Evolución de la temperatura de oro denso y diamante calentado por láser energético

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15173 (2022) Citar este artículo

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Estudios recientes han demostrado que los iones energéticos impulsados por láser con cierta dispersión de energía pueden calentar muestras pequeñas de densidad sólida de manera uniforme. El equilibrio entre las pérdidas de energía de los iones con diferentes energías cinéticas da como resultado un calentamiento uniforme. Aunque el calentamiento con un haz de iones energético impulsado por láser se completa en un nanosegundo y, a menudo, se considera lo suficientemente rápido, no es instantáneo. Aquí presentamos un estudio teórico de la evolución temporal de la temperatura de muestras de oro y diamantes de densidad sólida calentadas por un haz de iones de aluminio cuasimonoenergético. Calculamos la evolución temporal de las temperaturas previstas de las muestras utilizando los datos de potencia de frenado disponibles y las tablas de ecuaciones de estado SESAME. Encontramos que la distribución de temperatura es inicialmente muy uniforme, que se vuelve menos uniforme durante el proceso de calentamiento. Luego, la uniformidad de temperatura mejora gradualmente y se obtiene una buena uniformidad de temperatura hacia el final del proceso de calentamiento.

La aceleración de iones utilizando modernos sistemas láser de alta potencia ha llevado al desarrollo de fuentes de iones intensos con alta energía cinética1,2,3,4,5,6. Se han generado experimentalmente iones impulsados por láser con velocidades de hasta unas pocas decenas de por ciento de la velocidad de la luz, transportando varias decenas de MeV/nucleon6,7,8,9,10,11. Por ejemplo, se han demostrado protones impulsados por láser con una energía cinética máxima cercana a los 100 MeV en experimentos recientes9,10,11. Estos protones o iones impulsados por láser transfieren su energía cinética a una muestra muy rápidamente a través de colisiones de Coulomb antes de que ocurra una expansión hidrodinámica significativa de la muestra12,13,14,15. La muestra calentada a menudo alcanza altas temperaturas por encima de 10 000 K16,17,18,19,20, mientras mantiene una densidad casi sólida. Debido a estas propiedades, los iones impulsados por láser se pueden utilizar en áreas de investigación como el estudio de la materia densa caliente17,18,19,20 y la ignición rápida21,22.

Dado que los gradientes de temperatura dentro de una muestra dificultan el análisis de las propiedades físicas medidas de una muestra calentada, es deseable calentar la muestra de manera uniforme para estudiar sus propiedades físicas16. Sin embargo, los iones típicos impulsados por láser calientan la superficie frontal de la muestra preferentemente porque exhiben una distribución de energía maxwelliana6,23, en la que predominan los iones menos energéticos. Los iones de baja energía transfieren toda su energía cinética y se detienen cerca de la superficie frontal de la muestra. Por el contrario, los iones más energéticos depositan principalmente su energía cinética alrededor de la superficie posterior de la muestra. Transfieren solo una pequeña fracción de su energía cinética antes de alcanzar sus picos de Bragg24, donde ocurre la mayor parte de la transferencia de energía. La energía transferida alrededor de la superficie frontal de la muestra es mayor que la energía transferida cerca de la superficie trasera porque el número de iones menos energéticos es mayor que el número de iones más energéticos para la distribución de energía maxwelliana.

Los iones impulsados por láser con cierta dispersión de energía se han estudiado experimentalmente1,2,3,25,26 y teóricamente15,27,28. Para un haz de iones con cierta dispersión de energía, se puede lograr un calentamiento uniforme como resultado del equilibrio entre la energía transferida desde los iones de baja energía y la energía transferida desde los iones de alta energía. Estudios recientes12,16 han demostrado que un haz de iones de aluminio impulsado por láser de alta energía3,29 con cierta dispersión de energía puede calentar muestras pequeñas de densidad sólida de manera bastante uniforme a temperaturas superiores a 10 000 K.

Si bien estudios previos sugieren una buena uniformidad de temperatura de las muestras de materia densa cálida resultantes12,16, ningún estudio ha examinado la uniformidad de temperatura durante el calentamiento. Es muy posible que la uniformidad de la temperatura sea pobre al principio o en medio del proceso de calentamiento. Por ejemplo, la uniformidad de la temperatura de la muestra puede ser pobre en medio del proceso de calentamiento debido a que los iones de alta energía transfieren más energía cinética a la superficie posterior de la muestra que al frente. La distribución de la temperatura se vuelve más uniforme cuando los iones de baja energía llegan a la muestra y calientan la superficie frontal.

Aquí estudiamos la evolución temporal de las temperaturas calculadas de muestras densas de oro y diamantes calentadas por un haz de iones de aluminio impulsado por láser en la Ref.12. Usamos el código de simulación Monte Carlo, SRIM30 y las tablas de ecuación de estado (EOS) SESAME31,32,33,34,35 para calcular las temperaturas esperadas de las muestras en diferentes momentos. Con base en estos cálculos, investigamos la uniformidad de la temperatura de las muestras de densidad sólida calentadas durante todo el proceso de calentamiento.

La figura 1a muestra un haz de iones de aluminio impulsado por láser3 que incide sobre muestras de oro y diamantes12,16. Después de que un pulso láser intenso (~ 2 × 1020 W/cm2) irradie una lámina de aluminio de 110 nm de espesor, se genera un haz de iones de aluminio energético con cierta dispersión de energía3. El haz de iones de aluminio impulsado por láser divergió con un semiángulo de cono de 20°3 e incidió en muestras de oro de 10 μm de espesor y de diamante de 15 μm de espesor después de recorrer una distancia de fuente a muestra de 2,37 mm con un ángulo de incidencia de 45°12,16. Un filtro de aluminio de 5 μm de espesor, insertado 0,37 mm detrás de la fuente y 2,0 mm antes de las muestras, bloqueó cualquier luz láser que pasara a través de la lámina de aluminio de 110 nm, así como los protones de baja energía (< 0,5 MeV) y los iones de aluminio de baja energía ( < 10 MeV)12,16.

En la Fig. 1b, las barras negras indican los datos de entrada a nuestras simulaciones SRIM, que representan el espectro de energía de 10 000 iones de aluminio que inciden en muestras de oro y diamantes. La energía cinética promedio de los iones de aluminio es de 140 (± 33) MeV en la Fig. 1b, y el espectro de energía de entrada se basa en un espectro de energía típico medido en la Ref. 3 usando un espectrómetro de iones de parábola de Thompson.

(a) Un haz de iones de aluminio impulsado por láser con cierta dispersión de energía incide sobre muestras de oro y diamantes con un ángulo de incidencia de 45°. El haz de aluminio impulsado por láser calienta muestras de oro y diamantes de forma isocórica. (b) Espectro de energía de los iones de aluminio incidentes medidos a partir de la Ref.3, que se utiliza en nuestros cálculos SRIM.

Podemos calcular la energía depositada en las muestras en diferentes momentos utilizando los datos de potencia de frenado de SRIM y el espectro de energía medido de los iones de aluminio incidentes que se muestran en la Fig. 1b. Tenga en cuenta que el tiempo de llegada de un solo ion de aluminio disminuye con el aumento de la energía cinética. Por ejemplo, un ion de aluminio de 200 MeV alcanza el oro o el diamante 63 ps después de que el pulso láser irradie la lámina de aluminio, mientras que un ion de aluminio de 50 MeV tarda 125 ps en recorrer la misma distancia.

Las Figuras 2a yb muestran los poderes de calentamiento y la energía depositada por ion para una muestra de oro de 10 μm de espesor y una muestra de diamante de 15 μm de espesor en función del tiempo. Los círculos rojos sólidos muestran el poder calorífico del oro y los círculos violetas huecos indican la energía depositada por ion en la Fig. 2a. En la Fig. 2b, los triángulos azules sólidos muestran el poder de calentamiento del diamante y los triángulos negros huecos indican la energía depositada por ión. Definimos el poder de calentamiento de los iones de aluminio incidentes como la energía promedio depositada por ion por unidad de tiempo. En las Fig. 2a yb, hemos tenido en cuenta el ángulo de incidencia de 45° al calcular los tiempos de viaje correspondientes de los iones incidentes dentro de las muestras12,16.

(a) El poder de calentamiento de los iones de aluminio incidentes para una muestra de oro de 10 μm de espesor en un ángulo de 45° se representa en función del tiempo de 0 a 125 ps. La energía depositada por ion también se muestra en función del tiempo. (b) La potencia de calentamiento para una muestra de diamante de 15 μm de espesor en un ángulo de 45° se muestra como una función del tiempo de 0 a 125 ps. La energía depositada por ion también se muestra en función del tiempo.

El poder de calentamiento permanece insignificante antes de 63 ps o hasta que los iones de aluminio de 200 MeV alcanzan las muestras. Esto es consistente con la pequeña fracción (1,6 %) de los iones de aluminio por encima de 200 MeV, como se muestra en la Fig. 1b. Además, los iones de aluminio con esta alta energía cinética pierden solo una pequeña fracción de su energía cinética porque sus rangos son mayores que los espesores de la muestra. Por ejemplo, un ion de aluminio de 400 MeV transfiere solo el 16 % de su energía cinética inicial a la muestra de oro, mientras que un ion de aluminio de 200 MeV transfiere el 47 % de su energía cinética.

En la Fig. 2a, la potencia de calentamiento alcanza un máximo de 69,2 ps y la mayor parte del calentamiento se produce entre 68 y 86 ps. Este intervalo de tiempo corresponde a iones de aluminio con energía cinética en el rango de 107 a 173 MeV, lo que representa aproximadamente el 79 % del total de iones incidentes que se muestran en la Fig. 1b. Para el oro, los iones de aluminio de 107 MeV transfieren toda su energía cinética a la muestra, mientras que los iones de aluminio de 173 MeV transfieren 101 MeV a la muestra. Después de 86 ps, los iones de aluminio con energías cinéticas inferiores a 107 MeV llegan a la muestra. Estos iones representan el 16 % del total de iones y se detienen dentro de la muestra una vez que han transferido toda su energía cinética. Durante el intervalo de 86 a 125 ps, la potencia de calentamiento disminuye a menos de 1 MeV/ps para el oro.

La figura 2b muestra el poder de calentamiento de la muestra de diamante, que es similar a la muestra de oro que se muestra en la figura 2a. El poder de calentamiento de la muestra de diamante es ligeramente inferior al de la muestra de oro antes de 86 ps. Por ejemplo, la potencia de calentamiento de la muestra de oro tiene un máximo de 14,9 MeV/ion/ps a 69,2 ps, mientras que la potencia de calentamiento de la muestra de diamante tiene un máximo de 10,5 MeV/ion/ps a 69,5 ps. Esto es consistente con la mayor energía depositada por ion para el oro (= 104 MeV/ion a 125 ps) en comparación con la del diamante (= 80 MeV/ion a 125 ps). Sin embargo, después de 86 ps, los poderes de calentamiento son casi iguales porque los iones de aluminio transfieren toda su energía cinética a las muestras de oro y diamante.

La Figura 3a muestra la evolución temporal del poder de frenado de la muestra de oro de 10 μm de espesor en un ángulo de incidencia de 45° desde 65 ps (cuadrados negros huecos) hasta 125 ps (estrellas verdes sólidas). El poder de frenado de la muestra de oro aumenta principalmente en el intervalo de 65 a 90 ps (círculos azules huecos), que corresponde al intervalo de tiempo en el que se produce la mayor parte del calentamiento, como se muestra en la Fig. 2a. Por ejemplo, el poder de frenado de la muestra de oro a 90 ps es 6,87 (± 0,48) MeV/μm, que es el 91 % del poder de frenado a 125 ps de 7,50 (± 0,29) MeV/μm.

Las evoluciones en el tiempo de (a) el poder de frenado de una muestra de oro de 10 μm de espesor en un ángulo de 45° y (b) el poder de frenado de una muestra de diamante de 15 μm de espesor en un ángulo de 45° se grafican como funciones de la profundidad objetivo de 65 a 125 ps. (c) Las no uniformidades de calentamiento de las muestras de oro y diamantes se representan gráficamente como funciones del tiempo en el intervalo de 0 a 125 ps.

La Figura 3b muestra la evolución temporal del poder de frenado de la muestra de diamante de 15 μm de espesor a 45° en intervalos de 65 a 125 ps. El poder de frenado del diamante aumenta principalmente en el intervalo de 65 a 90 ps, similar a la muestra de oro. Sin embargo, el poder de frenado de la muestra de diamante es menor que el de la muestra de oro. Por ejemplo, el poder de frenado de la muestra de diamante a 125 ps es de 3,81 (± 0,21) MeV/μm.

En las Fig. 3a yb, se puede ver cómo cambia la uniformidad del calentamiento con el tiempo. Para evaluar el grado de uniformidad de calentamiento cuantitativamente, seguimos la definición de no uniformidad de calentamiento en Ref.16

La Figura 3c muestra las no uniformidades de calentamiento de 0 a 125 ps para oro (círculos rojos sólidos) y diamantes (triángulos azules sólidos), respectivamente. Inicialmente, el calentamiento parece ser bastante uniforme tanto para las muestras de oro como para las de diamantes. Para la muestra de oro, la falta de uniformidad del calentamiento empeora en el intervalo de 45 a 78 ps. Durante este intervalo de tiempo, los iones de aluminio con energías cinéticas superiores a 130 MeV inciden sobre la muestra de oro. Estos iones energéticos tienen rangos más largos que el espesor de la muestra y calientan la superficie posterior con más fuerza a medida que disminuyen la velocidad. Curiosamente, la falta de uniformidad del calentamiento mejora gradualmente en el intervalo de tiempo de 78 a 125 ps, lo que se debe a un mayor calentamiento de las regiones frontal y media por iones menos energéticos. En la muestra de diamante, la no uniformidad del calentamiento aumenta hasta alcanzar un máximo de 11,3% a 87 ps. Luego, la falta de uniformidad del calentamiento mejora gradualmente en el intervalo de 87 a 125 ps y se convierte en 5,6 % al final del proceso de calentamiento.

Tanto para las muestras de oro como de diamantes, el equilibrio entre el calentamiento de la superficie frontal por iones más lentos y el calentamiento de la superficie posterior por iones más rápidos da como resultado un calentamiento muy uniforme hacia el final del proceso de calentamiento, como se muestra en la Fig. 3c. A lo largo del proceso de calentamiento, las muestras permanecen en densidad sólida porque se espera que el aumento de volumen durante el calentamiento sea pequeño (< 3 %) según las velocidades de expansión observadas de las muestras calentadas en la Ref.12.

Las Figuras 4a–d muestran la distribución de temperatura dentro de la muestra de oro de 10 μm de espesor y la muestra de diamante de 15 μm de espesor en diferentes momentos, de 65 a 125 ps. En estos cálculos se considera un ángulo de incidencia de 45°. Hemos calculado la distribución de temperatura de las muestras de oro y diamantes calentadas utilizando los datos de poder de frenado en frío de SRIM y las tablas EOS de SESAME correspondientes. Estimamos que puede haber hasta un 4 % de errores en nuestros cálculos de temperatura para el oro y hasta un 2 % de errores para el diamante porque se sabe que los poderes de frenado aumentan para los plasmas cálidos y densos36. En la Ref.36, se presenta una fórmula de poder de frenado al estilo de Bethe para plasmas cálidos y densos. Suponiendo una disminución del 10 % de la energía de excitación media para nuestras muestras cálidas de oro y diamantes densos, estimamos un aumento del poder de frenado de hasta el 4 % para el oro y hasta el 2 % para el diamante para un haz de iones de aluminio de 100 MeV. Debido a que el efecto de corrección es insignificante y la energía de excitación media no está disponible para el oro y el diamante cálidos y densos, hemos utilizado los datos de potencia de frenado en frío de SRIM en nuestros cálculos.

La distribución de temperatura dentro de la muestra de oro de 10 μm de espesor se muestra en diferentes tiempos de 65 a 125 ps. Las temperaturas se calculan usando las Tablas SESAME EOS (a) No. 2700 y (b) No. 2705. De manera similar, la distribución de temperatura dentro del diamante de 15 μm de espesor se muestra en diferentes momentos usando las Tablas SESAME EOS (c) No .7830 y (d) No. 7834.

En la Fig. 4a, la Tabla No. 2700 de SESAME EOS se usa para calcular la temperatura de la muestra de oro, mientras que la Tabla No. 2705 se usa para la muestra de oro en la Fig. 4b. Dependiendo de las tablas EOS utilizadas, las temperaturas esperadas de las muestras de oro difieren en aproximadamente un 10 %, como se muestra en las Fig. 4a y b. Específicamente, la temperatura esperada de una muestra de oro de 10 μm de espesor usando la Tabla No. 2700 es 5.64 (± 0.13) eV a 125 ps, mientras que la temperatura esperada usando la Tabla No. 2705 es 5.13 (± 0.12) eV. Tenga en cuenta que se sabe que la Tabla SESAME No. 2705 33 más reciente predice el Hugoniot principal, la expansión térmica, la isoterma a temperatura ambiente, la línea de fusión, la presión de vapor y la capacidad calorífica del oro puro, que son sustancialmente diferentes y superiores a los correspondientes. predicciones usando la Tabla No. 270016.

Las Figuras 4c y d muestran cálculos similares para la muestra de diamante de 15 μm de espesor usando las Tablas SESAME EOS No. 7830 y No. 7834, respectivamente. Para la muestra de diamante, las Tablas N° 7830 y N° 7834 de SESAME predicen temperaturas similares durante todo el proceso de calentamiento. La temperatura esperada de la muestra de diamante de 15 μm de espesor a 125 ps utilizando la tabla n.º 7830 de SESAME EOS es de 1,89 (± 0,09) eV, mientras que la temperatura prevista con la tabla n.º 7834 de SESAME EOS es de 1,91 (± 0,10) eV. Las diferencias en las temperaturas calculadas utilizando las dos tablas EOS diferentes para la muestra de diamante son bastante pequeñas durante todo el proceso de calentamiento. Tenga en cuenta que las pérdidas por radiación son insignificantes en estos cálculos basados en nuestras estimaciones de la pérdida de energía de bremsstrahlung. Esto se debe a que la profundidad óptica de bremsstrahlung de las muestras de densidad sólida tiene valores relativamente pequeños (< 0,1 μm) a temperaturas del orden de varios eV37. Estimamos que la pérdida de energía de bremsstrahlung durante el calentamiento de 20 ps es inferior al 0,17 % para la muestra de diamante a 1,9 eV.

Para cuantificar la uniformidad de la distribución de temperatura dentro de la muestra calentada en diferentes momentos, definimos la no uniformidad de temperatura como 15

La Figura 5a muestra la evolución en el tiempo de la falta de uniformidad de la temperatura de la muestra de oro usando las Tablas SESAME EOS No. 2700 (círculos negros huecos) y No. 2705 (círculos rojos sólidos). La falta de uniformidad de la temperatura de la muestra de oro calculada usando las Tablas No. 2700 y No. 2705 de SESAME EOS parece ser casi idéntica. En ambos casos, la uniformidad de la temperatura se deteriora en el intervalo de tiempo de 45 a 80 ps. Sin embargo, después de 80 ps, la uniformidad de temperatura mejora gradualmente, alcanzando una falta de uniformidad de temperatura de 2 a 3% hacia el final del proceso de calentamiento.

(a) La falta de uniformidad de la temperatura de la muestra de oro se muestra en función del tiempo de 0 a 125 ps. (b) La falta de uniformidad de la temperatura de la muestra de diamante se muestra como una función del tiempo de 0 a 125 ps.

De manera similar, la Fig. 5b muestra la evolución en el tiempo de la falta de uniformidad de la temperatura de la muestra de diamante usando las Tablas SESAME EOS No. 7830 (triángulos rojos huecos) y No. 7834 (triángulos azules sólidos). La falta de uniformidad de la temperatura de la muestra de diamante aumenta hasta un 10-11 % en el intervalo de 45-87 ps, mejora gradualmente después de 87 ps y se vuelve ~ 5 % al final del calentamiento. Las dos tablas EOS para diamantes predicen valores ligeramente diferentes, como se muestra en la Fig. 5b.

Las barras de error verticales en la Fig. 5a y b indican las incertidumbres en las temperaturas esperadas de las muestras de oro y diamante, respectivamente, en función de la fluctuación de disparo a disparo de ± 30% reportada en la fluencia de iones de aluminio incidente12,16. En la Fig. 5a, las barras de error horizontales representan el tiempo de relajación estimado para la muestra de oro, usando el conocido factor de acoplamiento de ion-electrón para oro cálido y denso38,39,40,41. Según estas estimaciones, esperamos que se alcance el equilibrio térmico local en varios picosegundos, por lo que las temperaturas calculadas en nuestras figuras representan tanto la temperatura de los electrones como la de los iones. Por el contrario, se espera que el equilibrio térmico global se alcance solo después de ~ 1 µs de calentamiento para el oro y ~ 20 µs para el diamante según nuestros cálculos de los coeficientes de difusión de 5,6 eV de oro y 1,9 eV de diamante12,16. En otras palabras, el equilibrio térmico global no se alcanza en muestras de oro y diamantes en una escala de tiempo de nanosegundos relevante para este tipo de experimentos. Esto explica por qué es importante conocer la distribución de temperatura dentro de la muestra calentada en diferentes momentos durante el proceso de calentamiento.

Hemos estudiado la evolución temporal de la distribución de temperatura en muestras de oro y diamantes calentadas con haces de iones de aluminio cuasimonoenergéticos energéticos. Si bien ha habido estudios previos que sugieren una buena uniformidad de temperatura de muestras de materia densa caliente calentadas, ningún estudio ha examinado la uniformidad de temperatura durante el calentamiento.

Hemos calculado las temperaturas esperadas de las muestras calentadas utilizando las tablas EOS de SESAME y los datos de potencia de frenado de SRIM en diferentes momentos. De acuerdo con los resultados de nuestra simulación, la distribución de temperatura dentro de la muestra de densidad sólida calentada es muy uniforme al principio, pero se vuelve menos uniforme (7-11 % de falta de uniformidad) durante el proceso de calentamiento para las muestras de oro y diamante. Posteriormente, la uniformidad de temperatura mejora gradualmente y se logra una buena uniformidad de temperatura (2-5% de no uniformidad) hacia el final del proceso de calentamiento. Este estudio muestra por primera vez la evolución de la distribución de temperatura esperada dentro de muestras cálidas y densas de oro y diamantes durante el proceso de calentamiento.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por NRF-2018R1C1B6001580 y por el Instituto de Ciencias Básicas bajo IBS-R012-D1.

Departamento de Física y Ciencias de Fotones, GIST, Gwangju, 61005, Corea del Sur

C. Song, S. Lee y W. Bang

Centro de Ciencias Láser Relativistas, Instituto de Ciencias Básicas, Gwangju, 61005, Corea del Sur

C. Song, S. Lee y W. Bang

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CS y SL realizaron simulaciones de Monte Carlo y analizaron los datos. WB y CS escribieron el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a W. Bang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Song, C., Lee, S. & Bang, W. Evolución de la temperatura del oro denso y el diamante calentado por iones de aluminio energéticos impulsados por láser. Informe científico 12, 15173 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18758-9

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Recibido: 31 mayo 2022

Aceptado: 18 de agosto de 2022

Publicado: 07 septiembre 2022

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

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Física Aplicada B (2023)

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