物理 极端的观点：X射线探测极端物质

极端的观点：X射线探测极端物质

唐纳德·Umstadter， 大学物理和天文学，内布拉斯加-林肯，林肯，NE 68588，USA

发布时间2012年8月6日|  物理 ，88（2012）  DOI：10.1103/Physics.5.88

如何离子在等离子体中的表现，像明星和激光核聚变研究中发现的X射线激光测试模型的实验测量。

在一个密集的等离子的电离电势萧条的直接测量

O。Ciricosta等。

物理。快报。 109，065002（2012）

发布时间2012年8月6日| PDF（免费）

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APS / 艾伦斯通布雷克

图1 简化表示法的电离势抑郁症。（左上）离子隔离。的固体同心圆表示的离子的电子能级。在一个孤立的离 ??子原子能级图（左下），电子仍然绑定到离子，因为它们的能量低于在连续的能量（虚线）。（上图右）在高密度等离子体中的离子。界之间的间距相对应的电离电位抑郁症。外的红色圆圈代表的是“离子球”，用来模拟离子电荷被中和的程度。（右下端）在稠密等离子体的电离电势降低，并且在连续的能量电平被降低，导致气压电离。

它需要一个强电场电离原子或离子在等离子体的创作。这些字段可以在闪电（放电），氖光灯泡，在激光的焦点，并在粒子束的路径产生的。电浆本身也可以有足够强的领域内，以进一步电离离子，因为人们可能预期等量的正电荷和负电荷的相互抵消，这也许是不太明显的。在“物理评论快报”，奥兰多Ciricosta在英国牛津大学，和同事让使用的是世界上最亮的X射线激光源，在直线加速器相干光源（LCLS）在斯坦福线性加速器[ 1 ]，以创建等离子足够密集测试模型如何发生电离的物质接近中发现的天体物理学机构或在热核聚变[ 2 ] 创建。

等离子体中，根据定义，在一种离子化的状态，因此电场的来源，但他们也准中性，因为移动（免费）电子通常形成云周围的正离子，筛选它们的电荷。那么，为什么会在这样的环境中的离子嵌入进一步电离及其周边地区吗？答案是，在高温等离子体密度，电荷屏蔽效果的减弱，离子定位更紧密的合作，从而增加了他们的相互作用势。因此，电子绑定到一个给定的离子会被吸引向周边离子向外，倾向于取消通常向内库仑引力结合电子的核心。净结果是，所需要的能量来释放一种束缚电子（电离电势）变小（图1）。对于弱结合的外层电子，此“电离电位的抑郁症”可以等于本身和电子成为自由的电离电势。这后一种过程通常被称为“压力电离，”因为压力的能量密度，或“持续降低，”因为随着密度的增加，量子数较低的状态之间的最后的束缚态和连续的区别消失。

严格地说，古典等离子体准中性的，而在高密度和低的温度的状态的物质具有高的离子相互作用势，从而表现得更像液体或固体。（事实上??，连续电子释放由压力电离负责室温的金属的高传导性的。）电离的媒体，这种状态通常被称为“温暖的致密物质。”它发生在某些天体的内部，如的巨型气体行星和塌陷的恒星，以及在激光加热目标的惯性限制，受控热核聚变实验。

在实验室中创造温暖的致密物质，让我们来测试理论预测的电离电势的密度和温度的依赖。反过来，这些理论形成的基础上，用于模拟在天体物理学条件会发生什么情况。在实验室中创建一个高密度的等离子体的最可控的方式是快速加热的固体密度的对象，如薄金属箔。如果箔片被加热的速度足够快，那么它将不会扩大多之前或期间，它的电离电势的测量，和密度将保持相对恒定的室温下为固体的值接近。，因为他们接受各种原子跃迁光谱的离子显示稠密等离子体环境中的离子受到影响。这些光谱进行比较，可以包括任何各种电离模型的计算机模拟的预测，发现实验和理论之间的最佳匹配。

超短持续时间的任务，迅速 ??把它变成一个密集的等离子加热固体激光脉冲是一个显而易见的选择。直到最近，仅适用于激光器的近红外（或光）波长的激光，这几个实验组[ 3，4，5 ]的连续降低，等离子体密度的函数来衡量的程度。这些结果和其他人，通常会发现，同意与特定的离子模型，斯图尔特-派亚特模型[ 6 ]，这已被纳入许多仿真模型在等离子体物理。

ciricosta 等人的[ 2 ]实验使用的是不同类型的激光：x射线自由电子激光器（XFEL）。X射线激光器不同的热固体比红外激光器做的。X射线是一个千电子伏或以上，可直接淘汰的核心电子从原子中，而红外光主要是激发价和等离子电子。此外，X射线进一步渗透到材料比红外辐射。ciricosta 等，因此，能够非常均匀地辐射在整个固体他们研究的铝箔和将其加热至电子伏特的温度下（大于万度开尔文），创建固体密度等离子体[ 7 ]。?1001

X射线也让球队探测

-α荧光线路中铝发出的光，当一个X射线踢了一个核心（

壳）电子和价电子落入留下的孔。在这些荧光光谱频移的电离势抑郁症发生在密集的等离子显示。

约Ciricosta 等人的结果是令人惊讶的是，他们的数据更适合由埃克和KROLL 8的模型，已经提出早于流行的斯图尔特-派亚特模型，但到现在为止，相对忽视。虽然这两种模型和半经典，埃克和KROLL模型的作出了不同的假设计算的筛选和预测一个较大的游离潜在的抑郁症。电离等离子体中的复杂性，正如作者说，无论是模型可以充分捕捉到它。然而，最近的一项研究却毫不含糊地确定哪种模式最适合的数据，根据他们的特殊情况下，这是接近那些温暖的致密物质。他们的研究结果可能会提示重新考虑在几个重要的天体物理学和核聚变模拟代码的电离模型。他们的成功可以归因于既利用了不同的实验方法，以及更好的参数控制所提供使用的XFEL。

XFEL工作代表，在一定意义上，文化上的转变。在过去，这些测量结果进行一个长时间的运动只是少数几个人，而Ciricosta 等人的实验花了闪电战的方法：一队

从

机构的研究人员在一个星期进行了实验。显然需要一个大的合作计划，并在短的时间内分配给各组之一的一类直线加速器相干光源的X射线激光实验成功执行。

XFEL用户的时间压力在将来可能会减轻。正在添加更多的实验站的直线加速器相干光源，一个更加充满活力的XFEL是即将落成的德国电子同步加速器（DESY）在汉堡，德国。与此同时，其他物理学家一个完全不同的战略，对提高供应XFELs：他们正试图缩小其规模大小，一所大学的规模，更换公里长的传统的直线加速器电子加速器运行他们用一

米长的激光驱动[ 9，10 ]。巧的是，这些激光驱动器再次加热稠密物质在早期的研究中使用的近红外激光器。如果这种努力最终成功，因此，它会带来密集物质研究与红外激光器完整的圆。现在，虽然，Ciricosta 等人。的研究证明，一个大的团队的工作状态-的-的-艺术激光，甚至当它是可用的只是一个有限的实验运行，可以使一个重要的进步在一个极端的认识的物质状态。

参考文献

1. LCLS的主页，http://lcls.slac.stanford.edu.library.unl.edu。
2. O. Ciricosta 等人，“在一个密集的等离子的电离电势萧条直接测量，” 物理。快报。 109，065002（2012年）。
3. DK布拉德利，“时间分辨激光震惊的固体，” 物理的 连续边移测量。快报。59，2995（1987） 。
4. O.威利·莱利，，SJ玫瑰，和“T. Afsharrad，”固体激光震惊，“ Europhys 的K吸收边的蓝移。快报，10，135（1989） 。
5. M. Nantel，G.麻古，S.，CY科特迪瓦，J. Itatani，D. Umstadter，“气压电离和100 fs的激光脉冲，” 物理的 强耦合等离子体生产线合并。快报。80，4442（1998） 。
6. JC·斯图尔特和KD派亚特，“降低等离子体中的电离势，” 天体物理学报。J. 144号，第1203（1966） 。
7. SM VINKO 等人，“创造的固体密度等离子体诊断用X-射线自由电子激光”，自然 482，59（2012年）。
8. G. Kroll公司，埃克和W.“，” 物理学 的热力学平衡等离子的电离能降低。流体6，62（1963） 。
9. D. Umstadter，F.他，和Y议员，美国专利号7321604（2008）。
10. M.富克斯 等人，“激光驱动的软X-射线波荡器源” 自然物理学。 5，826（2009） 。

关于作者：唐纳德Umstadter

他的博士，博士Umstadter研究激光驱动的电子加速器 在美国加州大学洛杉矶分校的物理论文。然后，他在贝尔实验室的博士后期间研制的激光产生的X射线源。作为一个在美国密歇根大学的教授，他研究相对论的超高强度激光的非线性光学。Umstadter博士被任命为奥尔森在内布拉斯加 - 林肯大学物理与天文系教授，他创立了极致轻薄的实验室，现在家里的的拍瓦峰值功率迪奥克莱斯的激光。他，使用Diocles研究的物理和应用新型激光驱动的超光谱辐射来源。他是一个资深的美国物理学会（APS），并在2008年，他被认定为APS优秀裁判员。