High Energy Density Physics ( HED Physics ) är en gren av fysiken i skärningspunkten mellan kondenserad materiens fysik och plasmafysik , som studerar system med hög energitäthet . Hög förstås vanligtvis som en densitet som överstiger energitätheten i väteatomen , lika med 10 11 J /m³, vilket motsvarar tryck i storleksordningen 1 Mbar (10 11 Pa ) [1] .
Ämnet för studier av högenergidensitetsfysik är ett ämne där energitätheten överstiger 10 5 J / cm³, eller med andra ord, dess inre tryck är högre än 1 Mbar (10 11 Pa ). Vid sådana tryck upplever vilket ämne som helst betydande kompression, och dess beståndsdelar protoner och elektroner upphör att vara bundna av intraatomiska krafter och bildar en supertät plasma . Höga tryck kan också uppnås genom att värma ett ämne till höga temperaturer . Till exempel når luft , som vid rumstemperatur och atmosfärstryck har en densitet på cirka 10 −3 g/cm³, ett tryck på 1 Mbar vid en temperatur av cirka 10 8 K eller 10 keV . Under dessa förhållanden joniseras luften och bildar också ett plasma. Ett ämne med hög energitäthet liknar ett plasma och ett kondenserat tillstånd genom att kollektiva effekter spelar en betydande roll för dess egenskaper, men samtidigt, jämfört med traditionell plasma, är partiklarna i detta fall mer korrelerade, och jämfört med till ett vanligt kondenserat tillstånd spelar mer jonisering och Coulomb-interaktion [2] .
Utseendet på de första verken inom högenergidensitetsfysik på 1930-talet är förknippat med utvecklingen av acceleratorer , vilket gjorde det möjligt att fokusera strålar av energiska partiklar i en liten volym. Utvecklingen av kärnvapen på 1940-talet gjorde det också möjligt att få fram materia med hög energitäthet, men i en form som inte lämpade sig för systematisk vetenskaplig forskning. På 1950-talet utvecklades Z-pinch- systemet , designat för att komprimera het plasma för att uppnå de villkor som krävs för att initiera en kontrollerad termonukleär reaktion . Och i slutet av 1950-1960-talet dök laserteknologier upp och bemästrades snabbt, vilket gjorde det möjligt att erhålla höga intensiteter av optisk strålning under experimentella förhållanden . Samtidigt uppstod idén om att använda laserstrålning med superhög effekt för tröghet termonukleär fusion . Dessa utvecklingar fungerade som förutsättningar för uppkomsten av en ny sektion i fysik som handlar om studier av materiens egenskaper i ett tillstånd med hög energitäthet.
På 1970-talet ökade lasrar gradvis sin kraft, men tillät fortfarande inte systematisk forskning. En revolution inom experimentell laserteknik inträffade på 1980-talet. Vid den tiden behärskades synkroniseringstekniker för flera lasrar, vilket gjorde det möjligt att använda lasrar i ett skott både för att initiera vissa processer och för att analysera dem. Samtidigt dök det upp tekniska möjligheter för att registrera händelser av ultrakort—subnanosekund—varaktighet. Detta öppnade möjligheter för en detaljerad studie av processerna i tätt material som bildas under interaktionen mellan laserstrålning och mål.
I mitten av 1980-talet gjordes en annan viktig uppfinning: Chirped Pulse Amplification (CPA) teknologi, som gjorde det möjligt att dramatiskt öka strålningens kraft och intensitet . I synnerhet uppnåddes en strålningsintensitet på mer än 10 18 W/cm², vid vilken energin för elektronsvängningar i vågfältet jämförs med deras viloenergi , det vill säga relativistiska effekter börjar spela en betydande roll .
På 1990-talet utvecklades Z-pinch-tekniken, det så kallade snabba Z-pinch-schemat utvecklades, vilket gjorde det möjligt att avsevärt minska effekten av hydrodynamiska instabiliteter , vilket inte tillät materialet att komprimeras tillräckligt.
Samtidigt fortsatte utvecklingen av acceleratorteknologier. Till exempel gjorde SLAC- acceleratorn det möjligt att erhålla 10 10 elektroner accelererade till en energi av 50 GeV , medan elektronpulsens varaktighet endast var 5 ps och fokuseringspunktens diameter var 3 μm . En sådan stråle representerar i sig ett medium med hög energitäthet, men den kan också användas för att bestråla andra ämnen.
Ett ämne i ett tillstånd med hög energitäthet i naturen kan förekomma i olika situationer. Samtidigt, trots en viss allmänning av de frågor som övervägs, har varje forskningsområde sina egna detaljer. Historiskt sett uppstod problemet med kontrollerad termonukleär fusion först , och i synnerhet problemet med tröghetsfusion , i vars lösning det är nödvändigt att studera materia i ett supertätt tillstånd. En annan riktning, som dök upp lite senare, var experimentell astrofysik , inom ramen för vilken processer som förekommer i astrofysiska objekt, såsom stjärnor , modelleras under terrestra förhållanden . Separat finns det problem med interaktion av superkraftig laserstrålning med materia som inte är inriktade på att erhålla en termonukleär reaktion, i synnerhet inkluderar sådana problem laseracceleration av elektroner och joner , generering av röntgenstrålar och erhållande av attosekundpulser.