Ny forskning från University of Rochester kommer att öka noggrannheten hos datormodeller som används i simuleringar av laserdrivna implosioner. Forskningen, publicerad i tidningen Naturfysik , tar upp en av utmaningarna i forskarnas mångåriga strävan efter att uppnå fusion.

I experiment med laserdriven tröghetsfängelse (ICF), till exempel de experiment som utförts vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE), korta strålar bestående av intensiva ljuspulser - pulser som bara varar miljarddels sekund - levererar energi till värme och komprimerar ett mål för vätebränsleceller. Helst, denna process skulle släppa ut mer energi än vad som användes för att värma systemet.

Laserdrivna ICF-experiment kräver att många laserstrålar förökar sig genom en plasma-en varm soppa av fritt rörliga elektroner och joner-för att avsätta sin strålningsenergi exakt vid det avsedda målet. Men, när strålarna gör det, de interagerar med plasma på sätt som kan komplicera det avsedda resultatet.

"ICF genererar nödvändigtvis miljöer där många laserstrålar överlappar varandra i en het plasma som omger målet, och det har varit erkänt i många år att laserstrålarna kan interagera och utbyta energi, "säger David Turnbull, en LLE -forskare och tidningens första författare.

För att exakt modellera denna interaktion, forskare behöver veta exakt hur energin från laserstrålen interagerar med plasma. Medan forskare har erbjudit teorier om hur laserstrålar förändrar en plasma, ingen har någonsin tidigare demonstrerats experimentellt.

Nu, forskare vid LLE, tillsammans med sina kollegor vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien och Centre National de la Recherche Scientifique i Frankrike, har visat direkt för första gången hur laserstrålar ändrar villkoren för den underliggande plasma, i sin tur påverkar överföringen av energi i fusionsexperiment.

"Resultaten är en stor demonstration av innovationen på laboratoriet och vikten av att bygga en gedigen förståelse för laser-plasma-instabilitet för det nationella fusionsprogrammet, "säger Michael Campbell, direktören för LLE.

ANVÄNDA SUPERCOMPUTERS TILL MODELLFUSION

Forskare använder ofta superdatorer för att studera implosionerna som är involverade i fusionsexperiment. Det är viktigt, därför, att dessa datormodeller exakt visar de involverade fysiska processerna, inklusive utbyte av energi från laserstrålarna till plasma och så småningom till målet.

Under det senaste decenniet har forskare har använt datormodeller som beskriver den ömsesidiga laserstrålinteraktionen som är involverad i laserdrivna fusionsexperiment. Dock, modellerna har generellt antagit att energin från laserstrålarna interagerar i en typ av jämvikt som kallas Maxwellian distribution - en jämvikt man kan förvänta sig i växeln när inga lasrar är närvarande.

"Men, självklart, lasrar är närvarande, "säger Dustin Froula, en senior forskare vid LLE.

Froula konstaterar att forskare förutspådde för nästan 40 år sedan att lasrar förändrar de underliggande plasmaförhållandena på viktiga sätt. 1980, en teori presenterades som förutspådde dessa icke-Maxwellianska fördelningsfunktioner i laserplasma på grund av förmånsuppvärmning av långsamma elektroner av laserstrålarna. Under följande år, Rochester-examen Bedros Afeyan '89 (Ph.D.) förutspådde att effekten av dessa icke-Maxwellianska elektrondistributionsfunktioner skulle förändra hur laserenergi överförs mellan strålar.

Men saknar experimentella bevis för att verifiera den förutsägelsen, forskare redogjorde inte för det i sina simuleringar.

Turnbull, Froula, och fysik och astronomi doktorand Avram Milder genomförde experiment på Omega Laser Facility vid LLE för att göra mycket detaljerade mätningar av de laseruppvärmda plasma. Resultaten av dessa experiment visar för första gången att fördelningen av elektronenergier i en plasma påverkas av deras interaktion med laserstrålningen och inte längre kan beskrivas exakt med rådande modeller.

Den nya forskningen validerar inte bara en mångårig teori, men det visar också att laser-plasma-interaktion starkt förändrar överföringen av energi.

"Nya inline -modeller som bättre redogör för de underliggande plasmaförhållandena är för närvarande under utveckling, vilket bör förbättra förutsägbarhet för integrerade implosionsimuleringar, "Säger Turnbull.