Плазма - это раскалённый газ, в котором электроны оторваны от атомов. В ней постоянно возникают неустойчивости и турбулентность: мелкие возмущения разрастаются, а энергия перетекает между структурами разных размеров. Именно эти процессы определяют, как плазма движется и как распределяется энергия. Понимать их важно для термоядерного синтеза, астрофизики и физики лазерной плазмы.

Сложность в том, что структуры в плазме меняются от опыта к опыту даже при небольших различиях в условиях. Поэтому нужны измерения, которые за один "выстрел" охватывают сразу много масштабов. Особенно это касается плазмы высокой плотности энергии: там неустойчивости развиваются за крайне короткое время, и нужно успеть зафиксировать самые ранние стадии.

Международная группа под руководством доцента Масато Оты из Национального института термоядерных исследований (на момент работы - аспирант Университета Осаки) и доцента Ёити Сакавы из Института лазерной инженерии Университета Осаки решила эту задачу. Исследователи объединили новый метод малоуглового рентгеновского рассеяния без центральной заслонки (её называют биmстопом) с рентгеновским лазером на свободных электронах и мишенью из микроскопических стержней. Результаты опубликованы в журнале Communications Physics.

В обычном малоугловом рассеянии центр пучка закрывают специальной заслонкой, чтобы не повредить камеру. Из-за этого сигнал от сверхмалых углов теряется. Новая схема вместо заслонки использует набор металлических фольг разной толщины: они ослабляют яркий центральный пучок и расширяют диапазон интенсивностей, который способна зафиксировать одна камера, более чем в сто раз. Благодаря этому удаётся одновременно поймать и слабые, и сильные сигналы.

Эксперименты провели на рентгеновском лазере SACLA (SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser) в японской префектуре Хиого. Мощный фемтосекундный лазер мгновенно превращал мишень из кремниевых стержней в плазму, а рентгеновский импульс фиксировал, как меняется картина рассеяния. Так учёные впервые в мире измерили структуры в диапазоне от 10 до 500 нанометров за один импульс и одну камеру, с временным разрешением меньше пикосекунды (пикосекунда - одна триллионная доля секунды).

Сравнив данные для твёрдой мишени и плазмы, исследователи вычислили скорость разлёта плазмы и температуру электронов. Совместно с численным моделированием они показали: если начальная плазма на поверхности становится всего на несколько нанометров больше, доля поглощённой лазерной энергии падает примерно вчетверо. Это не причинно-следственный вывод из одного наблюдения, а результат сопоставления измерений с моделью.

Авторы отмечают, что метод поможет детальнее изучать лазерное ускорение ионов и взаимодействие плазмы со стенками термоядерных реакторов. Кроме того, он может пригодиться за пределами физики плазмы - например, для живых клеток, которые трудно измерять повторно, поскольку их состояние меняется со временем.

Источник: Phys.org