О возможности исследования эффекта магнитного перезамыкания в лабораторном астрофизическом эксперименте по рентгеновским эмиссионным L-спектрам многозарядных ионов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе рассмотрено применение метода рентгеновской спектроскопии с высоким пространственным разрешением для исследования эффекта магнитного перезамыкания в лабораторных астрофизических экспериментах, проводимых на современных лазерных комплексах нано- и пико-секундной длительности при умеренных плотностях потока лазерного излучения на мишени <1018 Вт/см2. Приведен краткий обзор часто используемых схем для постановки эксперимента. Выполнены атомно-кинетические расчеты для спектров с L-оболочек Ne- и F-подобных ионов железа (Fe, Z = 26), которые демонстрируют высокую чувствительность спектров к изменению параметров плазмы. Проведен анализ области применимости различных диагностических подходов к оценке электронной температуры и плотности лазерной плазмы. Показано, что линии переходов в Ne-подобных ионах являются универсальным инструментом для измерения параметров плазмы как в области лазерного взаимодействия с мишенью, так и в зоне перезамыкания.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. А. Алхимова

Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур

Автор, ответственный за переписку.
Email: maryalkhimova@ihed.ras.ru
Россия, Москва

С. С. Макаров

Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур

Email: maryalkhimova@ihed.ras.ru
Россия, Москва

И. Ю. Скобелев

Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур

Email: maryalkhimova@ihed.ras.ru
Россия, Москва

С. Н. Рязанцев

Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур

Email: maryalkhimova@ihed.ras.ru
Россия, Москва

Е. Д. Филиппов

Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур

Email: maryalkhimova@ihed.ras.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. G. H. Miller, Opt. Eng. 43, 2841 (2004).
  2. N. Fleurot, C. Cavailler, J. L. Bourgade, Fusion Eng. Des. 74, 147–154 (2005).
  3. S. G. Garanin, F. A. Starikov, R. A. Shnyagin, Opt. Spectrosc. 114, 851–858 (2013).
  4. M. Yamada, R. Kulsrud, H. Ji, Rev. Mod. Phys. 82, 603–664 (2010).
  5. P. Helander, L.-G. Eriksson, F. Andersson, Plasma Phys. Control. Fusion. 44, B247–B262 (2002).
  6. J. T. Gosling, Space Sci. Rev. 172, 187–200 (2012).
  7. Somov B. V., Plasma Astrophysics, Part II: Reconnection and Flares (Springer, 2006).
  8. M. Bárta, M. Karlický, R. Žemlička, Sol. Phys. 253, 173–189 (2008).
  9. X. Cheng, J. Zhang, Y. Liu, M. D. Ding, Astrophys. J. 732, L25 (2011).
  10. X. Cheng, Y. Li, L. F. Wan, M. D. Ding, P. F. Chen, J. Zhang, J. J. Liu, Astrophys. J. 866, 64 (2018).
  11. P. Pagano, D. H. Mackay, S. Poedts, Astron. and Astrophys. 554, A77 (2013).
  12. J. Lin, Y. ‐K. Ko, L. Sui, J. C. Raymond, G. A. Stenborg, Y. Jiang, S. Zhao, S. Mancuso, Astrophys. J. 622, 1251–1264 (2005).
  13. L. K. S. Daldorff, J. E. Leake, J. A. Klimchuk, Astrophys. J. 927, 196 (2022).
  14. А.Retinò, D. Sundkvist, A. Vaivads, F. Mozer, M. André, C. J. Owen, Nat. Phys. 3, 235–238 (2007).
  15. P. Louarn, N. Andre, C. M. Jackman, S. Kasahara, E. A. Kronberg, M. F. Vogt, Space Sci. Rev. 187, 181–227 (2015).
  16. J. Varela, V. Réville, A. S. Brun, P. Zarka, F. Pantellini, Astron. and Astrophys. 616, A182 (2018).
  17. V. Semenov, S. Dyadechkin, B. Punsly, Science 80, 305, 978–980 (2004).
  18. Y. Lyubarsky, Astrophys. J. 897, 1 (2020).
  19. M. Lyutikov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 346, 540–554 (2003).
  20. M. Hesse, P. A. Cassak, J. Geophys. Res. Sp. Phys., in press, doi: 10.1029/2018JA025935.
  21. C. T. Russell, M. A. Saunders, J. L. Phillips, J. A. Fedder, J. Geophys. Res. 91, 1417 (1986).
  22. O. Price, G. H. Jones, J. Morrill, M. Owens, K. Battams, H. Morgan, M. Drückmuller, S. Deiries, Icarus 319, 540–557 (2019).
  23. Л. В. Франк, А.Г., Артемьев, А.В., Зеленый, ЖЭТФ 150, 807–825 (2016).
  24. S. Y. Bogdanov, G. V. Dreǐden, V. S. Markov, G. V. Ostrov-skaya, A. G. Frank, Plasma Phys. Reports 32, 1034–1046 (2006).
  25. N. Katz, J. Egedal, W. Fox, A. Le, J. Bonde, A. Vrublevskis, Phys. Rev. Lett. 104, 255004 (2010).
  26. W. Fox, F. Sciortino, A. v. Stechow, J. Jara-Almonte, J. Yoo, H. Ji, M. Yamada, Phys. Rev. Lett. 118, 125002 (2017).
  27. J. D. Hare, L. Suttle, S. V. Lebedev, N. F. Loureiro, et L., Phys. Rev. Lett. 118, 085001 (2017).
  28. А.Ishizawa, R. Horiuchi, Phys. Rev. Lett. 95, 045003 (2005).
  29. M. Hesse, T. Neukirch, K. Schindler, M. Kuznetsova, S. Zenitani, Space Sci. Rev. 160, 3–23 (2011).
  30. S. V Bulanov, Plasma Phys. Control. Fusion. 59, 014029 (2017).
  31. K. Burdonov, A. Fazzini, V. Lelasseux, J. Albrecht, et al., Matter Radiat. Extrem. 6, doi: 10.1063/5.0065138 (2021).
  32. А. Г. Франк, Успехи физических наук. 53, 941–947 (2010).
  33. Y. H. Liu, P. Cassak, X. Li, M. Hesse, S. C. Lin, K. Genestreti, Commun. Phys. 2022 51, 5, 1–9 (2022).
  34. J. Qiu, W. Liu, N. Hill, M. Kazachenko, Astrophys. J. 725, 319–330 (2010).
  35. K. J. Trattner, J. S. Mulcock, S. M. Petrinec, S. A. Fuselier, Geophys. Res. Lett. 34, L03108 (2007).
  36. M. Yamada, J. Yoo, J. Jara-Almonte, H. Ji, R. M. Kulsrud, C. E. Myers, Nat. Commun. 5, doi: 10.1038/ncomms5774 (2014).
  37. É. Falize, C. Michaut, S. Bouquet, Astrophys. J. 730, 96 (2011).
  38. L. Willingale, P. M. Nilson, M. C. Kaluza, A. E. Dangor, et al., Phys. Plasmas. 17, doi: 10.1063/1.3377787 (2010).
  39. S. Bolaños, A. Sladkov, R. Smets, S. N. Chen, et al., J. Fuchs, Nat. Commun. 13, 6426 (2022).
  40. P. M. Nilson, L. Willingale, M. C. Kaluza, C. Kamperidis, et al., Phys. Rev. Lett. 97, 255001 (2006).
  41. B. K. F. Young, A. L. Osterheld, D. F. Price, R. Shepherd, et al., Rev. Sci. Instrum. 69, 4049–4053 (1998).
  42. W. Fox, A. Bhattacharjee, K. Germaschewski, Phys. Rev. Lett. 106, 215003 (2011).
  43. W. Fox, A. Bhattacharjee, K. Germaschewski, Phys. Plasmas. 19, doi: 10.1063/1.3694119 (2012).
  44. M. Øieroset, T. D. Phan, R. Ergun, N. Ahmadi, et al., Phys. Plasmas. 28, doi: 10.1063/5.0072182 (2021).
  45. D. I. Pontin, E. R. Priest Magnetic reconnection: MHD theory and modelling (Springer International Publishing; vol. 19, 2022).
  46. Y. Kuramitsu, T. Moritaka, Y. Sakawa, T. Morita, et al., Nat. Commun. 9, 5109 (2018).
  47. W. Liu, Q. Chen, V. Petrosian, Astrophys. J. 767, 168 (2013).
  48. G. Fiksel, W. Fox, A. Bhattacharjee, D. H. Barnak, P.- Y. Chang, K. Germaschewski, S. X. Hu, P. M. Nilson, Phys. Rev. Lett. 113, 105003 (2014).
  49. J. Zhong, Y. Li, X. Wang, J. Wang, Q. Dong, et al., Nat. Phys. 6, 984–987 (2010).
  50. W. Daughton, J. Scudder, H. Karimabadi, Phys. Plasmas. 13, doi: 10.1063/1.2218817 (2006).
  51. F. Ebrahimi, R. Raman, Phys. Rev. Lett. 114, 205003 (2015).
  52. K. Sakai, T. Moritaka, T. Morita, K. Tomita, et al., Sci. Rep. 12, 10921 (2022).
  53. Y. Kuramitsu, Y. Sakawa, J. N. Waugh, C. D. Gregory, T. Morita, S. Dono, H. Aoki, H. Tanji, B. Loupias, M. Koenig, N. Woolsey, H. Takabe, Astrophys. J. 707, L137–L141 (2009).
  54. P. M. Nilson, L. Willingale, M. C. Kaluza, C. Kamperidis, et al., Phys. Plasmas 15, doi: 10.1063/1.2966115 (2008).
  55. Q.-L. Dong, S.-J. Wang, Q.-M. Lu, C. Huang, et al., Phys. Rev. Lett. 108, 215001 (2012).
  56. C. K. Li, F. H. Séguin, J. A. Frenje, J. R. Rygg, R. D. Petrasso, R. P. J. Town, O. L. Landen, J. P. Knauer, V. A. Smalyuk, Phys. Rev. Lett. 99, 055001 (2007).
  57. X. X. Pei, J. Y. Zhong, Y. Sakawa, Z. Zhang, et al., Phys. Plasmas 23, doi: 10.1063/1.4944928 (2016).
  58. А.Chien, L. Gao, S. Zhang, H. Ji, E. G. Blackman, et al., Nat. Phys. 192, 19, 254–262 (2023).
  59. J. P. Geindre, P. Audebert, A. Rousse, J. C. Gauthier, A. Y. Faenov, T. A. Pikuz, S. A. Pikuz, T. A. Shelkovenko, Phys. Scr. 53, 645–647 (1996).
  60. А.Y. Faenov, S. A. Pikuz, A. I. Erko, B. A. Bryunetkin, et al., Phys. Scr. 50, 333–338 (1994).
  61. S. A. Pikuz, I. Y. Skobelev, M. A. Alkhimova, G. V. Pokrovskii, et al., JETP Lett. 105, 13–17 (2017).
  62. S. N. Ryazantsev, A. S. Martynenko, M. V Sedov, I. Y. Skobelev, et al., Plasma Phys. Control. Fusion. 64, 105016 (2022).
  63. M. A. Alkhimova, A. Y. Faenov, I. Y. Skobelev, T. A. Pikuz, et al., Opt. Express. 25, 29501 (2017).
  64. E. D. Filippov, K. F. Burdonov, T. A. Pikuz, I. Y. Skobelev, Symmetry (Basel) 14, 1–21 (2022).
  65. E. D. Filippov, S. S. Makarov, K. F. Burdonov, W. Yao, et al., Sci. Rep. 11, 8180 (2021).
  66. E. D. Filippov, M. Khan, A. Tentori, P. Gajdos, et al., Matter Radiat. Extrem. 8, 065602 (2023).
  67. V. M. Dyakin, A. I. Magunov, T. A. Pikuz, I. Y. Skobelev, A. Y. Faenov, J. Wolowski, E. Woryna, P. Parys, T. Pisarczyk, Quantum Electron. 25, 690–694 (1995).
  68. C. Y. Chien, J. C. Kieffer, O. Peyrusse, D. Gilles, M. Chaker, J. S. Coe, G. Mourou, Y. Beaudoin, Opt. Lett. 18, 1535 (1993).
  69. Z. Jiang, J. C. Kieffer, J. P. Matte, M. Chaker, O. Peyrusse, D. Gilles, G. Korn, A. Maksimchuk, S. Coe, G. Mourou, Phys. Plasmas 2, 1702–1711 (1995).
  70. V. A. Boiko, A. V. Vinogradov, S. A. Pikuz, I. Y. Skobelev, A. Y. Faenov, J. Sov. Laser Res. 6, 85–290 (1985).
  71. C. Kaur, S. Chaurasia, N. Singh, J. Pasley, S. Aggarwal, M. Mohan, Phys. Plasmas 26, doi: 10.1063/1.5051758 (2019).
  72. G. V. Brown, P. Beiersdorfer, D. A. Liedahl, K. Widmann, S. M. Kahn, E. J. Clothiaux, Astrophys. J. Suppl. Ser. 140, doi: 10.1086/339374 (2002).
  73. E. V. Marley, D. A. Liedahl, M. B. Schneider, R. F. Heeter, et al., Rev. Sci. Instrum. 89, 1–5 (2018).
  74. J. J. MacFarlane, I. E. Golovkin, P. R. Woodruff, D. R. Welch, B. V. Oliver, T. A. Melhorn, R. B. Campbell, T. A. Mehlhorn, R. B. Campbell Proc. Inert. Fusion Sci. Appl. (American Nucl. Soc. La Grange Park, IL, 1–4, 2003).
  75. E. D. Filippov, I. Y. Skobelev, G. Revet, S. N. Chen, B. Khiar, A. Ciardi, D. Khaghani, D. P. Higginson, S. A. Pikuz, J. Fuchs, Matter Radiat. Extrem. 4, doi: 10.1063/1.5124350 (2019).
  76. B. Khiar, G. Revet, A. Ciardi, K. Burdonov, et al., Phys. Rev. Lett. 123, 205001 (2019).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) Силовые линии магнитного поля (сплошные стрелки) и сепаратрисы (пунктирные линии) в геометрии X-точки, образующие области диффузии электронов (подсвечено розовым) и ионов (синим), (б) пример схемы МП в лабораторном эксперименте (соответствует схеме на рис. 2а) [42], имитирующем астрофизический случай выброса плазмоидов при солнечных вспышках [47].

Скачать (234KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схемы экспериментов по изучению магнитного перезамыкания в лазерно-плазменном эксперименте: (а) формирование области МП за счет распространения лазерной плазмы в постоянном внешнем магнитном поле, перпендикулярном оси разлета плазменного факела; (б) формирование области МП Х-типа в эксперименте с двумя встречными потоками плазмы во внешнем магнитном поле; (в) формирование области перезамыкания между собственными магнитными полями двух плазменных факелов; (г) конденсаторная мишень, облучаемая лазерными импульсами сквозь отверстие в передней пластине, позволяющая генерировать взаимодействие магнитных полей между витками, соединяющими части мишени.

Скачать (290KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Расчет для рентгеновских эмиссионных спектров c L-оболочек для ионов Fe, выполненный в программном коде PrismSPECT; (а) L-спектр Fe, рассчитанный для электронных температур эВ и плотности см–3; (б) L-спектр Fe, рассчитанный для электронных температур Te=125–400 эВ и плотности см–3. На обеих панелях все интенсивности нормированы на Ne-подобную линию λ1, указанную на рисунке.

Скачать (238KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Моделирование зависимости доли (а) Ne- и (б) F-подобных ионов железа в зависимости от электронной температуры плазмы Te для различных значений ионной плотности плазмы в предположении оптически тонкой плазмы.

Скачать (287KB)
Метаданные
6. Рис. 5. (а) Зависимость соотношения интенсивности спектральных компонентов λ1 и λ2, отвечающих переходам 2p53d–2p6 (1P1–1S0) и 2p53d–2p6 (3D1–1S0) в Ne-подобном ионе Fe XVII от плотности плазмы при фиксированных значениях электронных температур эВ; (б) Расчет уширения профиля линии Å, отвечающей переходу 2p53d–2p6 (1P1–1S0) в Ne-подобном ионе Fe XVII в зависимости от значения ионной плотности плазмы. Расчет выполнен при фиксированном значении электронной температуры эВ в предположении оптически тонкой плазмы.

Скачать (239KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Определение температуры плазмы по L-спектрам многозарядных ионов железа: (а) Зависимость соотношения интенсивностей спектральных компонентов λ1 и λ2, отвечающих переходам 2p53d–2p6 (1P1–1S0) и 2p53d–2p6 (3D1–1S0) в Ne-подобном ионе Fe XVII от электронной температуры плазмы при фиксированных значениях ионной плотности; (б) Зависимость соотношения интенсивностей спектральных компонентов λ1 — 2p53d–2p6 (1P1–1S0) в Ne-подобном ионе Fe XVII и λ5 — (2p43d)4P3/2 –(2p5)2P1/2 — в F-подобном ионе Fe XVIII от температуры плазмы для фиксированных значений ионной плотности плазмы Ni = 1018 — 1022см–3. Расчет выполнен в предположении оптически тонкой плазмы.

Скачать (217KB)
Метаданные
8. Рис. 7. (а) Моделирование Ne- и Na-подобных переходов в L-спектрах меди (Cu) в диапазоне 9.0–9.6 Å с помощью радиационно-кинетического кода PrismSPECT для нескольких наборов температур и плотностей. (б) Зависимость относительной интенсивности спектральных линий λ1Cu и λ2Cu, указанных на панели (а), в зависимости от электронной температуры и при учете оптической толщины мкм.

Скачать (226KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024