एक्स-रे की एकल पल्स ने विभिन्न पैमानों पर प्लाज़्मा संरचनाओं को दर्ज किया

प्लाज़्मा प्रयोगों में अक्सर पुनरावृत्ति की समस्या होती है: जिन घटनाओं का शोधकर्ता अध्ययन करना चाहते हैं, वे एक शॉट से अगले शॉट तक काफी बदल सकती हैं। इससे अलग-अलग पैमानों पर अलग माप लेकर अस्थिरताओं और अशांति के विकास का पुनर्निर्माण करना कठिन हो जाता है। हाल ही में रिपोर्ट की गई एक एक्स-रे विधि इस सीमा को दूर करने के लिए एक ही मापन में प्लाज़्मा संरचनाओं की व्यापक श्रृंखला दर्ज करने के उद्देश्य से विकसित की गई है।

जापान के National Institute for Fusion Science से जुड़े शोधकर्ताओं के नेतृत्व वाली एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने हाल ही में विकसित बीमस्टॉप-रहित small-angle X-ray scattering विधि को एक X-ray free-electron laser और माइक्रोस्केल rod-assembly target के साथ जोड़ा। लक्ष्य था उच्च-तीव्रता वाले femtosecond laser से target को संचालित करने के बाद प्लाज़्मा निर्माण की गतिशीलता का अवलोकन करना।

प्लाज़्मा संरचना को मापना कठिन क्यों है

प्लाज़्मा का अध्ययन fusion research से लेकर astrophysics और laser–plasma physics तक के क्षेत्रों में किया जाता है। इन आयनीकृत गैसों में छोटी-छोटी गड़बड़ियां अस्थिरताओं में बदल सकती हैं, जबकि turbulence अलग-अलग आकार की संरचनाओं के बीच ऊर्जा का स्थानांतरण करती है। परिणामी विशेषताएं बहुत छोटी से लेकर काफी बड़ी संरचनाओं तक हो सकती हैं और यह प्रभावित करती हैं कि प्लाज़्मा में ऊर्जा और गति कैसे विकसित होती है।

High-energy-density plasmas में इन संरचनाओं का अध्ययन विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण हो सकता है। अस्थिरताएं अत्यंत कम समय-मान पर विकसित हो सकती हैं, इसलिए किसी उपकरण को उच्च temporal resolution के साथ-साथ पर्याप्त spatial reach भी देनी होती है, ताकि विभिन्न आकारों की विशेषताओं को अलग किया जा सके। प्रयोग को दोहराना आवश्यक रूप से समस्या हल नहीं करता, क्योंकि परिस्थितियों में मामूली बदलाव प्लाज़्मा की अवस्था बदल सकते हैं।

इसीलिए शोधकर्ता spatially multiscale, single-shot measurements की आवश्यकता पर जोर देते हैं: अलग-अलग प्रयोगों से प्राप्त अवलोकनों को जोड़ने के बजाय उसी घटना के दौरान कई प्रासंगिक पैमानों को दर्ज करने का तरीका।

सामान्य केंद्रीय अवरोध के बिना प्रकीर्णन विधि

प्रयोग में small-angle X-ray scattering का उपयोग किया गया, जो X-rays के target के साथ परस्पर क्रिया करने पर बने pattern के माध्यम से संरचना का पता लगा सकती है। पारंपरिक setups में intense direct beam को रोकने और detector की सुरक्षा के लिए आमतौर पर beamstop का उपयोग किया जाता है। लेकिन यह केंद्रीय अवरोध beam direction के निकट उपलब्ध scattering information की सीमा घटा सकता है।

रिपोर्ट की गई विधि को beamstop-free बताया गया है। पारंपरिक केंद्रीय block पर निर्भर रहने के बजाय, setup में triangular metal foils से बना attenuation filter इस्तेमाल किया गया। इन foils को इस तरह stack किया गया कि उनकी effective thickness केंद्र की ओर बढ़ती जाए। प्रयोग के विवरण के अनुसार, stacking position बदलकर attenuation region को बारीकी से समायोजित किया जा सकता है।

व्यावहारिक लक्ष्य एक ही camera पर कई diffraction orders में फैले signals को दर्ज करना है। प्रयोग के schematic में detected signals को diffraction order के आधार पर पहचाना गया है, जबकि filter pattern के केंद्र के निकट high intensity को नियंत्रित करता है। इस design का उद्देश्य एक ही X-ray pulse में spatial scales के व्यापक समूह से information तक पहुंच बनाए रखना है।

प्रयोग का योगदान

यह approach तीन तत्वों को जोड़ता है: एक X-ray free-electron laser, एक tailored microscale target और beamstop-free scattering system। Free-electron laser ultrashort X-ray probe उपलब्ध कराता है, जबकि laser-driven target उस प्लाज़्मा का निर्माण करता है जिसके evolution का अध्ययन किया जा रहा है।

किसी एक plasma shot को बड़े reconstructed sequence में केवल एक point मानने के बजाय, यह विधि उस individual event से multiscale structural information निकालने का प्रयास करती है। यह उस स्थिति में महत्वपूर्ण है जब plasma formation का शुरुआती चरण तेज़ हो और experimental variations के प्रति संवेदनशील हो।

Source इस work को एक camera से scales के across plasma nanostructures capture करने के तरीके के रूप में वर्णित करता है। यह framing महत्वपूर्ण है, क्योंकि experimental plasma research में detector protection, time resolution और विभिन्न structural scales की coverage के बीच संतुलन बनाना पड़ता है। एक साथ अधिक information सुरक्षित रखने वाला measurement observed plasma behavior की तुलना instability growth और turbulent energy transfer के models से करना आसान बना सकता है।

एक प्रयोग से आगे संभावित प्रासंगिकता

यह research अपने आप में turbulent plasmas की भविष्यवाणी की व्यापक चुनौती का समाधान नहीं करती। हालांकि, यह एक ऐसे measurement bottleneck को लक्षित करती है जो कई क्षेत्रों को प्रभावित करता है। Fusion researchers को यह समझना होता है कि plasma conditions कैसे विकसित होती हैं और energy उनके भीतर कैसे स्थानांतरित होती है। Astrophysical plasma processes में भी बड़े scale ranges में instabilities और turbulence शामिल होती हैं। Laser–plasma experiments नियंत्रित environments बनाते हैं, जिनमें high energy density पर संबंधित physics की जांच की जा सकती है।

इसलिए report में दावा की गई मुख्य प्रगति methodological है: spatial scales के across एक single, temporally sharp probe को अधिक informative बनाना। यदि इस technique का व्यापक उपयोग हो सके, तो nominally similar लेकिन पूरी तरह समान न होने वाले shots से picture assemble करने पर निर्भरता घट सकती है।

फिलहाल, इस परिणाम को experimental imaging और diagnostics development के रूप में समझना सबसे उचित है। यह laser-produced plasma की क्षणभंगुर, multiscale structure को उसके बदलने से पहले देखने का प्रयास प्रदर्शित करता है—और वह भी एक X-ray pulse तथा एक camera से।

यह लेख Phys.org की reporting पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।