Kinetische instabiliteiten komen gewoonlijk voort uit anisotrope (verschillende eigenschappen in verschillende richtingen) elektronensnelheidsverdelingen binnen ionosferische, kosmische en terrestrische plasma's. Maar tot nu toe hebben slechts een handvol experimenten die theorie gevalideerd. Ultrasnelle laserpulsen kunnen worden gebruikt tijdens optische veldionisatie van atomen om plasma's te genereren met bekende anisotrope elektronensnelheidsverdelingen om het fenomeen in de praktijk te begrijpen. In een recente studie, Chaojie Zhang en een interdisciplinair onderzoeksteam in de afdelingen Electrical and Computer Engineering, en natuur- en sterrenkunde in de VS, toonde aan dat plasma twee-strooms filamentatie onderging na ionisatie, maar voorafgaand aan op botsingen gebaseerde thermalisatie van de samenstellende elektronen.

Ze observeerden Weibel-instabiliteiten (aanwezig in homogeen of bijna homogeen plasma) die de elektronenverdelingen isotropiseerden (vergelijkbare eigenschappen in alle richtingen). De onderzoekers maten de polarisatie-afhankelijke frequentie en groeisnelheden van deze kinetische instabiliteiten met behulp van Thomson-verstrooiing (TS) van een sondelaser, die goed overeenkwam met de kinetische theorie en simulaties. Het onderzoeksteam demonstreerde een gemakkelijk inzetbaar laboratoriumplatform om kinetische instabiliteiten in plasma te bestuderen; de resultaten zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Plasma's zijn gevoelig voor kinetische instabiliteiten wanneer de snelheidsverdeling van de samenstellende plasma-elektronen, ionen of beide worden niet-thermisch. Natuurkundigen kunnen de theorie van deze instabiliteiten experimenteel valideren als ze directe kennis hebben van de initiële snelheidsverdelingsfuncties van dergelijke plasmasoorten. Met de komst van intense ultrakorte puls, nabij-infrarood lasers, onderzoekers hebben atomen en/of moleculen van een gas geïoniseerd in een paar lasercycli om anisotrope of niet-thermische elektronensnelheidsdistributie (EVD)-functies te genereren. Het proces staat bekend als optisch veld-geïnduceerde of tunnelionisatie (OFI). Het vermogen om snelheidsverdelingsfuncties te initiëren, stelt onderzoekers in staat om de kinetische theorie van plasma's kwantitatief te testen op ultrasnelle tijdschalen, voorafgaand aan elektron-elektron (e-e) botsingen en ionenthermisatie. Echter, de mechanismen en tijdschaal waarin plasma-elektronen evolueerden van een anisotrope toestand naar een thermische toestand, blijven een onopgelost experimenteel probleem in de basiswetenschap.

Als gevolg van het extreem brede scala aan situaties die aanleiding geven tot kinetische instabiliteiten, waaronder gammaflitsen, elektronen positron plasma's, magnetische velden, proton synchrotrons, zonnecorona en interplanetaire media. Er bestaat een omvangrijke hoeveelheid theoretisch werk over de kinetische theorie van plasma's. In dit werk, het onderzoeksteam beschreef eerst kort drie van de meest bestudeerde kinetische instabiliteiten die mogelijk werden gemaakt door OFI-plasma voor kwantitatief onderzoek in het laboratorium. Bijvoorbeeld, wanneer plasma-elektronen zijn samengesteld uit twee of meer co- of contra-propagerende stromen (bundels) kunnen ze onstabiel worden. Hoewel er veel theoretisch werk bestaat over kinetische instabiliteiten in plasma's, ze moeten nog verder worden geverifieerd in het laboratorium. Onderzoeksteams hadden deze instabiliteiten eerder bestudeerd door relativistische elektronenbundels door plasma's te laten gaan of door twee elkaar doordringende plasma's te creëren.

In dit werk, Zhang et al. toonde aan dat een ultrasnel OFI (optisch veld geïnduceerde ionisatie) heliumplasma met een bekende polarisatie-afhankelijke anisotrope elektronensnelheidsverdeling (EVD) gevoelig was voor kinetische streaming, filamentatie en Weibel-achtige filamentatie-instabiliteiten. Ze maten de groeisnelheden en frequenties van deze instabiliteiten met behulp van in de tijd opgeloste Thomson-verstrooiing. Ze vergeleken de metingen met zelfconsistente (exacte) deeltjes-in-cel (PIC) computersimulaties en daarna met de theorie, en constateerde een goede overeenkomst.

In de experimenten en simulaties, het team initialiseerde anisotrope EVD-functies (elektronensnelheidsverdeling) door het eerste en het tweede helium (He) elektron te ioniseren, hetzij met behulp van circulair gepolariseerde (CP) of lineair gepolariseerde (LP) Ti-Sapphire laserpulsen. Ze volgden het ionisatiepotentieel van het elektron als de laserintensiteit die nodig is om meer dan 90 procent van de He-atomen te ioniseren via een elders ontwikkeld tunnelmechanisme. Tijdens de experimenten, de EVD-functie van het tweede He-elektron was 'heter' dan het eerste He-elektron. Zhang et al. de resultaten verkregen na de passage van lineaire pulsen van een 3D-deeltjes-in-cel (PIC) simulatie, die ze hebben gebouwd met behulp van de OSIRIS-code. De verdeling van het elektronenmomentum leek op een "dubbele donut" -vorm voor circulair gepolariseerde (CP) lasers en een verdeling met twee temperaturen in de richting van lineair gepolariseerde (LP) lasers. Ze bevestigden dat de op deze manier geproduceerde plasma's EVD-functies hebben. De waarden gemeten door het onderzoeksteam kwamen uitstekend overeen met de waarden die verwacht werden van de PIC-simulatie.

Het onderzoeksteam gebruikte vervolgens 2D-simulaties van optische veldionisatie (OFI)-getriggerde kinetische streaming en filamentatie-instabiliteiten in een He-plasma. Overeenkomstig, zowel streaming- als filamentatie-instabiliteit begon onmiddellijk na de creatie van plasma te groeien. Ze observeerden de streaming-instabiliteit om uiteindelijk zeer snel te verzadigen en te dempen en Zhang et al. daarom verwachtte men op dezelfde manier dat de instabiliteit van de filamentatie vergelijkbaar gedrag in de tijd zou hebben. In latere stadia, Weibel-achtige filamentatie-instabiliteit aangedreven door een verminderde maar eindige temperatuuranisotropie van de elektronen begon in het plasma te domineren.

Voor meer informatie over kinetische instabiliteit, Zhang et al. een golfvector onderzocht. Voor deze, ze gebruikten een laser van 400 nm of een laser van 800 nm met een bandbreedte van 5 nm en een pulsbreedte van 100 femtoseconden (fs) en onderzochten elektrostatische componenten van plasma-instabiliteiten. Ze maten de spectra en observeerden twee opvallende kenmerken. Aanvankelijk, het elektronkenmerk groeide en verzadigde om te dempen binnen een tijdsbestek dat veel korter was dan de tijd voor elektron-elektronbotsing. Volgende, de spectrale verschuiving van het elektronenkenmerk vertoonde abnormaal gedrag van de gebruikelijke Langmuir-golf (elektrostatische plasma-oscillaties). De piekfrequentie van het elektronenkenmerk en het bestaan ​​van het nulfrequentiekenmerk waren essentieel bewijs voor Zhang et al. om streaming en filamenteuze instabiliteiten in de opstelling te bevestigen. Het onderzoeksteam onderzocht verdere streaming, filamentatie en Weibel-instabiliteiten veroorzaakt door circulaire polarisatielasers op grote schaal binnen het experimentele systeem.

De wetenschappers volgden ook de evolutie van elektronensnelheidsverdelingen en temperatuuranisotropie van optische veldionisatie in een 2D-simulatie. Ze modelleerden consequent ionisatie en evolutie van het plasma in de simulatie, terwijl ze Coulomb-botsingen uitsloten om het effect van instabiliteiten op temperatuuranisotropie te isoleren. Ze observeerden kinetische instabiliteiten in de experimenten, waardoor de anisotropie van het plasma snel daalde.

Omdat de Weibel-instabiliteit verzadigd was in de simulatie, de magnetische velden organiseerden zichzelf tot een quasi-helische structuur zoals elders voorspeld. Met behulp van verdere simulaties, Zhang et al. bevestigde dat elektronenbotsingen geen significante rol speelden tijdens de eerste 10 picoseconden na plasmavorming. Gedurende deze periode, kinetische instabiliteiten domineerden isotropisatie van het plasma, echter, uiteindelijk zullen de botsingen het plasma thermaliseren.

Het onderzoeksteam onderzocht ook de kinetische instabiliteiten veroorzaakt door lineaire polarisatielasers, die contrasterende resultaten vertoonden met de circulair gepolariseerde lasers. Op dit moment, de instabiliteit werd veroorzaakt door gereflecteerde elektronen, die zich voortplantte door langzamer bewegende elektronen. Het frequentiespectrum van de modus was smaller dan bij CP-lasers. Het experimentele proces duurde ook langer voordat de streaming-instabiliteit groeide en verzadigde. Zhang et al. waargenomen een opmerkelijke overeenkomst tussen de metingen en simulatie.

Op deze manier, Chaojie Zhang en collega's toonden de mogelijkheid om "designer" EVD's te genereren met behulp van een combinatie van omstandigheden, waaronder verschillende polarisaties, golflengten, intensiteitsprofielen en ioniserende media. Het team controleerde de driftsnelheid en transversale temperaturen van de stromen door de polarisatie-ellipticiteit te veranderen om streaming- of filamentatie-instabiliteiten te onderdrukken. De onderzoekers toonden aan dat ultrasnelle OFI-plasma's niet-thermisch waren met een grote snelheidsanisotropie. De plasma's ondergingen stromende en filamenteuze instabiliteiten, gevolgd door Weibel-achtige filamentatie-instabiliteit om het plasma te isotropiseren. Toen ze de polarisatie-afhankelijke frequentie en groeisnelheid van deze kinetische instabiliteiten maten, de resultaten kwamen goed overeen met de kinetische theorie en simulaties. Het onderzoeksteam ontwikkelde en demonstreerde dus een gemakkelijk inzetbaar platform om plasmakinetische instabiliteiten in het laboratorium te bestuderen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk