Лазерный мир

Новый метод оказался в 5-10 раз эффективнее по сравнению с использованием металлической фольги

Mark May et al. / Physical Review E, 2025

Физики облучили лазером серебряную мишень сверхнизкой плотности из нанопроводов (всего лишь в 5-10 раз больше плотности воздуха) и получили источник рентгеновского излучения с самой высокой на сегодня эффективностью (около одного процента) преобразования среди тех, что используют ионы серебра в плазме. Своей новой методикой исследователи поделились в Physical Review E.

Источники рентгеновского излучения высокой интенсивности необходимы ученым для различных исследований в области термоядерной физики и материаловедения (например, чтобы разрывать фуллерен или превращать алмаз в графит). Обычно такие источники создают путем облучения металлической фольги мощным лазером: локализованный нагрев поверхности создает небольшой объем плазмы, которая светит в рентгеновском диапазоне. Однако эффективность преобразования рентгеновского излучения для такого метода крайне мала (например, 1-2 процента для цинка и 0,1-0,2 процента для серебра), что связано с потерями из-за лазерно-плазменной неустойчивости и электронной проводимости в фольге.

Марк Мэй (Mark May) из Ливерморской национальной лаборатории совместно со своими коллегами из США использовал пену из серебряных нанопроволок вместо фольги и получили источник рентгеновского излучения с эффективностью пятикратно большей, чем в предыдущих исследованиях.

Для этого экспериментаторы отлили цилиндр из серебряных нанопроводов (средняя длина каждой нити составила 150 микрометров) и получили мишень, напоминающую по структуре металлическую мочалку, со сверхнизкой плотностью — всего лишь 6-12 миллиграмм на кубический сантиметр (для сравнения: плотность воздуха при нормальных условиях приблизительно 1,3 миллиграмма на кубический сантиметр). Затем эту мишень физики нагрели с помощью лазерной установки NIF (подробнее о которой можно прочесть в нашем материале «Зажгли»), передав нанопроволоке около 0,9-1,1 мегаджоуля энергии по всему объему: из-за малой толщины в 30 нанометров нити серебра взорвались и превратились в плазму всего за несколько пикосекунд. Эта плазма под действием мощного оптического источника также нагрелась за счет обратного тормозного излучения  и испустила рентгеновские кванты высокой энергии.

Изображение мишени из нанопроводов серебра
 Mark May et al. / Physical Review E, 2025

Физики измерили эту энергию, пик мощности которой пришелся на лучи от гелий-подобных ионов серебра, и получили диапазон в 15-30 килоэлектронвольт. При этом эффективность преобразования оптического лазерного излучения в рентгеновское составила один процент, что в 5-10 раз больше, чем классический метод с использованием плоской металлической фольги.

Авторы работы также упомянули, что в будущем планируют продолжить свое исследование с учетом основных моделей энергетического переноса (лазерного, теплового и рентгеновского) и атомной кинетики, поскольку это поможет модифицировать методику эксперимента и потенциально улучшить параметры разработанного источника.

Рентгеновское излучение используют не только для непосредственного воздействия на материю, но и для наблюдения экстремальных процессов в веществе. Например физики сжали проволоку до давлений порядка 800 мегаатмосфер, а вот зарегистрировать это давление ученым помог как раз рентгеновский лазер.

Егор Конюхов

Источник: https://nplus1.ru/news/2025/01/07/silver-bright-xray