степень в Принстонском университете и вскоре после этого был назначен штатным исследователем.

"Очень особенный"

"Результаты в диссертации Брайана очень особенные", - сказал Эфтимион. "Способность Брайана понимать расширение рентгеновской линии привела к точным измерениям электронной и ионной температур одновременно. Это позволило нам сделать вывод, что электроны и ионы не находятся в равновесии. Это первый случай, когда такая ситуация наблюдается в плазме, близкой к плотности твердого тела. Брайан освоил множество исследовательских инструментов, чтобы завершить эту работу. Наблюдение и понимание новых явлений - вот что по-настоящему волнует ученых".

Эксперимент в штате Колорадо был проведен с помощью LaserNetUS, нового консорциума лазерных установок, организованного Министерством энергетики. Краус провел опубликованные измерения в рамках первого экспериментального цикла программы. "LaserNetUS трансформирует ландшафт лазерной науки в США, расширяя доступ к высококачественным лазерным установкам", - сказал Краус. "LaserNetUS предоставил нам не только время выполнения, но и возможность сотрудничать с великими учеными за пределами PPPL".

Краус участвовал в программе предтечи лабораторной стажировки для бакалавров в области естественных наук (SULI) и узнал о физике плазмы во время недельного курса, который PPPL проводил вместе с программой. "Я бы никогда не услышал о плазме до этого курса", - сказал Краус. Затем он проходил стажировку на Национальной термоядерной установке DIII-D, которой управляет General Atomics для Министерства энергетики в Сан-Диего, Калифорния. "Это убедило меня в том, что это область физики, которая имеет довольно прямое мировое значение для потенциального решения проблемы термоядерного синтеза и обеспечения доступности чистой энергии для всех", - сказал он.

Сейчас Краус устанавливает высокоскоростную камеру, чтобы сфотографировать эволюцию плазмы HED, произведенной лазером, в штате Колорадо. "На этот раз мы проводим те же эксперименты, но в основном с новой камерой, которая может видеть во времени", - сказал он. "Очень трудно снимать фильм, когда вы хотите увидеть то, что происходит за триллионные доли секунды, поэтому требуются новые эксперименты, чтобы настроить эту камеру и посмотреть, чему мы можем научиться", - сказал он.

Ученые также разрабатывают "продвинутые коды без приближений, которые могли бы обеспечить полное моделирование плазмы HED", - сказал Краус. Использование таких кодов для проведения анализа, который продемонстрировал PPPL, может стать "широко применимым для диагностики горячей плазмы, близкой к плотности твердого тела", сказал он.

Поддержка этой работы исходит от Управления науки Министерства образования (FES). В число соавторов входят физики из PPPL, Университета штата Колорадо, Национальной лаборатории Сандиа и Университета Невады в Рино.