Evolução da temperatura de ouro denso e diamante aquecido por laser energético

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15173 (2022) Citar este artigo

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Estudos recentes mostraram que íons energéticos movidos a laser com alguma propagação de energia podem aquecer uniformemente pequenas amostras de densidade sólida. O equilíbrio entre as perdas de energia dos íons com diferentes energias cinéticas resulta em aquecimento uniforme. Embora o aquecimento com um feixe de íons energético acionado por laser seja concluído em um nanossegundo e muitas vezes seja considerado suficientemente rápido, ele não é instantâneo. Aqui apresentamos um estudo teórico da evolução temporal da temperatura de amostras de ouro e diamante de densidade sólida aquecidas por um feixe de íons de alumínio quasimonoenergético. Calculamos a evolução temporal das temperaturas previstas das amostras usando os dados de poder de parada disponíveis e as tabelas de equação de estado do SESAME. Descobrimos que a distribuição de temperatura é inicialmente muito uniforme, que se torna menos uniforme durante o processo de aquecimento. Então, a uniformidade de temperatura melhora gradualmente e uma boa uniformidade de temperatura é obtida no final do processo de aquecimento.

A aceleração de íons usando modernos sistemas de laser de alta potência levou ao desenvolvimento de fontes de íons intensos com alta energia cinética1,2,3,4,5,6. Íons movidos a laser com velocidades de até algumas dezenas de por cento da velocidade da luz foram gerados experimentalmente, carregando várias dezenas de MeV/nucleon6,7,8,9,10,11. Por exemplo, prótons movidos a laser com energia cinética máxima próxima a 100 MeV foram demonstrados em experimentos recentes9,10,11. Esses prótons ou íons movidos a laser transferem sua energia cinética para uma amostra muito rapidamente por meio de colisões de Coulomb antes que ocorra uma expansão hidrodinâmica significativa da amostra12,13,14,15. A amostra aquecida geralmente atinge altas temperaturas acima de 10.000 K16,17,18,19,20, enquanto ainda mantém uma densidade quase sólida. Devido a essas propriedades, os íons movidos a laser podem ser usados ​​em áreas de pesquisa como o estudo de matéria densa quente17,18,19,20 e ignição rápida21,22.

Como os gradientes de temperatura dentro de uma amostra dificultam a análise das propriedades físicas medidas de uma amostra aquecida, é desejável aquecer a amostra uniformemente para estudar suas propriedades físicas16. No entanto, íons típicos movidos a laser aquecem a superfície frontal da amostra preferencialmente porque exibem uma distribuição de energia Maxwelliana6,23, na qual predominam íons menos energéticos. Os íons de baixa energia transferem toda a sua energia cinética e param perto da superfície frontal da amostra. Em contraste, os íons mais energéticos depositam principalmente sua energia cinética ao redor da superfície traseira da amostra. Eles transferem apenas uma pequena fração de sua energia cinética antes de atingir seus picos de Bragg24, onde ocorre a maior parte da transferência de energia. A energia transferida ao redor da superfície frontal da amostra é maior do que a energia transferida perto da superfície traseira porque o número de íons menos energéticos é maior que o número de íons mais energéticos para a distribuição de energia Maxwelliana.

Os íons movidos a laser com alguma dispersão de energia foram estudados experimentalmente1,2,3,25,26 e teoricamente15,27,28. Para um feixe de íons com alguma dispersão de energia, o aquecimento uniforme pode ser alcançado como resultado do equilíbrio entre a energia transferida dos íons de baixa energia e a energia transferida dos íons de alta energia. Estudos recentes12,16 mostraram que um feixe de íons de alumínio de alta energia acionado por laser3,29 com alguma propagação de energia pode aquecer pequenas amostras de densidade sólida de maneira bastante uniforme a temperaturas acima de 10.000 K.

Embora estudos anteriores sugiram uma boa uniformidade de temperatura das amostras resultantes de matéria densa e quente12,16, nenhum estudo examinou a uniformidade de temperatura durante o aquecimento. É bem possível que a uniformidade da temperatura seja ruim no início ou no meio do processo de aquecimento. Por exemplo, a uniformidade da temperatura da amostra pode ser ruim no meio do processo de aquecimento porque os íons de alta energia transferem mais energia cinética para a superfície traseira da amostra do que para a frente. A distribuição de temperatura torna-se mais uniforme quando os íons de baixa energia atingem a amostra e aquecem a superfície frontal.