방사선은 고밀도 플라즈마를 어떻게 통과합니까? 동종 최초의 실험적 증거는 플라즈마가 방사선을 방출하거나 흡수하는 방법에 대한 기존 이론을 무시합니다. 날짜: 2022년 11월 17일 원천: 로체스터 대학교 요약: 연구자들은 방사선이 고밀도 플라즈마를 통과하는 방법에 대한 실험 데이터를 제공합니다. 그들의 데이터는 플라스마 모델을 개선하여 과학자들이 별의 진화를 더 잘 이해할 수 있게 하고 대체 에너지원으로서 제어된 핵융합을 실현하는 데 도움이 될 수 있습니다.
대부분의 사람들은 물질의 세 가지 상태인 고체, 액체 및 기체에 익숙합니다. 그러나 플라스마라고 하는 물질의 네 번째 상태는 우주에서 가장 풍부한 형태의 물질로 태양계 전체에서 태양과 다른 행성체에서 발견됩니다. 자유롭게 움직이는 전자와 이온이 있는 원자의 뜨거운 수프인 고밀도 플라즈마는 일반적으로 극한의 압력과 온도에서만 형성되기 때문에 과학자들은 여전히 이 물질 상태의 기본을 이해하기 위해 노력하고 있습니다. 고에너지 밀도 물리학(HEDP)으로 알려진 분야인 극압 조건에서 원자가 어떻게 반응하는지 이해하면 과학자들은 행성 과학, 천체 물리학 및 융합 에너지 분야에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
HEDP 분야에서 중요한 질문 중 하나는 플라즈마가 방사선을 방출하거나 흡수하는 방법입니다. 고밀도 플라즈마에서 방사선 수송을 묘사하는 현재 모델은 실험적 증거보다는 이론에 크게 기반을 두고 있습니다.
Nature Communications 에 발표된 새 논문에서 로체스터 대학교 레이저 에너지 연구소(LLE)의 연구원들은 LLE의 OMEGA 레이저를 사용하여 방사선이 고밀도 플라즈마를 통과하는 방법을 연구했습니다. 저명한 과학자이자 LLE의 고에너지 밀도 물리학 이론 그룹의 그룹 리더이자 기계 공학 부교수인 Suxing Hu와 LLE의 레이저-플라즈마 상호 작용 그룹의 수석 과학자인 Philip Nilson이 이끄는 연구 , 극한 조건에서 원자의 거동에 대한 동종 최초의 실험 데이터를 제공합니다. 이 데이터는 플라스마 모델을 개선하는 데 사용되어 과학자들이 별의 진화를 더 잘 이해할 수 있게 하고 대체 에너지원으로 제어된 핵융합을 실현하는 데 도움이 될 수 있습니다.
"OMEGA에서 레이저 구동 내파를 사용한 실험은 우리가 원자와 분자가 그러한 극한 조건에서 어떻게 행동하는지 조사하기 위해 지구 표면 대기압의 수십억 배에 달하는 압력에서 극한 물질을 생성했습니다."라고 Hu는 말합니다. "이러한 조건은 소위 백색 왜성 외피와 관성 융합 표적 내부의 조건에 해당합니다."
X선 분광법 사용
연구원들은 방사선이 플라즈마를 통해 어떻게 전달되는지 측정하기 위해 X선 분광법을 사용했습니다. X선 분광법은 원자(이 경우에는 구리 원자)로 이루어진 플라즈마에 X선 형태의 방사선 빔을 극한의 압력과 열 하에서 조준하는 것을 포함합니다. 연구원들은 OMEGA 레이저를 사용하여 플라즈마를 생성하고 플라즈마를 겨냥한 X-레이를 생성했습니다.
플라스마가 X-선으로 충격을 받으면 원자의 전자는 빛의 광자를 방출하거나 흡수하여 한 에너지 수준에서 다른 에너지 수준으로 "점프"합니다. 검출기는 이러한 변화를 측정하여 부러진 뼈에 대한 X선 진단을 받는 것과 유사하게 플라즈마 내부에서 발생하는 물리적 프로세스를 나타냅니다.
기존 이론의 탈피
연구진의 실험적 측정은 방사선이 밀도가 높은 플라즈마를 통과할 때 원자 에너지 준위의 변화가 현재 플라즈마 물리학 모델에서 사용되는 기존 이론(소위 "연속체 저하" 모델)을 따르지 않는다는 것을 나타냅니다. 대신 연구원들은 실험에서 관찰한 측정값이 밀도 함수 이론(DFT)에 기반한 일관된 접근 방식을 통해서만 설명될 수 있음을 발견했습니다. DFT는 복잡한 시스템에서 원자와 분자 사이의 결합에 대한 양자 역학적 설명을 제공합니다. DFT 방법은 1960년대에 처음 기술되었으며 1998년 노벨 화학상을 수상했습니다.
"이 작업은 밀도가 높은 플라즈마에서 방사선 생성 및 전송이 어떻게 발생하는지에 대한 현재 교과서 설명을 다시 작성하기 위한 기본 단계를 보여줍니다."라고 Hu는 말합니다. "우리 실험에 따르면 일관된 DFT 접근 방식을 사용하면 밀도가 높은 플라즈마에서 방사선의 이동을 더 정확하게 설명할 수 있습니다." Nilson은 "우리의 접근 방식은 별과 관성 핵융합 표적에서 발생하는 고밀도 플라스마에서 방사선 생성 및 수송을 시뮬레이션하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공할 수 있습니다. 여기에 보고된 실험 계획은 레이저 구동 내파를 기반으로 하며 쉽게 넓은 범위로 확장될 수 있습니다. 엄청난 압력에서 극한의 원자 물리학을 광범위하게 조사할 수 있는 길을 열어줍니다."