Evoluzione della temperatura dell'oro denso e del diamante riscaldati dal laser energetico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15173 (2022) Citare questo articolo

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Studi recenti hanno dimostrato che gli ioni energetici guidati dal laser con una certa diffusione di energia possono riscaldare uniformemente piccoli campioni di densità solida. L'equilibrio tra le perdite di energia degli ioni con energie cinetiche diverse determina un riscaldamento uniforme. Anche se il riscaldamento con un energico raggio ionico guidato dal laser viene completato in un nanosecondo ed è spesso considerato sufficientemente veloce, non è istantaneo. Qui presentiamo uno studio teorico dell’evoluzione temporale della temperatura di campioni di oro e diamanti a densità solida riscaldati da un fascio ionico di alluminio quasi monoenergetico. Calcoliamo l'evoluzione temporale delle temperature previste dei campioni utilizzando i dati disponibili sul potere di arresto e le tabelle dell'equazione di stato SESAME. Troviamo che la distribuzione della temperatura è inizialmente molto uniforme, che diventa meno uniforme durante il processo di riscaldamento. Quindi, l'uniformità della temperatura migliora gradualmente e verso la fine del processo di riscaldamento si ottiene una buona uniformità della temperatura.

L'accelerazione degli ioni mediante moderni sistemi laser ad alta potenza ha portato allo sviluppo di intense sorgenti ioniche con elevata energia cinetica1,2,3,4,5,6. Sono stati generati sperimentalmente ioni guidati dal laser con velocità fino a poche decine di per cento della velocità della luce, che trasportano diverse decine di MeV/nucleone6,7,8,9,10,11. Ad esempio, in recenti esperimenti sono stati dimostrati protoni guidati da laser con un'energia cinetica massima che si avvicina a 100 MeV9,10,11. Questi protoni o ioni guidati dal laser trasferiscono la loro energia cinetica a un campione molto rapidamente tramite collisioni di Coulomb prima che si verifichi una significativa espansione idrodinamica del campione12,13,14,15. Il campione riscaldato spesso raggiunge temperature elevate superiori a 10.000 K16,17,18,19,20, pur mantenendo una densità quasi solida. Grazie a queste proprietà, gli ioni guidati dal laser possono essere utilizzati in aree di ricerca come lo studio della materia densa calda17,18,19,20 e l'accensione rapida21,22.

Poiché i gradienti di temperatura all'interno di un campione rendono difficile l'analisi delle proprietà fisiche misurate di un campione riscaldato, è auspicabile riscaldare il campione in modo uniforme per studiarne le proprietà fisiche16. Tuttavia, i tipici ioni guidati dal laser riscaldano preferenzialmente la superficie anteriore del campione perché mostrano una distribuzione energetica maxwelliana6,23, in cui predominano gli ioni meno energetici. Gli ioni a bassa energia trasferiscono tutta la loro energia cinetica e si fermano vicino alla superficie anteriore del campione. Al contrario, gli ioni più energetici depositano la loro energia cinetica principalmente attorno alla superficie posteriore del campione. Trasferiscono solo una piccola frazione della loro energia cinetica prima di raggiungere i picchi di Bragg24, dove avviene la maggior parte del trasferimento di energia. L'energia trasferita attorno alla superficie anteriore del campione è maggiore dell'energia trasferita vicino alla superficie posteriore perché il numero di ioni meno energetici è maggiore del numero di ioni più energetici per la distribuzione dell'energia maxwelliana.

Gli ioni guidati dal laser con una certa diffusione di energia sono stati studiati sperimentalmente1,2,3,25,26 e teoricamente15,27,28. Per un fascio ionico con una certa diffusione di energia, è possibile ottenere un riscaldamento uniforme come risultato dell'equilibrio tra l'energia trasferita dagli ioni a bassa energia e l'energia trasferita dagli ioni ad alta energia. Studi recenti12,16 hanno dimostrato che un fascio ionico di alluminio guidato da un laser ad alta energia3,29 con una certa diffusione di energia può riscaldare piccoli campioni di densità solida in modo abbastanza uniforme a temperature superiori a 10.000 K.

Sebbene studi precedenti suggeriscano una buona uniformità della temperatura dei campioni di materia densa calda risultanti12,16, nessuno studio ha esaminato l'uniformità della temperatura durante il riscaldamento. È del tutto possibile che l'uniformità della temperatura sia scarsa all'inizio o nel mezzo del processo di riscaldamento. Ad esempio, l’uniformità della temperatura del campione potrebbe essere scarsa nel mezzo del processo di riscaldamento perché gli ioni ad alta energia trasferiscono più energia cinetica alla superficie posteriore del campione che a quella anteriore. La distribuzione della temperatura diventa più uniforme quando gli ioni a bassa energia raggiungono il campione e riscaldano la superficie anteriore.