에너지 레이저로 가열된 조밀한 금과 다이아몬드의 온도 변화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15173(2022) 이 기사 인용

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최근 연구에 따르면 어느 정도 에너지가 분산된 에너지 레이저 구동 이온이 작은 고체 밀도 샘플을 균일하게 가열할 수 있는 것으로 나타났습니다. 서로 다른 운동 에너지를 갖는 이온의 에너지 손실 간의 균형을 통해 균일한 가열이 이루어집니다. 강력한 레이저 구동 이온 빔을 사용한 가열은 나노초 내에 완료되고 종종 충분히 빠른 것으로 간주되지만 순간적이지는 않습니다. 여기서 우리는 준에너지 알루미늄 이온 빔에 의해 가열된 고체 밀도 금 및 다이아몬드 샘플의 온도의 시간적 변화에 대한 이론적 연구를 제시합니다. 사용 가능한 정지 전력 데이터와 SESAME 상태 방정식 테이블을 사용하여 샘플 예측 온도의 시간적 변화를 계산합니다. 우리는 온도 분포가 처음에는 매우 균일하지만 가열 과정에서는 덜 균일해진다는 것을 발견했습니다. 그 후, 온도 균일성은 점차 향상되고, 가열 공정이 끝날 무렵에는 양호한 온도 균일성이 획득된다.

최신 고출력 레이저 시스템을 사용한 이온 가속으로 인해 운동 에너지가 높은 강렬한 이온 소스가 개발되었습니다. 빛 속도의 수십 퍼센트에 달하는 속도를 갖는 레이저 구동 이온이 실험적으로 생성되어 수십 MeV/핵자를 운반합니다6,7,8,9,10,11. 예를 들어, 100 MeV에 접근하는 최대 운동 에너지를 갖는 레이저 구동 양성자가 최근 실험에서 입증되었습니다9,10,11. 이러한 레이저 구동 양성자 또는 이온은 샘플의 상당한 유체역학적 팽창이 발생하기 전에 쿨롱 충돌을 통해 매우 빠르게 운동 에너지를 샘플에 전달합니다. 가열된 샘플은 고체에 가까운 밀도를 유지하면서 종종 10,000 K16,17,18,19,20 이상의 고온에 도달합니다. 이러한 특성으로 인해 레이저 구동 이온은 따뜻하고 밀도가 높은 물질17,18,19,20 및 빠른 점화21,22 연구와 같은 연구 분야에서 사용될 수 있습니다.

샘플 내의 온도 구배로 인해 가열된 샘플의 측정된 물리적 특성을 분석하기가 어렵기 때문에 샘플을 균일하게 가열하여 물리적 특성을 연구하는 것이 바람직합니다16. 그러나 일반적인 레이저 구동 이온은 덜 에너지적인 이온이 우세한 맥스웰 에너지 분포6,23를 나타내기 때문에 샘플의 전면을 우선적으로 가열합니다. 저에너지 이온은 모든 운동 에너지를 전달하고 샘플 전면 근처에서 멈춥니다. 대조적으로, 더 활동적인 이온은 주로 샘플의 뒷면 주위에 운동 에너지를 축적합니다. 대부분의 에너지 전달이 발생하는 브래그 피크24에 도달하기 전에 운동 에너지의 작은 부분만 전달합니다. 맥스웰 에너지 분포에서 덜 활동적인 이온의 수가 더 활동적인 이온의 수보다 크기 때문에 샘플의 전면 주위로 전달되는 에너지는 후면 근처에서 전달되는 에너지보다 큽니다.

약간의 에너지 확산을 갖는 레이저 구동 이온이 실험적으로 연구되었습니다. 어느 정도 에너지가 확산되는 이온빔의 경우, 저에너지 이온에서 전달된 에너지와 고에너지 이온에서 전달된 에너지 사이의 균형을 통해 균일한 가열이 달성될 수 있습니다. 최근 연구12,16에 따르면 일부 에너지 확산이 있는 고에너지 레이저 구동 알루미늄 이온 빔3,29은 작은 고체 밀도 샘플을 10,000K 이상의 온도까지 상당히 균일하게 가열할 수 있는 것으로 나타났습니다.

이전 연구에서는 생성된 따뜻하고 밀도가 높은 물질 샘플12,16의 우수한 온도 균일성을 제안했지만, 가열 중 온도 균일성을 조사한 연구는 없습니다. 가열 공정의 시작이나 중간에 온도 균일성이 좋지 않을 가능성이 높습니다. 예를 들어, 가열 과정 도중에는 시료의 온도 균일성이 좋지 않을 수 있습니다. 왜냐하면 고에너지 이온은 시료의 앞면보다 뒷면에 더 많은 운동 에너지를 전달하기 때문입니다. 저에너지 이온이 시료에 도달하여 전면을 가열하면 온도 분포가 더욱 균일해집니다.