科学家们深入了解了地球上物质最极端的状态之一
江苏激光联盟导读：
来自PrincetonPlasma Physics Laboratory的科学家发现了一种测量和理解高能量密度等离子体的方法。
物理学家Brian Kraus和他论文里的数字
奇异的激光产生的高能量密度(HED)等离子体，类似于在恒星和核爆炸中发现的等离子体，可以提供对整个宇宙事件的洞察。美国DOE PPPL的物理学家们发现了一种测量和理解这些等离子体的新方法，这些等离子体是地球上产生的最极端的物质状态之一。对这一理论的进一步了解可以带来诸多好处，包括在惯性约束聚变实验中对高密度等离子体进行微调，以及更好地理解整个宇宙的过程。
密度是十亿倍
HED等离子体的密度是tokamak聚变反应燃料的十亿倍，tokamak是一个环形磁聚变设施，比如PPPL的NSTX-U。“在HED等离子体中，一切功能都非常不同，”PPPL物理学家Brian Kraus说，他是《Physical Review Letters》上一篇描述测量技术的论文的主要作者。“我们需要更好地了解在这些非常高的密度下，物理学是如何工作的，但到目前为止，要弄清楚测量数据一直很困难。”
实验装置的非比例动画示意图，包括正常入射的激光脉冲、嵌入Ti层的Al目标和x射线光谱仪的视角。两个目标区域显示:动态浅层区域(A)和静止深层区域(B)。
等离子体由99%的可见宇宙组成，由自由漂浮的电子和原子核或离子组成。与tokamak等离子体的气态不同，HED等离子体的密度非常高，几乎是固态的，这为物理学家创造了渴望探索的条件。
在Colorado State大学先进激光和极端光子学实验室，Kraus通过在薄钛箔上发射超高强度激光产生HED等离子体。然后，他和同事们使用最先进的计算机代码分析了x射线诊断从等离子体中捕捉到的高分辨率光谱数据，该等离子体出现的时间只有万亿分之一秒。
Ti Heβ作为标记zTi的函数。应用了跨度为3ev的非微扰Savitzky-Golay滤波器。
Kraus说，HED等离子体通过扩大和转移x射线线到较低的能量来修改x射线线。“结合这些效应，我们可以测量等离子体密度和离子温度，这是以前从未做过的。否则，在如此密集的等离子体中很难获得这些测量结果。
这项研究揭示了等离子体以前不为人知的关键方面。例如，分析发现离子和电子的温度并不相等，就像在等离子体中假设的那样，离子的温度要低得多。Kraus说:“事实证明，人们做的一些近似与我们看到的数据不相符。”
PPPL等离子体科学与技术部门的负责人，这篇论文的合著者，Kraus的论文导师Philip Efthimion负责监督这些开创性发现。
Kraus说:“菲尔在实验计划和选择数据分析方面指导了我。”今年6月，他在普林斯顿大学(Princeton University)获得了博士学位，不久后被任命为研究员。
对于zTi=875 nm: (a)从MERL到ne和Ti的ΔE的彩色图，带显示测量值。(b)从覆盖数据的emcee计算似然分布(黑色)(红色阴影部分)中取样计算的MERL线形状，包括卫星。例如，卫星的贡献是垂直偏移的。(c)完全MERL拟合的估计似然图(a)。(d)相同MCMC搜索的Te值直方图，中间80%突出显示。
Efthimion认为Kraus的论文结果非常特别，“很有意思。”
“布莱恩对x射线线展宽的理解，使得电子和离子温度同时得到了精确的测量。它使我们得出电子和离子不是处于平衡状态的结论。这是第一次在接近固体密度的等离子体中观察到这种情况。布莱恩掌握了许多研究工具来完成这项工作。观察和理解新现象才是真正让科学家兴奋的事情。”
科罗拉多州立大学的这项实验是由美国能源部组织的激光设备联合体LaserNetUS促成的。克劳斯公布的测量结果是该计划第一个实验周期的一部分。Kraus说:“通过扩大高质量激光设备的使用范围，LaserNetUS正在改变美国激光科学的面貌。”“LaserNetUS不仅为我们提供了运行时间，还为我们提供了与PPPL之外的伟大科学家合作的机会。”
(a) zTi=875 nm的红移数据(红线和阴影误差条)与拟合分布的BALROG线形状(黑色虚线)的比较。在MCMC拟合中，参考能量在绿色误差范围内自由变化。(b) (ne, Ti)值对应的似然分布，左边仅显示Ti的直方图。
Kraus参加了美国能源部科学本科实验室实习项目(SULI)的前身，并在PPPL提供的为期一周的课程中学习了等离子体物理学。Kraus说:“在上这门课之前，我从来没有听说过等离子体。随后，他在通用原子公司为美国能源部在加州圣地亚哥运营的DIII-D国家核聚变设施进行了实习。他说:“这使我确信，这是物理学的一个领域，对潜在的解决核聚变和为每个人提供清洁能源具有相当直接的全球重要性。”
他现在正在科罗拉多州立大学安装一台高速照相机，以拍摄激光产生的HED等离子体的演变过程。他说:“我们这次正在做同样的实验，但基本上是用一种能及时看到东西的新相机。”他说:“当你想要看到在万亿分之一秒内发生的事情时，制作一部电影是非常困难的，所以有必要进行新的实验来设置摄像机，看看我们能学到什么。”
目前，科学家们还在开发“无需近似的先进代码，以实现HED等离子体的完整建模”。他补充说，使用这些代码进行PPPL已经证明的分析可能“广泛适用于诊断接近固体密度的热等离子体”。
来源：Solid-Density Ion Temperature from Redshifted and Double-PeakedStark Line Shapes, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.205001
江苏激光联盟陈长军原创作品！