High Energy Density Physics ( HED Physics ) on kondensoituneen aineen fysiikan ja plasmafysiikan leikkauspisteessä oleva fysiikan haara , joka tutkii korkean energiatiheyden omaavia järjestelmiä . Korkealla tarkoitetaan yleensä tiheyttä, joka ylittää vetyatomin energiatiheyden , joka on 10 11 J /m³, mikä vastaa luokkaa 1 Mbar (10 11 Pa ) [1] .
Korkean energiatiheyden fysiikan tutkimuskohteena on aine, jonka energiatiheys ylittää 10 5 J / cm³ eli toisin sanoen sen sisäinen paine on suurempi kuin 1 Mbar (10 11 Pa ). Tällaisissa paineissa mikä tahansa aine kokee merkittävän puristuksen, ja sen muodostavat protonit ja elektronit lakkaavat olemasta atominsisäisten voimien sitomia , jolloin muodostuu supertiheä plasma . Korkeat paineet voidaan saavuttaa myös kuumentamalla ainetta korkeisiin lämpötiloihin . Esimerkiksi ilma , jonka tiheys huoneenlämmössä ja ilmanpaineessa on noin 10 −3 g/cm³, saavuttaa 1 Mbarin paineen noin 10 8 K tai 10 keV lämpötilassa . Näissä olosuhteissa ilma ionisoituu ja muodostaa myös plasman. Aine, jolla on suuri energiatiheys, muistuttaa plasmaa ja kondensoitunutta tilaa siinä mielessä, että kollektiivisilla vaikutuksilla on merkittävä rooli sen ominaisuuksissa, mutta samaan aikaan verrattuna perinteiseen plasmaan hiukkaset ovat tässä tapauksessa enemmän korreloivia ja verrattavissa. tavalliseen kondensoituneeseen tilaan, enemmän ionisaatiota ja Coulombin vuorovaikutusta [2] .
Ensimmäisten teosten ilmestyminen korkean energiatiheyden fysiikan alalla 1930-luvulla liittyy kiihdyttimien kehittämiseen , mikä mahdollisti energeettisten hiukkasten säteiden fokusoinnin pienessä tilavuudessa. Ydinaseiden kehitys 1940-luvulla mahdollisti myös korkean energiatiheyden omaavan aineen saamisen, mutta järjestelmälliseen tieteelliseen tutkimukseen sopimattomassa muodossa. 1950-luvulla kehitettiin Z-pinch- järjestelmä , joka oli suunniteltu puristamaan kuumaa plasmaa olosuhteiden saavuttamiseksi, jotka ovat tarpeen hallitun lämpöydinreaktion käynnistämiseksi . Ja 1950-luvun lopulla - 1960-luvulla laserteknologiat ilmestyivät ja hallittiin nopeasti, mikä mahdollisti korkean optisen säteilyn intensiteetin kokeellisissa olosuhteissa . Samaan aikaan syntyi ajatus käyttää supersuuritehoista lasersäteilyä inertiaaliseen lämpöydinfuusion tarkoituksiin . Nämä kehityssuunnat olivat edellytyksiä uuden fysiikan osan syntymiselle, joka tutkii aineen ominaisuuksia korkean energiatiheyden tilassa.
1970-luvulla laserit lisäsivät vähitellen tehoaan, mutta eivät silti mahdollistaneet systemaattista tutkimusta. Kokeellisessa lasertekniikassa tapahtui vallankumous 1980-luvulla. Tuolloin hallittiin useiden lasereiden synkronointiteknologiat, jotka mahdollistivat lasereiden käytön yhdellä laukauksella sekä tiettyjen prosessien käynnistämiseen että niiden analysointiin. Samalla ilmaantui teknisiä mahdollisuuksia ultralyhyiden – subnanosekuntien – tapahtumien rekisteröintiin. Tämä avasi mahdollisuudet lasersäteilyn vuorovaikutuksessa kohteiden kanssa muodostuneen tiheän aineen prosessien yksityiskohtaiselle tutkimukselle.
1980-luvun puolivälissä tehtiin toinen tärkeä keksintö: Chirped Pulse Amplification (CPA) -tekniikka, joka mahdollisti dramaattisen säteilyn tehon ja intensiteetin lisäämisen . Erityisesti saavutettiin yli 10 18 W/cm² säteilyintensiteetti, jolla aaltokentän elektronien värähtelyjen energiaa verrataan niiden lepoenergiaan , eli relativistiset vaikutukset alkavat olla merkittävässä roolissa .
1990-luvulla kehitettiin Z-pinch-tekniikkaa, kehitettiin niin sanottu nopea Z-pinch-järjestelmä, joka mahdollisti merkittävästi vähentämään hydrodynaamisten epävakauksien vaikutusta , mikä ei mahdollistanut materiaalin riittävää puristamista.
Samaan aikaan kiihdytinteknologioiden kehittäminen jatkui. Esimerkiksi SLAC -kiihdyttimellä saatiin 10 10 elektronia kiihdytettynä 50 GeV energiaan , kun elektronipulssin kesto oli vain 5 ps ja tarkennuspisteen halkaisija oli 3 μm . Tällainen säde itsessään edustaa korkean energiatiheyden omaavaa väliainetta, mutta sitä voidaan käyttää myös muiden aineiden säteilyttämiseen.
Luonnossa korkean energiatiheyden tilassa olevaa ainetta voi esiintyä eri tilanteissa. Samaan aikaan, huolimatta tarkasteltavien asioiden yleisyydestä, jokaisella tutkimusalueella on omat erityispiirteensä. Historiallisesti ensin nousi esiin hallitun lämpöydinfuusion ongelma ja erityisesti inertiafuusion ongelma , jonka ratkaisussa on tarpeen tutkia ainetta supertiheässä tilassa. Toinen suunta, joka ilmestyi hieman myöhemmin, oli kokeellinen astrofysiikka , jonka puitteissa astrofysikaalisissa kohteissa, kuten tähdissä , tapahtuvia prosesseja mallinnetaan maanpäällisissä olosuhteissa . Erikseen on ongelmia supervoimakkaan lasersäteilyn vuorovaikutuksessa aineen kanssa, joiden tarkoituksena ei ole saada aikaan lämpöydinreaktiota, erityisesti tällaisia ongelmia ovat elektronien ja ionien laserkiihdytys, röntgensäteiden synnyttäminen ja attosekunnin pulssien saaminen.