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辐射是如何穿过密集等离子体的?

2022年11月17日
一股等离子体从太阳中喷射出来.这是美国宇航局拍摄的太阳等离子体爆炸的照片. 等离子体——由原子和自由移动的电子和离子组成的热汤——是宇宙中最丰富的物质形式, 在亚博买球太阳系的太阳和其他行星中都有. 亚博买球研究人员的一项新研究提供了关于辐射如何通过密集等离子体的实验数据, 这将有助于科学家更好地理解行星科学和聚变能. (NASA图片)

这项史无前例的实验证据推翻了等离子体如何发射或吸收辐射的传统理论.

大多数人都熟悉固体、液体和气体这三种物质状态. 然而, 物质的第四种状态, 被称为等离子体, 是宇宙中最丰富的物质形式吗, 在亚博买球太阳系的太阳和其他行星中都有. 因为密集等离子体——由原子和自由移动的电子和离子组成的热汤——通常只在极端的压力和温度下形成, 科学家们仍在努力理解这种物质状态的基本原理. 了解原子在极端压力条件下如何反应,这一领域被称为 高能量密度物理 (HEDP) -为科学家提供了对行星科学领域的宝贵见解, 天体物理学, 和聚变能.

等离子体如何发射或吸收辐射是HEDP领域的一个重要问题. 目前描述密集等离子体辐射传输的模型主要是基于理论,而不是实验证据.

这项工作揭示了重写当前教科书中关于密集等离子体中辐射产生和传输的描述的基本步骤.”

在一个 新论文 发表在 自然通讯的研究人员。 罗彻斯特大学 激光能量学实验室“, (LLE)使用LLE的欧米茄激光器研究辐射如何在密集等离子体中传播. 这项研究由 Suxing胡他是著名科学家,也是中国科学院的组长 高能密度物理理论组 他是LLE的副教授 机械工程, 菲利普•尼尔森, LLE激光等离子体相互作用组的资深科学家, 提供了关于原子在极端条件下行为的首次实验数据. 这些数据将用于改进等离子体模型, 这使得科学家能够更好地理解恒星的演化,并可能有助于实现可控核聚变作为替代能源.

“在OMEGA上使用激光驱动内爆的实验已经在地球表面大气压力的数十亿倍的压力下创造了极端物质,以便亚博买球探测原子和分子在这种极端条件下的行为,胡说. “这些条件与所谓的白矮星包络内的条件以及惯性聚变目标相对应.”

菲利普Nilson, Alex Chin和Suxing胡的合影,以及David Bishel的插页照片.

(从左到右)菲利普·尼尔森, LLE激光等离子体相互作用组的资深科学家; graduate student Alex Chin; Suxing胡他是著名科学家,也是中国科学院的组长 High Energy Density Physics Theory group 他是LLE的副教授 机械工程; and graduate student David Bishel (inset) contributed to the research to better understand how plasmas emit or absorb radiation. 这项研究将用于改进等离子体模型. (亚博买球图片/ Eugene Kowaluk)

使用x射线光谱学

研究人员使用x射线光谱学来测量辐射如何通过等离子体传输. x射线光谱学是将一束x射线射向由原子构成的等离子体, 铜原子——在极端压力和高温下. 研究人员使用OMEGA激光器来产生等离子体,并产生针对等离子体的x射线.

当等离子体受到x射线轰击时, 原子中的电子通过发射或吸收光子从一个能级“跳跃”到另一个能级. 检测器测量这些变化, 揭示了等离子体内部发生的物理过程, 类似于用x光检查骨折.

突破传统理论

研究人员的实验测量表明了这一点, 当辐射穿过密集等离子体时, 原子能级的变化并不遵循等离子体物理模型中常用的传统量子力学理论——所谓的“连续降低”模型. 相反,研究人员发现,他们在实验中观察到的测量结果可以用基于密度泛函理论(DFT)的自洽方法来最好地解释。. DFT提供了复杂系统中原子和分子之间的键的量子力学描述. DFT方法在20世纪60年代首次被描述,并且是研究的主题 1998年诺贝尔化学奖.

“这项工作揭示了重写当前教科书中关于致密等离子体中辐射产生和传输如何发生的描述的基本步骤,胡说. “根据亚博买球的实验, 使用自洽DFT方法更准确地描述了致密等离子体中的辐射传输.”
尼尔森说, “亚博买球的方法可以提供一种可靠的方法来模拟恒星和惯性聚变目标中遇到的密集等离子体中的辐射产生和传输. 本文报告了实验方案, 基于激光驱动的内爆, 是否可以很容易地扩展到广泛的材料, 为在巨大压力下对极端原子物理进行深远的研究开辟了道路.”

来自棱镜计算科学和桑迪亚国家实验室的研究人员以及来自LLE的其他研究人员, 包括物理学研究生David Bishel和Alex Chin, 也为这个项目做出了贡献.


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类别: 科学 & 技术