För första gången, Forskare har i en kontrollerad laboratoriemiljö isolerat effekterna av plasmageometrin i dess röntgenstrålningsspektrum – energifördelningen av den strålning som plasman avger.

Arbetet är också den första experimentella testbädden av teorier som beskriver ett fenomen som är känt inom astrofysiken som resonansspridning. Detta fenomen finns i ett plasma av tillräcklig storlek och täthet där fotoner emitteras i systemet och har en sannolikhet att återabsorberas och återutsändas flera gånger. Dessutom, forskare observerade den geometriska inversionen av ett plasma bara från dess spektrum för första gången.

Leds av postdoktor Gabriel Pérez-Callejo, nu vid University de Bordeaux, och kollegor vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), arbetet presenterades i Physical Review Letters. Arbetet utfördes som en del av experimentserien OpticalDepth vid Omega Laser Facility vid University of Rochester och var ett samarbete mellan LLNL och University of Oxford.

"Spektra för icke-isotropa plasma-grundläggande för att diagnostisera deras temperaturer och densiteter-varierar beroende på observatörens position, sade Pérez-Callejo, huvudförfattare till verket. "Även om det finns teoretiska metoder för detta problem, på grund av svårigheten att isolera plasmageometrin från andra variabler, ingen experimentell bekräftelse hade ännu erhållits. Vi kan nu få information om hur en geometri hos en plasma förändras, bara från sitt röntgenspektrum. "

Att kunna studera hur dessa geometriska variationer beror på utsiktsvinkeln för olika geometrier kommer att ge nya insikter om anomala astrofysiska data och kan till och med användas för att diagnostisera villkoren för tröghetsinspärrning (ICF) implosioner.

Pérez-Callejo förklarade att arbetet kommer att gynna astrofysiken genom att forskare kan bestämma geometrin hos strukturer inom galaxhopar eller stjärnatmosfärer, som inte kan lösas med nuvarande instrument. Han sa att forskningen också kommer att gynna ICF-experiment som använder cylindriska spårämnen.

"Detta kan göras genom att tidsupplösa spårämnets spektrum och observera hur dess geometri förändras med tiden, " sade han. "Forskare kan få ytterligare information om den hydrodynamiska utvecklingen av implosionen."

"Vårt mål har varit att tillhandahålla experimentella och teoretiska grunder för att anta en mer intuitiv uppfattning om en fysisk process som ofta verkar överdrivet komplex, sa Duane Liedahl, LLNL teoretisk teamledare. "Resonansspridningseffekten har sina historiska rötter i observationell och teoretisk astrofysik. Vi kan nu ge något tillbaka till astronomer som arbetar med att sluta sig till fysiska förhållanden och geometrier för strålningskällor som, självklart, kan inte kontrolleras. Korsbefruktningen mellan två annars disparata fält, astrofysik och HED-fysik, som fungerar på mycket olika storlek och tidsskalor, är en av de mer spännande aspekterna av detta projekt. "

För att utföra arbetet, forskarna använde cylindriska beryllium (Be) mål som innehöll en nedgrävd skiva av en blandning av skandium/vanadin (Sc/V). Genom att fotografera både fram- och baksidan av Be med samma laserstrålningsprofil, forskare lyckades skapa en enhetlig Sc/V plasmacylinder.

Röntgenkameror användes för att observera både den axiella och radiella expansionen av målen (vilket ger mätningar av deras geometri och densitet hela tiden) och röntgeninramade spektrometrar för att mäta deras spektra, både för emission i axiell och radiell riktning (och därigenom få sin temperatur och spektrala emission hela tiden).

Genom att ändra radien för den nedgrävda skiktskivan, forskare lyckades generera två plasma som utvecklades efter samma temperatur- och densitetsvägar, men hade en annan radie (skivans tjocklek följde samma bana i båda fallen). Detta gav teamets spektrala mätningar av den direkta effekten av att endast ändra radien för plasma.

Teamet genomförde forskningen vid Omega-anläggningen och visade effekten i röntgenspektra som emitteras av cylindriska plasma som genereras av laserstrålning med hög effekt, bekräftar den geometriska tolkningen av resonansspridning.