Микроскопические плазменные пузыри оказались на удивление нестабильными
|
Сверхмощный лазерный импульс, прожигая мишень насквозь, порождает облачко сильно замагниченной плазмы. Американские физики, проследив за поведением этого облачка, выяснили, что плазма в нём более нестабильна, чем считалось ранее.
Концентрированный свет жжется — согласно легенде, это было известно еще Архимеду. Только сейчас, в отличие от тех времен, физики уже не собирают солнечный свет зеркалами, а конструируют сверхмощные импульсные лазеры, луч которых в мгновение ока прожигает предметы насквозь. Оказывается, такой эксперимент позволяет узнать немало интересного о... свойствах замагниченной плазмы, что, в свою очередь, может пригодиться в астрофизике (см. подборку популярных статей по физике плазмы в Соросовском образовательном журнале).
В современных экспериментах мощность короткого лазерного импульса можно сделать настолько большой, что материал мишени (например, тонкой пленки) не успеет ни расплавиться, ни загореться, а сразу (за доли наносекунды) превратится в плазму. Если лазерный импульс не слишком короткий (например, 1 нс), то это облачко плазмы выдувается наружу, «впитывая» при этом энергию светового импульса, и лишь после его прекращения начинает остывать. В результате получается плазма с очень высокой концентрацией энергии и сильными магнитными полями (вплоть до 100 Тесла). Ее динамика очень интересна физикам, но до сих пор в экспериментах по прожиганию мишеней ее проследить не удавалось.
На днях группа американских исследователей опубликовала в работе Phys. Rev. Lett. 99, 015001 (2 July 2007) результаты эксперимента, который впервые смог показать этот процесс в динамике (статья доступна на сайте одного из авторов, pdf, 260 Кб). Эти результаты, с одной стороны, примерно подтвердили ожидания физиков, но с другой стороны, кое в чём их и озадачили.
«Ноу-хау» этой группы заключалось в очень изящной схеме пространственного «картографирования» магнитного поля субмиллиметровых размеров за очень короткое время. На расстоянии нескольких миллиметров от мишени размещалась ампула с дейтерием и гелием-3, готовая к микротермоядерному взрыву. Этот микровзрыв осуществлялся сразу после прожигания мишени. Родившиеся в нём протоны, разлетаясь во все стороны, проходили вначале сквозь мелкую сеточку, затем сквозь облачко плазмы и попадали на экран. Если бы в плазме не было магнитного поля, то на экране получилось бы четкое неискаженное изображение сеточки. Но поскольку магнитное поле в плазме слегка отклоняет протоны, изображение получалось деформированным, и благодаря этому удалось вычислить пространственное распределение поля. Этот метод в чём-то напоминает то, как астрофизики строят карты темной материи, используя отклонение света от далеких галактик в поле гравитации.
|
Разработанная экспериментальная методика позволила с высокой точностью восстановить динамику плазменного пузыря. Выяснилось, во-первых, что самое сильное магнитное поле располагалось не внутри, а на самой поверхности пузыря. Во-вторых, пока лазерный луч давил на облачко, оно расширялось, сохраняя совершенно симметричную полусферическую форму. Однако как только световой импульс выключался, эта форма быстро становилась несимметричной.
Авторы сравнили эти данные с результатами численного моделирования и выяснили, что имеется несогласие на втором этапе процесса (то есть при выключенном луче). Теоретики не ожидали, что нестабильность в плазме будет развиваться так быстро, а это происходит, по всей видимости, из-за того, что плазма остывает заметно быстрее, чем считалось. Теоретикам теперь предстоит перепроверить, было ли что-то упущено в программах моделирования плазмы или же тут есть предмет для более глубокого теоретического исследования (к слову сказать, всевозможные нестабильности — это одна из отличительных черт плазмы; именно из-за них пока что не удается запустить термоядерный реактор).
Источник: C. K. Li et al. Observation of the Decay Dynamics and Instabilities of Megagauss Field Structures in Laser-Produced Plasmas // Physical Review Letters, 99, 015001 (2 июля 2007 года).
Игорь Иванов
