Температурная эволюция плотного золота и алмаза, нагретого энергичным лазером

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 15173 (2022) Цитировать эту статью

688 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Недавние исследования показали, что энергичные ионы, возбуждаемые лазером, с некоторым разбросом по энергии могут равномерно нагревать небольшие образцы твердой плотности. Баланс энергетических потерь ионов с разными кинетическими энергиями приводит к равномерному нагреву. Хотя нагрев энергичным ионным лучом, управляемым лазером, происходит в течение наносекунды и часто считается достаточно быстрым, он не происходит мгновенно. Здесь мы представляем теоретическое исследование временной эволюции температуры образцов твердого золота и алмаза, нагреваемых пучком квазимоноэнергетических ионов алюминия. Мы рассчитываем временную эволюцию прогнозируемых температур образцов, используя доступные данные о тормозной способности и таблицы уравнений состояния SESAME. Мы обнаружили, что распределение температуры изначально очень равномерное, но в процессе нагрева оно становится менее равномерным. Затем однородность температуры постепенно улучшается, и к концу процесса нагрева достигается хорошая однородность температуры.

Ускорение ионов с помощью современных мощных лазерных систем привело к разработке интенсивных источников ионов с высокой кинетической энергией1,2,3,4,5,6. Экспериментально были созданы ионы, управляемые лазером, со скоростью до нескольких десятков процентов скорости света и переносящие несколько десятков МэВ/нуклон6,7,8,9,10,11. Например, в недавних экспериментах9,10,11 были продемонстрированы управляемые лазером протоны с максимальной кинетической энергией, приближающейся к 100 МэВ. Эти управляемые лазером протоны или ионы очень быстро передают свою кинетическую энергию образцу посредством кулоновских столкновений, прежде чем произойдет значительное гидродинамическое расширение образца12,13,14,15. Нагретый образец часто достигает высоких температур выше 10 000 К16,17,18,19,20, сохраняя при этом плотность, близкую к твердой. Благодаря этим свойствам ионы, управляемые лазером, можно использовать в таких исследовательских областях, как изучение теплой плотной материи17,18,19,20 и быстрого зажигания21,22.

Поскольку температурные градиенты внутри образца затрудняют анализ измеренных физических свойств нагретого образца, желательно нагреть образец равномерно для изучения его физических свойств16. Однако типичные ионы, возбуждаемые лазером, нагревают преимущественно переднюю поверхность образца, поскольку они демонстрируют максвелловское распределение энергии6,23, в котором преобладают менее энергичные ионы. Ионы низкой энергии передают всю свою кинетическую энергию и останавливаются вблизи передней поверхности образца. Напротив, более энергичные ионы в основном отдают свою кинетическую энергию вокруг задней поверхности образца. Они передают лишь небольшую часть своей кинетической энергии до достижения пиков Брэгга24, где происходит большая часть передачи энергии. Энергия, передаваемая вокруг передней поверхности образца, больше, чем энергия, передаваемая вблизи задней поверхности, поскольку количество менее энергичных ионов больше, чем количество более энергичных ионов для максвелловского распределения энергии.

Ионы, управляемые лазером, с некоторым разбросом по энергии изучались экспериментально1,2,3,25,26 и теоретически15,27,28. Для ионного пучка с некоторым разбросом по энергии равномерный нагрев может быть достигнут за счет баланса энергии, передаваемой от ионов с низкой энергией, и энергии, передаваемой от ионов с высокой энергией. Недавние исследования12,16 показали, что высокоэнергетический лазерный пучок ионов алюминия3,29 с некоторым разбросом энергии может достаточно равномерно нагревать небольшие образцы твердой плотности до температур выше 10 000 К.

Хотя предыдущие исследования предполагают хорошую однородность температуры полученных образцов теплого плотного вещества12,16, ни в одном исследовании не изучалась однородность температуры во время нагрева. Вполне возможно, что в начале или в середине процесса нагрева однородность температуры плохая. Например, однородность температуры образца может быть плохой в середине процесса нагрева, поскольку ионы высокой энергии передают больше кинетической энергии задней поверхности образца, чем передней. Распределение температуры становится более равномерным, когда низкоэнергетические ионы достигают образца и нагревают его лицевую поверхность.