उच्च तीव्रता लेजर प्लाज्मा इंटरैक्शन में सापेक्ष प्रभाव पर भौतिकी संगोष्ठी

यह संगोष्ठी लॉस एलामोस नेशनल लैब के डॉ। डेविड स्टार्क द्वारा प्रस्तुत की गई थी और यह लेजर-प्लाज्मा सिस्टम में सापेक्ष प्रभाव के कुछ और असामान्य पहलुओं को छूती थी।

कौन हैं डॉ। डेविड स्टार्क?

डॉ। डेविड स्टार्क ने मेरे भौतिकी के प्रोफेसर, डॉ। चिन्मय भट्टाचार्जी के साथ काम किया, जब वे दोनों टेक्सास विश्वविद्यालय में ऑस्टिन में of ग्रेजुएट स्कूल में थे। यूटी ऑस्टिन में अपने समय के दौरान, डॉ। स्टार्क ने लेजर-प्लाज्मा इंटरैक्शन पर काम किया, जबकि मेरे प्रोफेसर ने प्लाज्मा खगोल भौतिकी पर काम किया। स्टार्क ने खगोल विज्ञान, क्वांटम प्लाज्मा, लेजर-प्लाज्मा इंटरैक्शन से भौतिकी के विभिन्न क्षेत्रों पर काम किया है, और कॉम्पैक्ट वस्तुओं के पास सामान्य सापेक्षतावादी plasmas पर मेरे प्रोफेसर के साथ काम किया है।

डॉ। स्टार्क वर्तमान में लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी, न्यू मैक्सिको में एक शोध वैज्ञानिक हैं। उन्होंने अपने शोध करियर का निर्माण विदेशी प्रणालियों के एक मेजबान में प्लास्मा के अध्ययन के आसपास किया है। अपनी शिक्षा के आरंभ में, उन्होंने उच्च-ऊर्जा खगोलीय घटनाएँ, जैसे, AGN जेट्स, एटा कैरिना विस्फोट का मॉडल तैयार किया और इससे उन्हें प्लाज्मा भौतिकी में अपने स्नातक कार्य करने में मदद मिली। UT ऑस्टिन में ऊर्जा विभाग के लिए एक स्नातक साथी के रूप में, उन्होंने उच्च-तीव्रता वाले लेजर-प्लाज्मा इंटरैक्शन पर अपने शोध प्रबंध पर ध्यान केंद्रित किया, जो सापेक्ष अनुप्रयोगों और विकिरण पीढ़ी के लिए शोषण किया जा सकता है। स्नातक स्तर की पढ़ाई के बाद, उन्होंने लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी में एक पोस्ट-डॉक्टरेट की उपाधि प्राप्त की, जहां उन्होंने स्थायी स्थिति लेने से पहले लेजर-आयन त्वरण का अध्ययन किया। वह लेजर-प्लाज्मा इंटरैक्शन पर अपना काम जारी रखता है, ज्यादातर अस्थिरता पर ध्यान केंद्रित कर रहा है जो कि जड़त्वीय संलयन फ्यूजन (आईसीएफ) सिस्टम को प्रभावित कर सकता है।

पृष्ठभूमि और प्रेरणा

लगभग 60 साल पहले, लेजर तकनीक ने वास्तव में बंद कर दिया, जिसने भौतिकी समुदाय को पहले दुर्गम भौतिकी के साथ काम करने और प्रौद्योगिकी में नए एप्लिकेशन बनाने में सक्षम बनाया।

निम्नलिखित ग्राफ कई दशकों तक फैला है और वर्णन करता है कि वाट्सएप प्रति वर्ग सेंटीमीटर में हम कितनी गहनता से लेजर प्राप्त कर सकते हैं। विशेष रूप से, हम देखते हैं कि 1985 में चहकते हुए पल्स एम्प्लीफिकेशन (सीपीए) के विकास ने वास्तव में तेजी से विकास की अनुमति कैसे दी।

हम कई अलग-अलग शासनों से गुजरने में सक्षम हैं, यहां तक ​​कि इसे 10 ^ (20) की तीव्रता तक भी प्राप्त कर सकते हैं, यही वह बिंदु है जहां इलेक्ट्रॉन लेज़रों का उपयोग करके प्रकाश की गति के करीब गति कर सकते हैं। प्रगति का अनुमान बस थोड़ा आशावादी लग सकता है, लेकिन हम वर्तमान में 10 ^ (22) से 10 ^ (23) के बीच केंद्रित तीव्रता के साथ लेजर का उत्पादन करने के लिए अनुकूल हैं, और एक बार जब हम इससे ऊपर उठते हैं तो हम 3 डी प्रभाव और सभी देखना शुरू कर सकते हैं क्वांटम प्रभाव के प्रकार।

यह अभी भी एक रोमांचक प्रक्षेपण है जो लेजर भौतिकी में हो सकता है। विशेष रूप से, वे इसका उपयोग लेजर-प्लाज्मा इंटरैक्शन का अध्ययन करने के लिए कर रहे हैं, जहां लेजर बहुत जल्दी लक्ष्य बना रहे हैं और प्लास्मा बना रहे हैं। फिर अचानक बहुत मजबूत विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों में ये चार्ज कण होते हैं, जो एक बहुत जटिल समस्या पैदा करता है। हालांकि, इसका उपयोग विकिरण स्रोत बनाने के लिए किया जा सकता है, या संभवतः एक दिन जोड़ी-उत्पादन के लिए ऊर्जा का पुनर्वितरण भी किया जा सकता है।

अनुप्रयोग

इन इंटरैक्शनों के मूल भौतिकी का अध्ययन करके आने वाले अनुप्रयोगों में से कुछ:

  • प्रयोगशाला खगोल भौतिकी
  • आयन फास्ट इग्निशन: लॉस अलामोस में बहुत से काम जड़त्वीय कारावास संलयन पर केंद्रित है, जो मूल रूप से लेजर का उपयोग करता है, परमाणु संलयन के लक्ष्य के साथ प्लाज्मा पुलेट को संपीड़ित करता है
  • आयन बीम अनुप्रयोग: हैड्रॉन थेरेपी, जिसमें कुछ चिकित्सा उद्देश्य हैं
  • एक्स-रे और गामा-रे उत्पादन: इन परस्पर क्रियाओं द्वारा उत्पन्न होने वाले सुपर सापेक्षवादी इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्पन्न

कण-सेल टूल्स का उपयोग सिमुलेशन और सैद्धांतिक

चूंकि यह अनिवार्य रूप से एक बहुत ही जटिल ईएंडएम समस्या है, भौतिकी समुदाय ने व्यापक रूप से इन कण-इन-सेल कोडों को अपनाया है, जो प्राथमिक वर्कहॉर्स हैं जो सिमुलेशन और प्रयोगात्मक मॉडलिंग करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। वे गतिज कोड हैं, इसलिए वे वास्तव में एक स्थानिक डोमेन पर लाखों और अरबों मैक्रो-कणों का पालन करते हैं, और प्रत्येक मैक्रो-कण एक निश्चित संख्या में वास्तविक कणों से मेल खाते हैं। और अधिक मैक्रो-कणों के साथ आपके पास अधिक यथार्थवादी है सिमुलेशन, बेहतर है कि आप एक वितरण फ़ंक्शन और इसके आगे का नमूना कर सकते हैं।

सापेक्षवादी पारदर्शिता

एक प्लाज्मा के माध्यम से प्रकाश प्रसार आमतौर पर एक फैलाव संबंध द्वारा विवश होता है, जो आवृत्ति और लहर वेक्टर के बीच एक संबंध है। और इसलिए n_critical या उससे नीचे के केवल दिए गए घनत्व लक्ष्य के लिए एक महत्वपूर्ण सीमा है। मतलब केवल कुछ आवृत्तियाँ ही उस लक्ष्य के माध्यम से प्रचारित कर सकती हैं, और यदि यह एक उच्च पर्याप्त आवृत्ति है तो इसके माध्यम से प्रवेश कर सकती है, लेकिन यदि यह कम पर्याप्त आवृत्ति है तो यह परिलक्षित होती है।

उदाहरण के लिए, एक लेज़र-प्लाज्मा इंटरेक्शन में, जहाँ वे इन लक्ष्यों को बहुत अधिक गर्म कर रहे हैं, नाड़ी का प्रारंभिक भाग आकर लक्ष्य से टकराएगा और फिर यह परिलक्षित होगा क्योंकि यह घने से अधिक है, हालाँकि, जैसे-जैसे लक्ष्य बढ़ता जाता है और फैलता जाता है। , अंततः लक्ष्य पारदर्शी हो जाता है और लेजर पल्स के पीछे के माध्यम से प्रेषित होता है, और इसलिए हम देखते हैं कि यह घने हो जाता है।

अब वास्तव में एक सापेक्ष लेजर-प्लाज्मा इंटरैक्शन में क्या हो रहा है, यह है कि जैसे ही कण सापेक्ष रूप से आवेशित हो जाते हैं, क्योंकि वे प्रकाश की गति के करीब हो जाते हैं, उनका लोरेंत्ज़ फैक्टर, गामा, 1 से अधिक और बड़ा होने वाला है।

और इसलिए प्लाज्मा की आवृत्ति कृत्रिम रूप से उस गामा कारक से कम हो जाती है। इसका मतलब है कि महत्वपूर्ण आवृत्ति छोटी हो जाती है। आवृत्ति जो पहले परिलक्षित होती थी, अब पारदर्शी हो सकती है। तो यह वास्तव में एक बहुत ही उच्च सापेक्ष प्रणाली में महत्वपूर्ण आवृत्ति अस्वीकृति के लिए प्रशंसनीय बन सकता है। यह सापेक्षतावादी पारदर्शिता की घटना है और इसे अनिवार्य रूप से एक सापेक्षतावादी द्रव्यमान के रूप में जाना जाता है जो महत्वपूर्ण आवृत्ति को छोड़ देता है।

यह विवरण पूरी तरह से एक सापेक्ष द्रव्यमान पर आधारित है, जिसका अर्थ है कि यह मायने नहीं रखता है कि प्लाज्मा में ऊर्जा कैसे वितरित की जाती है।

इसलिए वे इस सवाल का जवाब देना चाहते थे: अगर सिस्टम में रिलेटिव थर्मल अनिसोट्रॉपी हो तो क्या होगा?

मूल रूप से, समानांतर दिशा के बजाय, यह सीधा दिशा में सबसे गर्म है तो क्या होगा?

सिद्धांत के प्रमाण के रूप में, उन्होंने एक परिपत्र ध्रुवीकृत लेजर पल्स लिया और इसे एक प्लाज्मा स्लैब पर रखा। तब प्लाज्मा स्लैब को वितरण समारोह में निर्मित अनिसोट्रॉपी के साथ एक सापेक्ष वितरण समारोह के साथ पूर्व-आरंभ किया गया था।

सिमुलेशन दो रैखिक ध्रुवीकरण के साथ नीचे के साथ अनुमानों के परिणामस्वरूप हुआ। तो गोलाकार ध्रुवीकृत पल्स में दो रैखिक घटक होते हैं। और हम देख सकते हैं कि वास्तव में लक्ष्य के पीछे के माध्यम से जो संचारित होता है, वह वास्तव में नीचे की ओर ध्रुवीकरणों में से एक है। अधिकांश नाड़ी परिलक्षित होती है क्योंकि हम आलोचना के मध्यवर्ती शासन में हैं। लेकिन हम यह भी देखते हैं कि हम लक्ष्य के साथ बातचीत करने के बाद रैखिक रूप से ध्रुवीकृत नाड़ी में बदलकर एक गोलाकार ध्रुवीकृत नाड़ी का तरजीही ध्रुवीकरण प्राप्त कर सकते हैं।

यह बताता है कि सापेक्ष द्रव्यमान भार का वर्णन पूरी कहानी नहीं हो सकता है क्योंकि यह सभी विभिन्न ध्रुवीकरणों के लिए सटीक समान महत्वपूर्ण सीमा का अनुमान लगाएगा। इससे पता चलता है कि एक महत्वपूर्ण थ्रेशोल्ड है जो प्लाज्मा में निर्भर ध्रुवीकरण है।

उन्होंने तब अपनाया, फीचर्ड सिमुलेशन में, एक संशोधित सापेक्षवादी मैक्सवेलियन वितरण समारोह। हालांकि, उन्होंने एप्सिलॉन के माध्यम से अनीसोट्रॉपी कारक को शामिल किया। इसलिए जब एप्सिलॉन शून्य होता है, तो यह एक आदर्श मानक सापेक्षतावादी मैक्सवेलियन वितरण फ़ंक्शन है, लेकिन यह उस पैरामीटर द्वारा समझा जाता है कि यह समझने के लिए कि क्या होता है जब थर्मल अनिसोट्रॉपी होती है।

वे फैलाव संबंधों के वितरण के रैखिक गतिज विश्लेषण प्राप्त करने में सक्षम हैं और फिर महत्वपूर्ण आवृत्तियों की गणना करते हैं।

प्रत्येक महत्वपूर्ण आवृत्ति समान आइसोट्रोपिक कारक को साझा करती है, जो मानक सापेक्षतावादी द्रव्यमान भार से होती है, लेकिन उनमें से एक के कारण बहुत अधिक घट जाती है।

और इसलिए यह अनिसोट्रॉपी सुधार कारक है जो ध्रुवीकरण के आधार पर अलग है। यह हमें बताता है कि दो ध्रुवीकरणों के बीच और वाई-ध्रुवीकृत मामले में महत्वपूर्ण आवृत्ति अलग है, जहां यह कम है, इसका मतलब यह है कि अधिक पारदर्शिता है जिसे विश्लेषणात्मक रूप से भविष्यवाणी की जा सकती है जब एक गर्म डिग्री की स्वतंत्रता के साथ ध्रुवीकृत लहर होती है एक प्लाज्मा।

उन्होंने फिर ध्रुवीकरण प्रक्रिया को उलटा कर दिया और एक रैखिक ध्रुवीकृत नाड़ी भेज दी और क्योंकि यह प्रत्येक ध्रुवीकरण के साथ अलग-अलग प्रचार करेगा कि वे पीछे की तरफ से एक गोलाकार ध्रुवीकृत नाड़ी प्राप्त करने में सक्षम थे। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रत्येक ध्रुवीकरण के विभिन्न चरण वेगों को स्थानांतरित किया जा रहा है।

डॉ। स्टार्क ने गैर-सापेक्षवादी प्रणाली के साथ चीजों को बहुत ठंडा बनाने और सटीक समान ऐसोट्रॉपी कारक रखने के साथ किया, और परिणामों से पता चला कि यह केवल अनिसोट्रॉपी प्रभाव नहीं है, लेकिन यह भी व्यावहारिक है।

यह संभावित रूप से एक नया तरीका है कि निदान प्लाज्मा के राज्य को चिह्नित करने के लिए लेजर-प्लाज्मा इंटरैक्शन में निदान किया जा सकता है और संभावित नए ऑप्टिकल उपकरणों के लिए स्वयं प्लाज्मा का भी उपयोग कर सकता है।

यह कुछ कार्य डॉ स्टार्क ने अपने शोध प्रबंध के दौरान किया था।

लेजर आयन त्वरण

जब आप किसी लक्ष्य पर उच्च तीव्रता वाली लेजर घटना करते हैं तो आयन कैसे तेज होते हैं? खासतौर पर जब लक्ष्य लेजर के प्रति पारदर्शी हो जाता है।

पृष्ठभूमि

जब आप इस सभी लेजर ऊर्जा को अंतत: आयन आबादी में स्थानांतरित करने का प्रयास करते हैं, और इसलिए एक मध्यस्थ के रूप में इलेक्ट्रॉनों का उपयोग किया जाता है। लोगों को देखने वाले सबसे सामान्य तंत्रों में से एक को टारगेट नॉर्मल सेथ एक्सेलेरेशन (TNSA) कहा जाता है, जिसमें प्लाज्मा लक्ष्य पर एक लेजर घटना होती है, जो अधिक घनी होती है। यह पारदर्शी नहीं है, यह सिर्फ लक्ष्य के सामने मार रहा है। लेज़र लक्ष्य के सामने इलेक्ट्रॉन को गर्म कर रहा है, जिसे बाद में लक्ष्य के पीछे के माध्यम से त्वरित किया जाता है जहां उन्होंने इस बहुत मजबूत आभासी कैथोड को स्थापित किया है, और इसलिए पीछे के इन आवेशित इलेक्ट्रॉनों के कारण वास्तव में एक मजबूत क्षेत्र है। लक्ष्य का, और फिर पीछे की परत से आयनों को तेज करते हैं।

यह लेजर आयन त्वरण के सबसे अधिक समझा जाने वाला तंत्र है; यह हमेशा लक्ष्य को सामान्य गति प्रदान करता है। हालाँकि, इसके अलावा, कई अन्य आयन त्वरण तंत्र हैं जिनकी चर्चा और खोज की गई है, लेकिन बहुत अधिक समझौता नहीं है, जिस पर त्वरण तंत्र हावी हैं, किन परिस्थितियों में, किस प्रकार की ऊर्जा आप प्राप्त कर सकते हैं, और इसलिए उसके दौरान डॉक्टर के बाद डॉक्टर स्टार्क ने आयन त्वरण तंत्र को विशेष रूप से देखा, खासकर जब एक त्वरित शासन के तहत, जब लेजर को लक्ष्य को भेदने की अनुमति होती है।

उन्होंने लक्ष्य को भेदते हुए लेजर का एक 3D सिमुलेशन चलाया। प्रारंभ में बड़े पैमाने पर प्रतिबिंब होता है, लेकिन फिर यह प्लाज्मा को गर्म करने की अनुमति देता है जिससे यह विस्तारित हो जाता है, और इसे सापेक्ष रूप से ड्राइविंग भी करता है ताकि अंततः यह पारदर्शी हो जाए।

कण-इन-सेल सिमुलेशन में, उन्होंने बहुत सारे कणों को टैग किया। इसलिए उनके पास लेजर पल्स आ रहा है और यह लक्ष्य पर घटना है, लेकिन उन्होंने अपने स्थान और ऊर्जा की निगरानी के लिए विशिष्ट आयनों को टैग किया ताकि वे उनकी गतिशीलता को समझ सकें।

सारांश

विषयों पर चर्चा:

  • कण-इन-सेल कोड
  • सापेक्षवादी पारदर्शिता
  • थर्मल अनिसोट्रॉपी
  • लेजर आयन त्वरण

सूत्रों का कहना है

डॉ। डेविड स्टार्क जैव + छवि: रटगर्स विश्वविद्यालय - नेवार्क भौतिकी विभाग

डी.जे. स्टार्क, एल। यिन, बी.जे. अलब्राइट, और एफ। गुओ, अमेरिकन इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स: फिजिक्स ऑफ प्लास्मास (2017)।

"लेजर तीव्रता का इतिहास।" डिजिटल छवि। Wikipedia.org। https://en.wikipedia.org/wiki/Laser#/media/File:History_of_laser_intensity.svg