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LLNL、レーザ駆動スズ噴出物マイクロジェット相互作用を観察

December, 22, 2021, Livermore--多数の粒子の高速フローを生成することは難しいので、高速粒子含有フローインタラクションの実験的観察は,ほんのわずかだった。これらの観察は、惑星形成から雲の相互作用までの広範な自然現象で重要な役割を果たす。

即ち、今までのことである。ロチェスタ大学レーザエネルギー学研究所、Omega Laser Facilityで実施された実験で、LLNL研究者は、2つの相互作用するスズ射出物マイクロジェットの連続X線画像を初めて示した。

この研究は、Physical Review Lettersに掲載された。

「これらの相互作用はこれまで観察されたことはなかった。したがって、実際に何が起こるかはわからなかった。低衝撃圧からの低密度ジェットが全く変化なしに互いにすれ違うのを見て驚いた。これは、互いに行き違う拡散粒子ストリームと考えられる」(Saunders)。

Saundersによると、より高い衝撃圧からの高密度ジェットが強く相互作用するのを見るのは、驚きであった。

同氏は、それは「水ホース実験」であると言う。2つの水ホースを互いにスプレイし、それらが相互にぶつかるときのスプラッシュを見るようなものだからである(Saunders)。

スズ噴出マイクロジェットの衝突
 チームは、2つの異なる衝撃圧で、スズ噴出マイクロジェット衝突の初のX線画像を撮った。噴出マイクロジェットは、超高速(数km/秒超の速度)で進む微小粒子のミクロンスケールジェットである。チームは、衝撃圧の関数として2つの型の相互作用挙動を観察した。衝撃圧11.7ギガパスカルでは、ジェットは2.2km/sで進み、減衰なしで相互にすれ違うが、衝撃圧116.0ギガパスカルでは、今度はより高密度ジェットが、速度6.5km/sで進み、強く相互作用して、相互作用領域の周りに材料コロナを形成する。

「われわれは、相互作用をモデル化するために放射線流体力学コードの簡易衝突モデルも利用する。そのモデルが、われわれの観察で正確な相互作用挙動を再現できないことを確認するためである。これは、噴出マイクロジェット相互作用挙動の物理学理解には、さらなる実験が必要であることを示唆している」(Saunders)。

研究チームは、ジェット相互作用をイメージングするために短パルス機能のOMEGA Extended Performance (EP)を利用した。2つのロングパルスレーザが、自由表面に三角形の溝がインプリントされた2つのスズサンプルに衝撃を加える。衝撃が、自由表面から出現すると、溝の特徴は反転して、互いに向かって伝播する材料の平面マイクロジェットを形成する。

後に、マイクロワイヤへのEP短パルスビーム入射が、X線の明るいバーストを生成する、これによりチームは、ジェットが衝突するとき、そのX線撮影ができる。X線撮影は、衝突前後のジェットについて定量的情報も提供する。ジェット密度、ジェット内に詰まった粒子など。

「その研究は、噴出物マイクロジェット相互作用の初の画像を提供する、それとともに,衝突挙動を支配する物理学についての多くの興味深い問題を投げかける」(Saunders)。さらに、スズは、この実験で探求された衝撃圧で溶けることが知られている材料である。「低圧ジェットが、高圧衝撃からのジェットよりも多くの固体物質を含んでいると信じる理由がある」(Saunders)。

Saundersによると、2つの実例間に観察される相互作用挙動における差が材料相の差の結果なのか、あるいは他のジェット特性、例えば密度、速度、粒子サイズ分布の差の結果かどうかという問題を、これは回避する。衝突は、高速で動く小さな粒子で起こり、極めて高い歪速度力学に関与する。

研究チームは、物理学の不確定性の一部を解決し、相互作用ダイナミクスにおいて観察された差は何から来るのかを理解する意向である。密度、材料相、粒子サイズ分布、衝突の弾力性、あるいはこれら全ての組合せ。その一貫として、チームは、様々な計測を含むように診断機能を拡張する考えである。これにより、これらの特性の一部を直接計測できるかも知れない。

(詳細は、https://www.llnl.gov)