Wissenschaftler haben eine gängige Wettervorhersagetechnik verwendet, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie leistungsstarke Laser Brocken aus festem Material in Suppen aus elektrisch geladenen Teilchen verwandeln, die als Plasmen bekannt sind.
Die Verwendung dieser bewährten Technik in einem neuen Kontext könnte Forschern helfen, wichtige Messungen in Trägheitseinschluss-Fusionsgeräten durchzuführen, ein Konzept, das als eine Möglichkeit zur Nutzung von Fusionsenergie erforscht wird. Dieser Prozess, der Sonne und Sterne antreibt, könnte ein umweltfreundlicher Weg sein, um auf der Erde Strom zu erzeugen, ohne Treibhausgase oder langlebige radioaktive Abfälle zu produzieren.
Die Wissenschaftler von PPPL, einem nationalen Labor des US-Energieministeriums (DOE), das von der Princeton University verwaltet wird, haben die dichte Plasmawolke gemessen, die von einem starken Laser erzeugt wird, der auf ein festes Ziel trifft. Die starke Hitze ließ Atome von der Oberfläche verdampfen und energiereiches Röntgenlicht emittieren.
Bei der Messung wurde die Lichtgeschwindigkeit mithilfe des Doppler-Effekts gemessen – dasselbe Phänomen, das dazu führt, dass die Sirenen von Krankenwagen bei Annäherung lauter und bei Entfernung wieder abfallen. Meteorologen verlassen sich auf diesen Effekt, um die Geschwindigkeit von Gewittern zu messen.
Physiker wollen ein besseres Verständnis des dichten Plasmas gewinnen, zum Teil, weil es von Trägheitsfusionsgeräten erzeugt wird – Einrichtungen wie der National Ignition Facility des DOE im Lawrence Livermore National Laboratory, die letztes Jahr mehr Fusionsleistung produzierte als die Energie, die zum Erhitzen des Plasmas benötigt wurde . Je besser die Physiker das Verhalten des resultierenden dichten Plasmas verstehen können, das zehn Milliarden Mal dichter ist als das Plasma in ringförmigen magnetischen Tokamaks, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie die Fusion effizienter gestalten können.
Die Wissenschaftler fanden Beweise für die Existenz einer Barriere oder Hülle zwischen den äußeren und inneren Schichten der dichten Plasmawolke. Diese Beobachtung legt nahe, dass sich lasererzeugtes dichtes Plasma ähnlich wie weniger dichtes Plasma verhält. Der Befund ist das erste Mal, dass Wissenschaftler diese Doppler-Technik zur Messung von sehr dichtem Plasma verwendet haben. Das Experiment wurde mit der Advanced Laser for Extreme Photonics (ALEPH)-Einrichtung der Colorado State University durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich dichtes Plasma ähnlich wie andere Arten von Plasmen verhält, ein Verhalten, das Wissenschaftler bisher nicht direkt beobachten konnten, berichtet Frances Kraus, Hauptautorin eines Artikels, in dem über die Ergebnisse berichtet wird Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Vor dieser Entdeckung wussten die Forscher nicht, ob sie Röntgenstrahlen in dichtem Plasma präzise messen können, was solche Beobachtungen verfälschen kann. „Wissenschaftler glaubten nicht, dass man das Röntgenverhalten in allen anderen Signalen erkennen könnte“, sagte Kraus. „Aber unsere Diagnose zeigt, dass Sie es können.“
Laser wurden 1960 erfunden und werden für eine Vielzahl von Aufgaben eingesetzt, darunter Chirurgie, Schweißen und Drucken. Ein Laser – der Begriff steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ – besteht aus Lichtstrahlen, die alle die gleiche Frequenz haben. Darüber hinaus bewegen sich die Photonenteilchen, aus denen das Laserlicht besteht, alle in die gleiche Richtung und Orientierung. Da Laser leistungsfähiger geworden sind, ist es notwendig geworden, ihre grundlegenden Eigenschaften zu verstehen.
„Man muss verstehen, was diese Laser erzeugen, bevor man sie verwenden kann“, sagte Kraus. „Das ist grundlegendes Zeug. Diese superstarken Laser werden in Zukunft viele Anwendungen haben. Wir wissen nur noch nicht, was sie sein werden.“
Mehr Informationen:
BF Kraus et al, Ablating Ion Velocity Distributions in Short-Pulse-Heated Solids via X-Ray Doppler Shifts, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.235001