Röntgenbeugung ermöglicht die Messung der In-situ-Ablationstiefe in Aluminium

Wenn Laserenergie in ein Zielmaterial eingebracht wird, finden zahlreiche komplexe Prozesse in Längen- und Zeitskalen statt, die zu klein sind, um visuell beobachtet zu werden. Um solche Prozesse zu untersuchen und letztlich zu optimieren, greifen Forscher auf Computermodelle zurück. Diese Simulationen basieren jedoch auf genauen Zustandsgleichungsmodellen (EOS), um die thermodynamischen Eigenschaften – wie Druck, Dichte und Temperatur – eines Zielmaterials unter den extremen Bedingungen zu beschreiben, die durch die starke Hitze eines Laserpulses erzeugt werden.

Ein Prozess, der in aktuellen EOS-Modellen nur unzureichend berücksichtigt wird, ist die Ablation, bei der die Bestrahlung des Laserstrahls festes Material vom Ziel entweder durch Verdampfung oder Plasmabildung (vierter Aggregatzustand) entfernt. Es ist dieser Mechanismus, der einen Schock in das Material einleitet, der letztendlich zu den hohen Dichten führt, die für Hochdruckexperimente wie die Inertial Confinement Fusion (ICF) erforderlich sind.

Um die Wechselwirkungen zwischen Laser und Materie im Hinblick auf die Ablation besser zu verstehen, führten Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), der University of California, San Diego (UCSD), des SLAC National Accelerator Laboratory und anderer kooperierender Institutionen eine Studie durch, die das erste Beispiel dafür darstellt Mithilfe von Röntgenbeugung können direkte zeitaufgelöste Messungen der Ablationstiefe einer Aluminiumprobe durchgeführt werden. Die Forschung erscheint In Briefe zur Angewandten Physik.

Die Kontrolle der Materialabtragstiefen ist für verschiedene wissenschaftliche und industrielle Prozesse von entscheidender Bedeutung, darunter unter anderem Laserfusion und astrophysikalische Forschung. Allerdings ist die Messung der Ablationstiefe im Pikosekunden-Zeitbereich (eine Billionstel Sekunde) ein seit langem bestehendes Problem bei laserinduzierten Schockexperimenten.

Dies liegt daran, dass frühere Ansätze im Allgemeinen auf einer Analyse des Zielmaterials nach der Bestrahlung beruhten, was es schwierig oder unmöglich machte, die Entwicklung der Materialreaktion zu verfolgen, und aufgrund von Effekten wie Abplatzungen (ein Materialverformungseffekt als Reaktion auf) zu Diskrepanzen führen kann Spannungswellen), die über die Dauer des Experiments auftreten.

Die von Sophie Parsons, einer UCSD-Doktorandin, die am Academic Cooperation Program des LLNL teilnimmt, geleitete Studie nutzte Röntgenbeugungsdaten, die zuvor von den LLNL-Wissenschaftlern Mike Armstrong, Harry Radousky und Jon Belof während Laserexperimenten im Jahr 2016 gesammelt wurden. Parsons, zusammen mit Ihre LLNL-Mentoren Radousky und Armstrong analysierten diese Daten, um neue Informationen aus den festen Phasen von Aluminium zu extrahieren, während frühere Analysen nur diesen Punkt berücksichtigt hatten bei dem der Laserschuss die Probe schmolz.

Das Team verglich mathematisch die Aluminiumdicke ohne Schock mit der Menge an abgetragenem Aluminium über die Zeit, um In-situ-Messungen zu erhalten, während sich Stoßwellen durch die Aluminiumschicht des Ziels ausbreiteten. Ihre In-situ-Methode kann die Laser-Materie-Wechselwirkungen, die auf der Zeitskala von Pikosekunden (einem Billionstel einer Sekunde) stattfinden, auf den Punkt bringen und ermöglicht es ihnen, die Effekte, die während der anfänglichen Laser-Oberflächen-Wechselwirkung auftreten, direkt zu messen und zu isolieren.

Innerhalb der ersten 10 Pikosekunden der Interaktion des Lasers mit der Aluminiumoberfläche beobachteten die Forscher eine schnelle Abnahme des Volumens des festen Materials.

„Dies ist wahrscheinlich auf die schnelle Bildung einer etwa 500 Nanometer dicken Plasmaschicht an der laserbeleuchteten Oberfläche zurückzuführen, die wir als ‚Ablationstiefe‘ bezeichnen“, sagte Armstrong, Mitautor der Arbeit. Danach ist der Verlust an Umgebungsmaterial im Laufe der Zeit konstant, während sich die Stoßwelle durch das verbleibende, nicht abgetragene Aluminium bewegt.