Temperaturentwicklung von dichtem Gold und Diamant, erhitzt durch einen energiereichen Laser

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15173 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Jüngste Studien haben gezeigt, dass energiereiche lasergetriebene Ionen mit einer gewissen Energieverteilung kleine Proben mit fester Dichte gleichmäßig erhitzen können. Der Ausgleich der Energieverluste der Ionen mit unterschiedlicher kinetischer Energie führt zu einer gleichmäßigen Erwärmung. Obwohl die Erwärmung mit einem energiereichen, lasergetriebenen Ionenstrahl innerhalb einer Nanosekunde abgeschlossen ist und oft als ausreichend schnell angesehen wird, erfolgt sie nicht augenblicklich. Hier präsentieren wir eine theoretische Studie zur zeitlichen Entwicklung der Temperatur von Gold- und Diamantproben mit fester Dichte, die durch einen quasimonoenergetischen Aluminiumionenstrahl erhitzt werden. Wir berechnen die zeitliche Entwicklung der vorhergesagten Temperaturen der Proben anhand der verfügbaren Bremskraftdaten und der SESAME-Zustandsgleichungstabellen. Wir stellen fest, dass die Temperaturverteilung zunächst sehr gleichmäßig ist, was im Laufe des Erhitzungsprozesses weniger gleichmäßig wird. Dann verbessert sich die Temperaturgleichmäßigkeit allmählich und gegen Ende des Heizvorgangs wird eine gute Temperaturgleichmäßigkeit erreicht.

Die Beschleunigung von Ionen mithilfe moderner Hochleistungslasersysteme hat zur Entwicklung intensiver Ionenquellen mit hoher kinetischer Energie geführt1,2,3,4,5,6. Lasergetriebene Ionen mit Geschwindigkeiten von bis zu einigen zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit wurden experimentell erzeugt und tragen mehrere zehn MeV/Nukleon6,7,8,9,10,11. Beispielsweise wurden in jüngsten Experimenten lasergetriebene Protonen mit einer maximalen kinetischen Energie von nahezu 100 MeV nachgewiesen9,10,11. Diese lasergetriebenen Protonen oder Ionen übertragen ihre kinetische Energie sehr schnell über Coulomb-Kollisionen auf eine Probe, bevor es zu einer signifikanten hydrodynamischen Ausdehnung der Probe kommt12,13,14,15. Die erhitzte Probe erreicht oft hohe Temperaturen über 10.000 K16,17,18,19,20 und behält dennoch die nahezu feste Dichte bei. Aufgrund dieser Eigenschaften können lasergetriebene Ionen in Forschungsbereichen wie der Untersuchung warmer dichter Materie17,18,19,20 und schneller Zündung21,22 eingesetzt werden.

Da Temperaturgradienten innerhalb einer Probe die Analyse der gemessenen physikalischen Eigenschaften einer erhitzten Probe erschweren, ist es wünschenswert, die Probe gleichmäßig zu erhitzen, um ihre physikalischen Eigenschaften zu untersuchen16. Typische lasergetriebene Ionen erwärmen jedoch bevorzugt die Vorderseite der Probe, da sie eine Maxwellsche Energieverteilung6,23 aufweisen, in der weniger energiereiche Ionen vorherrschen. Niedrigenergetische Ionen übertragen ihre gesamte kinetische Energie und bleiben in der Nähe der Vorderseite der Probe stehen. Im Gegensatz dazu deponieren energiereichere Ionen ihre kinetische Energie hauptsächlich an der Rückseite der Probe. Sie übertragen nur einen kleinen Teil ihrer kinetischen Energie, bevor sie ihre Bragg-Peaks24 erreichen, wo der Großteil der Energieübertragung stattfindet. Die an der Vorderseite der Probe übertragene Energie ist größer als die an der Rückseite der Probe übertragene Energie, da bei der Maxwellschen Energieverteilung die Anzahl der weniger energiereichen Ionen größer ist als die Anzahl der energiereicheren Ionen.

Lasergetriebene Ionen mit einer gewissen Energieverteilung wurden experimentell1,2,3,25,26 und theoretisch15,27,28 untersucht. Bei einem Ionenstrahl mit einer gewissen Energieverteilung kann aufgrund des Gleichgewichts zwischen der von den niederenergetischen Ionen und der von den hochenergetischen Ionen übertragenen Energie eine gleichmäßige Erwärmung erreicht werden. Jüngste Studien12,16 haben gezeigt, dass ein hochenergetischer, lasergesteuerter Aluminiumionenstrahl3,29 mit einer gewissen Energieverteilung kleine Proben mit fester Dichte ziemlich gleichmäßig auf Temperaturen über 10.000 K erhitzen kann.

Während frühere Studien auf eine gute Temperaturgleichmäßigkeit der resultierenden Proben warmer dichter Materie hinweisen12,16, hat keine Studie die Temperaturgleichmäßigkeit während des Erhitzens untersucht. Es ist durchaus möglich, dass die Temperaturgleichmäßigkeit zu Beginn oder in der Mitte des Aufheizvorgangs schlecht ist. Beispielsweise könnte die Temperaturgleichmäßigkeit der Probe während des Erhitzungsprozesses schlecht sein, da hochenergetische Ionen mehr kinetische Energie auf die Rückseite der Probe übertragen als auf die Vorderseite. Die Temperaturverteilung wird gleichmäßiger, wenn niederenergetische Ionen die Probe erreichen und die Vorderseite erhitzen.

Hier untersuchen wir die zeitliche Entwicklung der berechneten Temperaturen von dichten Gold- und Diamantproben, die durch einen lasergesteuerten Aluminiumionenstrahl in Ref. 12 erhitzt werden. Wir verwenden den Monte-Carlo-Simulationscode SRIM30 und die SESAME-Zustandsgleichungstabellen (EOS)31,32,33,34,35, um die erwarteten Temperaturen der Proben zu verschiedenen Zeiten zu berechnen. Basierend auf diesen Berechnungen untersuchen wir die Temperaturgleichmäßigkeit der erhitzten Feststoffproben während des gesamten Erhitzungsprozesses.

Abbildung 1a zeigt einen lasergesteuerten Aluminiumionenstrahl3, der auf Gold- und Diamantproben trifft12,16. Nachdem ein intensiver (~ 2 × 1020 W/cm2) Laserpuls eine 110 nm dicke Aluminiumfolie bestrahlt, wird ein energiereicher Aluminiumionenstrahl mit einer gewissen Energieverteilung erzeugt3. Der lasergetriebene Aluminiumionenstrahl divergierte mit einem Kegelhalbwinkel von 20°3 und traf auf 10 μm dicke Gold- und 15 μm dicke Diamantproben, nachdem er eine Entfernung von Quelle zu Probe von 2,37 mm bei einem Einfallswinkel von zurückgelegt hatte 45°12,16. Ein 5 μm dicker Aluminiumfilter, der 0,37 mm hinter der Quelle und 2,0 mm vor den Proben eingesetzt wurde, blockierte jegliches Laserlicht, das durch die 110-nm-Al-Folie dringt, sowie niederenergetische Protonen (< 0,5 MeV) und niederenergetische Aluminiumionen ( < 10 MeV)12,16.

In Abb. 1b zeigen die schwarzen Balken die Eingabedaten unserer SRIM-Simulationen an, die das Energiespektrum von 10.000 Aluminiumionen darstellen, die auf Gold- und Diamantproben einfallen. Die durchschnittliche kinetische Energie der Aluminiumionen beträgt 140 (± 33) MeV in Abb. 1b, und das Eingangsenergiespektrum basiert auf einem typischen Energiespektrum, das in Ref. 3 mit einem Thompson-Parabel-Ionenspektrometer gemessen wurde.

(a) Ein lasergetriebener Aluminiumionenstrahl mit einer gewissen Energieverteilung trifft in einem Einfallswinkel von 45° auf Gold- und Diamantproben. Der lasergetriebene Aluminiumstrahl erhitzt isochorisch Gold- und Diamantproben. (b) Energiespektrum der einfallenden Aluminiumionen, gemessen aus Ref. 3, das in unseren SRIM-Berechnungen verwendet wird.

Mithilfe der Bremsleistungsdaten von SRIM und des gemessenen Energiespektrums der einfallenden Aluminiumionen (siehe Abb. 1b) können wir die zu verschiedenen Zeiten auf den Proben deponierte Energie berechnen. Beachten Sie, dass die Ankunftszeit eines einzelnen Aluminiumions mit zunehmender kinetischer Energie abnimmt. Beispielsweise erreicht ein 200-MeV-Aluminiumion Gold oder Diamant 63 ps, nachdem der Laserimpuls die Aluminiumfolie bestrahlt hat, während ein 50-MeV-Aluminiumion 125 ps benötigt, um die gleiche Strecke zurückzulegen.

Abbildung 2a und b zeigen die Heizleistungen und die deponierte Energie pro Ion für eine 10 μm dicke Goldprobe und eine 15 μm dicke Diamantprobe als Funktion der Zeit. Die durchgezogenen roten Kreise zeigen die Heizleistung für Gold und die leeren violetten Kreise geben die deponierte Energie pro Ion in Abb. 2a an. In Abb. 2b zeigen die durchgezogenen blauen Dreiecke die Heizleistung für Diamant und die leeren schwarzen Dreiecke die deponierte Energie pro Ion. Wir definieren die Heizleistung der einfallenden Aluminiumionen als die durchschnittliche deponierte Energie pro Ion pro Zeiteinheit. In Abb. 2a und b haben wir den Einfallswinkel von 45° bei der Berechnung der entsprechenden Laufzeiten der einfallenden Ionen innerhalb der Proben berücksichtigt12,16.

(a) Die Heizleistung der einfallenden Aluminiumionen für eine 10 μm dicke Goldprobe in einem Winkel von 45° ist als Funktion der Zeit von 0 bis 125 ps aufgetragen. Die deponierte Energie pro Ion wird auch als Funktion der Zeit dargestellt. (b) Die Heizleistung für eine 15 μm dicke Diamantprobe in einem Winkel von 45° wird als Funktion der Zeit von 0–125 ps dargestellt. Die deponierte Energie pro Ion wird auch als Funktion der Zeit dargestellt.

Die Heizleistung bleibt vor 63 ps oder bis 200 MeV Aluminiumionen die Proben erreichen, vernachlässigbar. Dies steht im Einklang mit dem winzigen Anteil (1,6 %) der Aluminiumionen über 200 MeV, wie in Abb. 1b dargestellt. Darüber hinaus verlieren Aluminiumionen mit dieser hohen kinetischen Energie nur einen kleinen Teil ihrer kinetischen Energie, da ihre Reichweite größer ist als die Probendicke. Beispielsweise überträgt ein 400-MeV-Aluminiumion nur 16 % seiner anfänglichen kinetischen Energie auf die Goldprobe, während ein 200-MeV-Aluminiumion 47 % seiner kinetischen Energie überträgt.

In Abb. 2a erreicht die Heizleistung ihren Höhepunkt bei 69,2 ps, und der größte Teil der Erwärmung findet zwischen 68 und 86 ps statt. Dieses Zeitintervall entspricht Aluminiumionen mit einer kinetischen Energie im Bereich von 107–173 MeV und macht etwa 79 % der gesamten einfallenden Ionen aus, die in Abb. 1b dargestellt sind. Bei Gold übertragen 107-MeV-Aluminiumionen ihre gesamte kinetische Energie auf die Probe, während 173-MeV-Aluminiumionen 101 MeV auf die Probe übertragen. Nach 86 ps erreichen Aluminiumionen mit kinetischen Energien von weniger als 107 MeV die Probe. Diese Ionen machen 16 % aller Ionen aus und bleiben in der Probe stehen, nachdem sie ihre gesamte kinetische Energie übertragen haben. Während des Intervalls von 86–125 ps sinkt die Heizleistung für Gold auf weniger als 1 MeV/ps.

Abbildung 2b zeigt die Heizleistung für die Diamantprobe, die der in Abb. 2a gezeigten Goldprobe ähnelt. Die Heizleistung für die Diamantprobe ist etwas geringer als die für die Goldprobe vor 86 ps. Beispielsweise beträgt die Heizleistung für die Goldprobe maximal 14,9 MeV/Ion/ps bei 69,2 ps, während die Heizleistung für die Diamantprobe maximal 10,5 MeV/Ion/ps bei 69,5 ps beträgt. Dies steht im Einklang mit der größeren deponierten Energie pro Ion für Gold (= 104 MeV/Ion bei 125 ps) im Vergleich zu der für Diamant (= 80 MeV/Ion bei 125 ps). Nach 86 ps sind die Heizleistungen jedoch nahezu gleich, da die Aluminiumionen ihre gesamte kinetische Energie sowohl auf die Gold- als auch auf die Diamantprobe übertragen.

Abbildung 3a zeigt die zeitliche Entwicklung der Bremskraft der 10 μm dicken Goldprobe bei einem Einfallswinkel von 45° von 65 ps (leere schwarze Quadrate) bis 125 ps (durchgezogene grüne Sterne). Die Bremskraft der Goldprobe nimmt hauptsächlich im Intervall von 65–90 ps (hohle blaue Kreise) zu, was dem Zeitintervall entspricht, in dem die meiste Erwärmung auftritt, wie in Abb. 2a dargestellt. Beispielsweise beträgt die Bremsleistung der Goldprobe bei 90 ps 6,87 (± 0,48) MeV/μm, was 91 % der Bremsleistung bei 125 ps von 7,50 (± 0,29) MeV/μm entspricht.

Die zeitlichen Entwicklungen von (a) der Bremskraft einer 10 μm dicken Goldprobe in einem Winkel von 45° und (b) der Bremskraft einer 15 μm dicken Diamantprobe in einem Winkel von 45° werden als dargestellt Funktionen der Zieltiefe von 65 bis 125 ps. (c) Die Erwärmungsungleichmäßigkeiten der Gold- und Diamantproben werden als Funktionen der Zeit im Intervall von 0–125 ps aufgetragen.

Abbildung 3b zeigt die zeitliche Entwicklung der Bremskraft der 15 μm dicken Diamantprobe bei 45° in Intervallen von 65–125 ps. Die Bremskraft des Diamanten nimmt hauptsächlich im Intervall von 65–90 ps zu, ähnlich wie bei der Goldprobe. Allerdings ist die Stoppwirkung der Diamantprobe geringer als die der Goldprobe. Beispielsweise beträgt die Bremsleistung der Diamantprobe bei 125 ps 3,81 (± 0,21) MeV/μm.

In Abb. 3a und b ist zu erkennen, wie sich die Gleichmäßigkeit der Erwärmung mit der Zeit ändert. Um den Grad der Erwärmungsgleichmäßigkeit quantitativ zu bewerten, folgen wir der Definition der Erwärmungsungleichmäßigkeit in Ref. 16

Abbildung 3c zeigt die Erwärmungsungleichmäßigkeiten von 0 bis 125 ps für Gold (durchgezogene rote Kreise) bzw. Diamant (durchgezogene blaue Dreiecke). Zunächst scheint die Erwärmung sowohl bei den Gold- als auch bei den Diamantproben ziemlich gleichmäßig zu sein. Bei der Goldprobe verschlechtert sich die Erwärmungsungleichmäßigkeit im Intervall von 45–78 ps. Während dieses Zeitintervalls treffen Aluminiumionen mit kinetischen Energien von mehr als 130 MeV auf die Goldprobe. Diese energiereichen Ionen haben eine größere Reichweite als die Probendicke und erhitzen die Rückseite umso stärker, je langsamer sie werden. Interessanterweise verbessert sich die Erwärmungsungleichmäßigkeit im Zeitintervall von 78–125 ps allmählich, was auf eine stärkere Erwärmung der vorderen und mittleren Regionen durch weniger energiereiche Ionen zurückzuführen ist. In der Diamantprobe nimmt die Erwärmungsungleichmäßigkeit zu, bis sie bei 87 ps ein Maximum von 11,3 % erreicht. Dann verbessert sich die Erwärmungsungleichmäßigkeit im Intervall von 87–125 ps allmählich und beträgt am Ende des Erwärmungsprozesses 5,6 %.

Sowohl bei den Gold- als auch bei den Diamantproben führt das Gleichgewicht zwischen der Erwärmung der Vorderseite durch langsamere Ionen und der Erwärmung der Rückseite durch schnellere Ionen zu einer sehr gleichmäßigen Erwärmung gegen Ende des Erwärmungsprozesses, wie in Abb. 3c dargestellt. Während des gesamten Erhitzungsprozesses behalten die Proben ihre Feststoffdichte bei, da aufgrund der beobachteten Expansionsgeschwindigkeiten der erhitzten Proben in Lit. 12 davon ausgegangen wird, dass die Volumenzunahme während des Erhitzens gering ist (< 3 %).

Abbildung 4a–d zeigt die Temperaturverteilung innerhalb der 10 μm dicken Goldprobe und der 15 μm dicken Diamantprobe zu unterschiedlichen Zeiten, von 65 bis 125 ps. Bei diesen Berechnungen wird ein Einfallswinkel von 45° berücksichtigt. Wir haben die Temperaturverteilung der erhitzten Gold- und Diamantproben anhand der Kaltstoppleistungsdaten von SRIM und der entsprechenden SESAME EOS-Tabellen berechnet. Wir schätzen, dass es bei unseren Temperaturberechnungen für Gold bis zu 4 % Fehler und für Diamant bis zu 2 % Fehler geben kann, da bekannt ist, dass die Stoppkräfte bei warmen, dichten Plasmen größer werden36. In Ref.36 wird eine Bremskraftformel im Bethe-Stil für warme, dichte Plasmen vorgestellt. Unter der Annahme einer 10-prozentigen Abnahme der mittleren Anregungsenergie für unsere warmen, dichten Gold- und Diamantproben schätzen wir einen Anstieg der Stoppleistung von bis zu 4 % für Gold und bis zu 2 % für Diamant für einen 100-MeV-Aluminiumionenstrahl. Da der Korrektureffekt unbedeutend ist und die mittlere Anregungsenergie für warmes, dichtes Gold und Diamanten nicht verfügbar ist, haben wir in unseren Berechnungen die Kaltbremsleistungsdaten von SRIM verwendet.

Dargestellt ist die Temperaturverteilung innerhalb der 10 μm dicken Goldprobe zu verschiedenen Zeiten von 65 bis 125 ps. Die Temperaturen werden anhand der SESAME EOS-Tabellen (a) Nr. 2700 und (b) Nr. 2705 berechnet. Ebenso wird die Temperaturverteilung innerhalb des 15 μm dicken Diamanten zu verschiedenen Zeiten anhand der SESAME EOS-Tabellen (c) Nr. dargestellt . 7830 und (d) Nr. 7834.

In Abb. 4a wird die SESAME EOS-Tabelle Nr. 2700 zur Berechnung der Temperatur der Goldprobe verwendet, während Tabelle Nr. 2705 für die Goldprobe in Abb. 4b verwendet wird. Abhängig von den verwendeten EOS-Tabellen unterscheiden sich die erwarteten Temperaturen der Goldproben um etwa 10 %, wie in Abb. 4a und b dargestellt. Konkret beträgt die erwartete Temperatur einer 10 μm dicken Goldprobe unter Verwendung von Tabelle Nr. 2700 5,64 (± 0,13) eV bei 125 ps, während die erwartete Temperatur unter Verwendung von Tabelle Nr. 2705 5,13 (± 0,12) eV beträgt. Beachten Sie, dass die neuere SESAME-Tabelle Nr. 2705 33 bekanntermaßen die wichtigsten Hugonioten, die Wärmeausdehnung, die Raumtemperaturisotherme, die Schmelzlinie, den Dampfdruck und die Wärmekapazität von reinem Gold vorhersagt, die sich erheblich von den entsprechenden unterscheiden und diesen überlegen sind Vorhersagen anhand der Tabelle Nr. 270016.

Abbildung 4c und d zeigen ähnliche Berechnungen für die 15 μm dicke Diamantprobe unter Verwendung der SESAME EOS-Tabellen Nr. 7830 bzw. Nr. 7834. Für die Diamantprobe sagen die SESAME-Tabellen Nr. 7830 und Nr. 7834 ähnliche Temperaturen während des Erhitzungsprozesses voraus. Die erwartete Temperatur der 15 μm dicken Diamantprobe bei 125 ps unter Verwendung der SESAME EOS-Tabelle Nr. 7830 beträgt 1,89 (± 0,09) eV, während die vorhergesagte Temperatur unter Verwendung der SESAME EOS-Tabelle Nr. 7834 1,91 (± 0,10) eV beträgt. Die Unterschiede in den berechneten Temperaturen unter Verwendung der beiden verschiedenen EOS-Tabellen für die Diamantprobe sind während des gesamten Erhitzungsprozesses recht gering. Beachten Sie, dass die Strahlungsverluste in diesen Berechnungen, die auf unseren Schätzungen des Bremsstrahlungsenergieverlusts basieren, unbedeutend sind. Dies liegt daran, dass die optische Bremsstrahlungstiefe von Proben mit fester Dichte bei Temperaturen in der Größenordnung von mehreren eV relativ kleine Werte (< 0,1 μm) aufweist37. Wir schätzen, dass der Bremsstrahlungsenergieverlust während des 20-ps-Erhitzens für die Diamantprobe bei 1,9 eV weniger als 0,17 % beträgt.

Um die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung innerhalb der erhitzten Probe zu verschiedenen Zeiten zu quantifizieren, definieren wir die Temperaturungleichmäßigkeit als15

Abbildung 5a zeigt die zeitliche Entwicklung der Temperaturungleichmäßigkeit der Goldprobe unter Verwendung der SESAME EOS-Tabellen Nr. 2700 (leere schwarze Kreise) und Nr. 2705 (durchgezogene rote Kreise). Die mit den SESAME EOS-Tabellen Nr. 2700 und Nr. 2705 berechnete Temperaturungleichmäßigkeit der Goldprobe scheint nahezu identisch zu sein. In beiden Fällen verschlechtert sich die Temperaturgleichmäßigkeit im Zeitintervall von 45–80 ps. Nach 80 ps verbessert sich die Temperaturgleichmäßigkeit jedoch allmählich und erreicht gegen Ende des Heizvorgangs eine Temperaturungleichmäßigkeit von 2–3 %.

(a) Die Temperaturungleichmäßigkeit der Goldprobe wird als Funktion der Zeit von 0 bis 125 ps dargestellt. (b) Die Temperaturungleichmäßigkeit der Diamantprobe wird als Funktion der Zeit von 0 bis 125 ps dargestellt.

In ähnlicher Weise zeigt Abb. 5b die zeitliche Entwicklung der Temperaturungleichmäßigkeit der Diamantprobe unter Verwendung der SESAME EOS-Tabellen Nr. 7830 (leere rote Dreiecke) und Nr. 7834 (durchgezogene blaue Dreiecke). Die Temperaturungleichmäßigkeit der Diamantprobe steigt im Intervall von 45–87 ps auf 10–11 % an, verbessert sich allmählich nach 87 ps und beträgt am Ende des Erhitzens ~ 5 %. Die beiden EOS-Tabellen für Diamanten sagen leicht unterschiedliche Werte voraus, wie in Abb. 5b dargestellt.

Die vertikalen Fehlerbalken in Abb. 5a und b geben die Unsicherheiten bei den erwarteten Temperaturen der Gold- bzw. Diamantproben an, basierend auf der gemeldeten Schwankung von ± 30 % von Schuss zu Schuss in der einfallenden Aluminiumionenfluenz12,16. In Abb. 5a stellen die horizontalen Fehlerbalken die geschätzte Relaxationszeit für die Goldprobe dar, wobei der bekannte Elektron-Ionen-Kopplungsfaktor für warmes, dichtes Gold verwendet wird38,39,40,41. Basierend auf diesen Schätzungen gehen wir davon aus, dass das lokale thermische Gleichgewicht innerhalb weniger Pikosekunden erreicht wird, sodass die berechneten Temperaturen in unseren Abbildungen sowohl die Elektronen- als auch die Ionentemperaturen darstellen. Im Gegensatz dazu wird erwartet, dass das globale thermische Gleichgewicht auf der Grundlage unserer Berechnungen der Diffusionskoeffizienten von 5,6 eV Gold und 1,9 eV Diamant erst nach ca. 1 µs nach dem Erhitzen für Gold und ca. 20 µs für Diamant erreicht wird12,16. Mit anderen Worten: Das globale thermische Gleichgewicht wird sowohl in Gold- als auch in Diamantproben nicht auf einer für diese Art von Experimenten relevanten Nanosekunden-Zeitskala erreicht. Dies erklärt, warum es wichtig ist, die Temperaturverteilung innerhalb der erhitzten Probe zu verschiedenen Zeitpunkten während des Erhitzungsprozesses zu kennen.

Wir haben die zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung in Gold- und Diamantproben untersucht, die mit energiereichen quasimonoenergetischen Aluminiumionenstrahlen erhitzt wurden. Während es frühere Studien gab, die auf eine gute Temperaturgleichmäßigkeit erhitzter Proben aus warmer, dichter Materie hindeuteten, wurde die Temperaturgleichmäßigkeit während des Erhitzens in keiner Studie untersucht.

Wir haben die erwarteten Temperaturen der erhitzten Proben mithilfe der SESAME-EOS-Tabellen und der Bremsleistungsdaten von SRIM zu verschiedenen Zeiten berechnet. Unseren Simulationsergebnissen zufolge ist die Temperaturverteilung innerhalb der erhitzten Probe mit fester Dichte zu Beginn sehr gleichmäßig, wird jedoch während des Erhitzungsprozesses sowohl für die Gold- als auch für die Diamantproben weniger gleichmäßig (7–11 % Ungleichmäßigkeit). Anschließend verbessert sich die Temperaturgleichmäßigkeit allmählich und gegen Ende des Aufheizvorgangs wird eine gute Temperaturgleichmäßigkeit (2–5 % Ungleichmäßigkeit) erreicht. Diese Studie zeigt zum ersten Mal die Entwicklung der erwarteten Temperaturverteilung in warmen, dichten Gold- und Diamantproben während des Erhitzungsprozesses.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Abteilung für Physik und Photonenwissenschaft, GIST, Gwangju, 61005, Südkorea

C. Song, S. Lee & W. Bang

Zentrum für relativistische Laserwissenschaft, Institut für Grundlagenwissenschaften, Gwangju, 61005, Südkorea

C. Song, S. Lee & W. Bang

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CS und SL führten Monte-Carlo-Simulationen durch und analysierten die Daten. WB und CS haben das Manuskript geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit W. Bang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Song, C., Lee, S. & Bang, W. Temperaturentwicklung von dichtem Gold und Diamant, erhitzt durch energiereiche lasergetriebene Aluminiumionen. Sci Rep 12, 15173 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18758-9

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Eingegangen: 31. Mai 2022

Angenommen: 18. August 2022

Veröffentlicht: 07. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18758-9

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Angewandte Physik B (2023)

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