Kinetisk instabilitet uppstår vanligen från anisotropa (olika egenskaper i olika riktningar) elektronhastighetsfördelningar inom jonosfär, kosmiska och terrestra plasma. Men bara en handfull experiment har validerat den teorin hittills. Ultrasnabba laserpulser kan användas under optisk fältjonisering av atomer för att generera plasma med kända anisotropa elektronhastighetsfördelningar för att förstå fenomenet i praktiken. I en nyligen genomförd studie, Chaojie Zhang och ett tvärvetenskapligt forskarteam vid avdelningarna för elektro- och datateknik, och fysik och astronomi i USA, visade att plasma genomgick tvåströmsfilamentering efter jonisering - men före kollisionsbaserad termalisering av de ingående elektronerna.

De observerade Weibel instabilitet (närvarande i homogen eller nästan homogen plasma) som isotropiserade (liknande egenskaper i alla riktningar) elektronfördelningarna. Forskarna mätte den polarisationsberoende frekvensen och tillväxthastigheten för dessa kinetiska instabiliteter med Thomson-spridning (TS) av en sondlaser, som stämde väl överens med den kinetiska teorin och simuleringarna. Forskargruppen demonstrerade en lätt deployerbar laboratorieplattform för att studera kinetiska instabiliteter inom plasma; resultaten är nu publicerade i Vetenskapliga framsteg .

Plasma är känsliga för kinetiska instabiliteter när hastighetsfördelningen av dess beståndsdelar plasmaelektroner, joner eller båda blir icke-termiska. Fysiker kan experimentellt validera teorin om dessa instabiliteter om de har direkt kunskap om de initiala hastighetsfördelningsfunktionerna för sådana plasmaarter. Med tillkomsten av intensiv ultrakortpuls, nära infraröda lasrar, forskare har joniserat atomer och/eller molekyler av en gas i några lasercykler för att generera anisotropa eller icke -termiska elektronhastighetsfördelningsfunktioner (EVD). Processen är känd som optisk fältinducerad eller tunneljonisering (OFI). Förmågan att initiera hastighetsfördelningsfunktioner kommer att tillåta forskare att kvantitativt testa den kinetiska teorin för plasma på ultrasnabba tidsskalor, före elektron-elektron (e-e) kollisioner och jontermikalisering. Dock, mekanismerna och tidsskalan i vilken plasmaelektroner utvecklades från ett anisotropt tillstånd till ett termiskt tillstånd förblir ett olöst experimentellt problem inom grundläggande vetenskap.

Som ett resultat av det extremt breda utbudet av situationer som ger upphov till kinetiska instabiliteter inklusive gammablixtar, elektronpositronplasma, magnetiska fält, protonsynkrotroner, solkorona och interplanetära medier. Det finns en omfattande mängd teoretiskt arbete om den kinetiska teorin om plasma. I det här arbetet, forskargruppen beskrev först kortfattat tre av de mest studerade kinetiska instabiliteterna som möjliggörs av OFI-plasma för kvantitativa studier i labbet. Till exempel, när plasmaelektroner är sammansatta av två eller flera sam- eller mot-propagerande strömmar (strålar) kan de bli instabila. Även om det finns en hel del teoretiskt arbete om kinetiska instabiliteter i plasma, de återstår att verifiera ytterligare i labbet. Forskarlag hade tidigare studerat dessa instabiliteter genom att skicka relativistiska elektronstrålar genom plasma eller genom att skapa två interpenetrerande plasma.

I det här arbetet, Zhang et al. visade att en ultrasnabb OFI (optisk fältinducerad jonisering) heliumplasma med en känd polarisationsberoende anisotropisk elektronhastighetsfördelning (EVD) var mottaglig för kinetisk strömning, filamentering och Weibel-liknande glödtrådsinstabiliteter. De mätte tillväxthastigheterna och frekvenserna av dessa instabiliteter med hjälp av tidsupplöst Thomson-spridning. De jämförde mätningarna mot självkonsistenta (exakta) partikel-i-cell (PIC) datasimuleringar och med teori därefter, och observerade god överensstämmelse.

I experimenten och simuleringarna, teamet initierade anisotropiska EVD-funktioner (elektronhastighetsfördelning) genom att jonisera den första och den andra heliumelektronen (He) antingen med cirkulärt polariserade (CP) eller linjärpolariserade (LP) Ti-Sapphire laserpulser. De övervakade elektronens joniseringspotential som laserintensiteten som krävs för att jonisera mer än 90 procent av He-atomerna via en tunnelmekanism som utvecklats någon annanstans. Under experimenten, EVD-funktionen för den andra He-elektronen var "hetare" än den första He-elektronen. Zhang et al. erhållit resultaten efter passage av linjära pulser från en 3-D partikel-i-cell (PIC) simulering, som de byggde med OSIRIS -koden. Elektronmomentumfördelningen liknade en "dubbel munk"-form för cirkulärt polariserade (CP) lasrar och en tvåtemperatursfördelning i riktningen för linjärt polariserade (LP) lasrar. De bekräftade att plasman som produceras på detta sätt har EVD-funktioner. De värden som uppmäts av forskargruppen stämde utmärkt överens med de värden som förväntades från PIC-simuleringen.

Forskargruppen använde sedan 2-D-simuleringar av optisk fältjonisering (OFI) -aktiverad kinetisk strömning och filamentationsinstabilitet i en He-plasma. Följaktligen, både strömning och filamentationsinstabilitet började växa omedelbart efter skapandet av plasma. De observerade strömningsinstabiliteten för att så småningom mätta och dämpa mycket snabbt och Zhang et al. förväntade sig därför på liknande sätt att glödtrådsinstabiliteten skulle ha jämförbart temporalt beteende. I senare skeden, Weibelliknande filamenteringsinstabilitet som drivs av en reducerad men begränsad temperaturanisotropi hos elektronerna började dominera i plasma.

För att få ytterligare information om kinetisk instabilitet, Zhang et al. sonderade en vågvektor. För detta, de använde antingen en 400 nm laser eller en 800 nm laser med en 5 nm bandbredd och 100 femtosekunders (fs) pulsbredd och sonderade elektrostatiska komponenter av plasmainstabilitet. De mätte spektra och observerade två anmärkningsvärda egenskaper. I början, elektronfunktionen växte och mättades för att dämpas inom en tidsram som var mycket kortare än tiden för elektron-elektronkollision. Nästa, spektralförskjutningen av elektronsärdraget visade avvikande beteende från den vanliga Langmuir-vågen (elektrostatiska plasmaoscillationer). Toppfrekvensen för elektronfunktionen och existensen av nollfrekvensfunktionen var väsentliga bevis för Zhang et al. för att bekräfta streaming och filamentösa instabiliteter i installationen. Forskargruppen undersökte ytterligare streaming, filamentering och Weibel-instabiliteter inducerade av cirkulära polarisationslasrar i stor utsträckning inom det experimentella systemet.

Forskarna spårade också utvecklingen av elektronhastighetsfördelningar och temperaturanisotropi av optisk fältjonisering i en 2D-simulering. De modellerade konsekvent jonisering och evolution av plasman i simuleringen samtidigt som de exkluderade Coulomb-kollisioner för att isolera effekten av instabiliteter på temperaturanisotropi. De observerade kinetiska instabiliteter i experimenten, på grund av vilket anisotropin av plasma snabbt sjönk.

När Weibel-instabiliteten mättades i simuleringen, magnetfälten självorganiserade till en kvasi-spiralformad struktur som förutspåtts på annat håll. Med hjälp av ytterligare simuleringar, Zhang et al. bekräftade att elektronkollisioner inte spelade någon signifikant roll under de första 10 pikosekunderna efter plasmabildning. Under denna tid, kinetiska instabiliteter dominerade isotropisering av plasma, dock, så småningom kommer kollisionerna att termalisera plasman.

Forskargruppen undersökte också de kinetiska instabiliteten som induceras av linjära polarisationslasrar, som visade kontrasterande resultat till de cirkulärt polariserade lasrarna. I det här fallet, instabiliteten drevs av reflekterade elektroner, som fortplantade sig genom långsammare rörliga elektroner. Modens frekvensspektrum var smalare än med CP-lasrar. Den experimentella processen tog också längre tid för streaminginstabiliteten att växa och mättas. Zhang et al. observerade en anmärkningsvärd överensstämmelse mellan mätningarna och simuleringen.

På det här sättet, Chaojie Zhang och kollegor visade möjligheten att generera "designer" EVD:er med en kombination av villkor inklusive olika polarisationer, våglängder, intensitetsprofiler och joniserande media. Teamet kontrollerade drifthastigheten och tvärgående temperaturer för strömmarna genom att ändra polarisationsellipticiteten för att undertrycka strömning eller filamentationsinstabilitet. Forskarna visade att ultrasnabba OFI-plasma var icke-termiska med en höghastighetsanisotropi. Plasmerna genomgick strömning och filamentösa instabiliteter, följt av Weibel-liknande filamenteringsinstabilitet för att isotropisera plasman. När de mätte den polarisationsberoende frekvensen och tillväxthastigheten för dessa kinetiska instabiliteter, resultaten stämde väl överens med den kinetiska teorin och simuleringarna. Forskargruppen utvecklade och demonstrerade på så sätt en lätt deployerbar plattform för att studera plasmakinetiska instabiliteter i labbet.

© 2019 Science X Network