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自由电子X射线激光测量等容加热中的热稠密等离子体碰撞阻尼等离子体激元
信息来源: 发布时间:2016年11月25日 【 】 【打印】 【关闭

自由电子X射线激光测量等容加热中的热稠密等离子体碰撞阻尼等离子体激元


热稠密物质的精确模型对于天体物理模拟具有重要意义,例如,研究星体内核或者模拟惯性约束核聚变内爆。对于后者而言,为了模拟瑞利泰勒不稳定性增长以及对热分子燃料精准建模,都需要知道热稠密物质的电导率。以往对电导率,尤其是静态电导率的测量都是在压缩或非压缩物质上完成的。因而在瞬态热稠密物质领域上精确测量等离子体特征的技术的匮乏使得计算电导率的对比及关键实验充满挑战。

等离子体激元X射线散射谱的高精度测量,由实验数据可以得到等离子体激元频率,阻尼以及电子温度。超高亮度的LCLSLinac Coherent Light SourceX射线束使精确测量纵向电子等离子体(朗缪尔)振动成为可能,从而提供了远高于以往利用激光驱动的X射线源的测量分辨率以及噪声水平,并且可以由此推断动态的电导率σ。在这里,超快等容加热过程中的铝是先验的,此外利用具体的平衡条件可以从第一原理推导出温度。与理论推测相较可知等离子体激元的X射线谱对依赖频率的电子-离子碰撞过程敏感,而该过程又与电导率相关。这里考虑到强碰撞以及动态屏蔽,碰撞不仅仅只利用波恩近似处理。作者发现这一理论与实验结果在等离子体激元的谐振频率附近十分的吻合。

1. (a)实验装置图及光谱示意图 (b)脉冲形状以及电子温度随时间的变化

实验测量了等容加热的铝的频率以及角分辨的X射线散射光谱。50μm厚的铝簿同时被LCLS的超快自由电子激光束加热和探测,如图1所示。选择X射线的能量选择为ELCLS=  ��ωLCLS=7.98eV是使衰减长度与铝箔的厚度匹配,从而引起吸收光子导致的等容X射线加热。铍化合物的反射镜被用来改变X射线焦斑大小(FWHM)到110μm,经过25fsFWHM)的脉冲后建立起了热平衡,如图(b)所示。

2. (a) θ=24°,焦斑尺寸1μm时的测量数据,以及消卷积,仪器功能数据

(b)实验X射线谱蓝翼以及利用对不同自由电子温度的MAGDW)计算值

3. (a)碰撞频率计算结果 (b)导电率结算结果

2a)为1μm焦斑尺寸下从2000发实验获得的汤姆逊散射数据,以及从前向与后向散射谱比较获得的仪器功能,消卷积以及各种理论计算的数据。这些数据表明在入射LCLSX射线能量处有一个弹性散射峰值,并且强等离子体激元谐振能量下移了ΔEres=��Δωres=19eV。同时由于高信噪比以及精确的X射线源检测可得等离子体激元在蓝翼的上移能量为E=7999eV。具体的平衡决定了电子温度为Te=6±0.5eV

2b)所示为能量上移的等离子体激元以及计算结果,这些结果表明电子温度在焦斑尺寸为1μm10μm)的加热过程末时确为Te=6eVTe=0.2eV)。

3a)所示为实验条件计算的碰撞频率。碰撞频率的实部表示吸收,虚部表示电场的相位变换,这些都是由相应等离子体中的碰撞引起。GDWGould-DeWitt theory)近似与波恩近似的不同表明集体效应导致了额外的阻尼以及电场频率的转换。图3b)为从实验数据得到的归一化的德鲁德表达式所推出的电导率复部。其虚部GDW相较波恩近似更贴近在等离子体频率ωpl,e处的实验数据,也表明需要一致的处理等离子体的集体效应。

利用LCLS在热稠密铝材料等容加热及探测的X射线汤姆逊散射实验中观测到了高分辨率等离子体激元。此外,由能量上移或下移的等离子体激元可以精确测量电子的温度。而从实验获得的线型可以推导出复的动态电导率,利用标准关系还可以进一步推断直流电导率。

摘译自:Free-Electron X-Ray Laser Measurements of Collisional-Damped Plasmons in Isochorically Heated Warm Dense, P. Sperling et.al Phys. Rev. Lett., 115, 115001 (2015)



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