Emission spectra and the dynamics of high energy density plasmas created by optical and Free Electron Lasers (FELs) depend on the populations of atomic levels. Calculations of plasma emission and ionization may be simplified by assuming Local Thermodynamic Equilibrium (LTE), where populations are given by the Saha-Boltzmann equation. LTE can be achieved at high densities when collisional processes are much more significant than radiative processes, but may not be valid if plasma conditions change rapidly. A collisional-radiative model has been used to calculate the times taken by carbon and iron plasmas to reach LTE at varying densities and heating rates. The effect of different energy deposition methods, as well as Ionization Potential Depression are explored. This work shows regimes in rapidly changing plasmas, such as those created by optical lasers and FELs, where the use of LTE is justified, because timescales for plasma changes are significantly longer than the times needed to achieve an LTE ionization balance.

1.
K.
Nazir
,
S. J.
Rose
,
A.
Djaoui
,
G. J.
Tallents
,
M. G.
Holden
,
P. A.
Norreys
,
P.
Fews
,
J.
Zhang
, and
F.
Failles
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
3686
(
1996
).
2.
D. J.
Hoarty
,
S. F.
James
,
C. R. D.
Brown
,
B. M.
Williams
,
H.-K.
Chung
,
J. W. O.
Harris
,
L.
Upcraft
,
B. J. B.
Crowley
,
C. C.
Smith
, and
R. W.
Lee
,
High Energy Density Phys.
6
,
105
(
2010
).
3.
K.
Eidmann
,
U.
Andiel
,
F.
Pisani
,
P.
Hakel
,
R. C.
Mancini
,
G. C.
Junkel-Vives
,
J.
Abdallah
, and
K.
Witte
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
81
,
133
(
2003
).
4.
T. S.
Perry
,
S. J.
Davidson
,
F. J. D.
Serduke
,
D. R.
Bach
,
C. C.
Smith
,
J. M.
Foster
,
R. J.
Doyas
,
R. A.
Ward
,
C. A.
Iglesias
,
F. J.
Rogers
,
J.
Abdallah
, Jr.
,
R. E.
Stewart
,
J. D.
Kilkenny
, and
R. W.
Lee
,
Phys. Rev. Lett.
67
,
3784
(
1991
).
5.
M. H.
Edwards
,
D.
Whittaker
,
P.
Mistry
,
N.
Booth
,
G. J.
Pert
,
G. J.
Tallents
,
B.
Rus
,
T.
Mocek
,
M.
Koslova
,
C.
McKenna
,
A.
Delserieys
,
C. L. S.
Lewis
,
M.
Notley
, and
D.
Neely
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
035001
(
2006
).
6.
L. A.
Wilson
,
G. J.
Tallents
,
J.
Pasley
,
D. S.
Whittaker
,
S. J.
Rose
,
O.
Guilbaud
,
K.
Cassou
,
S.
Kazamias
,
S.
Daboussi
,
M.
Pittman
,
O.
Delmas
,
J.
Demailly
,
O.
Neveu
, and
D.
Ros
,
Phys. Rev. E
86
,
026406
(
2012
).
7.
A. K.
Rossall
,
L. M. R.
Gartside
,
S.
Chaurasia
,
S.
Tripathi
,
D. S.
Munda
,
N. K.
Gupta
,
L. J.
Dhareshwar
,
J.
Gaffney
,
S. J.
Rose
, and
G. J.
Tallents
,
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.
43
,
155403
(
2010
).
8.
D. J.
Hoarty
,
T.
Guymer
,
S. F.
James
,
E.
Gumbrell
,
C. R. D.
Brown
,
M.
Hill
,
J.
Morton
, and
H.
Doyle
,
High Energy Density Phys.
8
,
50
(
2012
).
9.
D. S.
Whittaker
and
G. J.
Tallents
,
Mon. Not. Astron. Soc.
400
,
1808
(
2009
).
10.
S. V.
Milton
,
E.
Gluskin
,
N. D.
Arnold
,
C.
Benson
,
W.
Berg
,
S. G.
Biedron
,
M.
Borland
,
Y. C.
Chae
,
R. J.
Dejus
,
P. K.
Den Hartog
,
B.
Deriy
,
M.
Erdmann
,
Y. I.
Eidelman
,
M. W.
Hahne
,
Z.
Huang
,
K. J.
Kim
,
J. W.
Lewellen
,
Y.
Li
,
A. H.
Lumpkin
,
O.
Makarov
,
E. R.
Moog
,
A.
Nassiri
,
V.
Sajaev
,
R.
Soliday
,
B. J.
Tieman
,
E. M.
Trakhtenberg
,
G.
Travish
,
I. B.
Vasserman
,
N. A.
Vinokurov
,
X. J.
Wang
,
G.
Wiemerslage
, and
B. X.
Yang
,
Science
292
,
2037
(
2001
).
11.
P.
Emma
,
R.
Akre
,
J.
Arthur
,
R.
Bionta
,
C.
Bostedt
,
J.
Bozek
,
A.
Brachmann
,
P.
Bucksbaum
,
R.
Coffee
,
F. J.
Decker
,
Y.
Ding
,
D.
Dowell
,
S.
Edstrom
,
A.
Fisher
,
J.
Frisch
,
S.
Gilevich
,
J.
Hastings
,
G.
Hays
,
Ph.
Hering
,
Z.
Huang
,
R.
Iverson
,
H.
Loos
,
M.
Messerschmidt
,
A.
Miahnahri
,
S.
Moeller
,
H. D.
Nuhn
,
G.
Pile
,
D.
Ratner
,
J.
Rzepiela
,
D.
Schultz
,
T.
Smith
,
P.
Stefan
,
H.
Tompkins
,
J.
Turner
,
J.
Welch
,
W.
White
,
J.
Wu
,
G.
Yocky
, and
J.
Galayda
,
Nat. Photonics
4
,
641
(
2010
).
12.
S. M.
Vinko
,
O.
Ciricosta
,
B. I.
Cho
,
K.
Engelhorn
,
H.-K.
Chung
,
C. R. D.
Brown
,
T.
Burian
,
J.
Chalupsky
,
R. W.
Falcone
,
C.
Graves
,
V.
Hajkova
,
A.
Higginbotham
,
L.
Juha
,
J.
Krzywinski
,
H. J.
Lee
,
M.
Messerschmidt
,
C. D.
Murphy
,
Y.
Ping
,
A.
Scherz
,
W.
Schlotter
,
S.
Toleikis
,
J. J.
Turner
,
L.
Vysin
,
T.
Wang
,
B.
Wu
,
U.
Zastrau
,
D.
Zhu
,
R. W.
Lee
,
P. A.
Heimann
,
B.
Nagler
, and
J. S.
Wark
,
Nature
482
,
59
(
2012
).
13.
D. S.
Whittaker
,
E.
Wagenaars
, and
G. J.
Tallents
,
Phys. Plasmas
18
,
103116
(
2011
).
14.
G.
Cristoforetti
,
E.
Tognoni
, and
L. A.
Gizzi
,
Spectrochim. Acta, Part B
90
,
1
(
2013
).
15.
M.
Zaghloul
,
M.
Bourham
, and
M.
Doster
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
33
,
977
(
2000
).
16.
H.-K.
Chung
,
M. H.
Chen
,
W. L.
Morgan
,
Y.
Ralchenko
, and
R. W.
Lee
,
High Energy Density Phys.
1
,
3
(
2005
).
18.
R. W. P.
McWhirter
, in
Plasma Diagnostic Techniques
, edited by
R. H.
Huddlestone
and
S. L.
Leonard
(
Academic Press
,
New York
,
1965
).
19.
T.
Fujimoto
and
R. W. P.
McWhirter
,
Phys. Rev. A
42
,
6588
(
1990
).
20.
G.
Cristoforetti
,
A.
De Giacomo
,
M.
Dell'Aglio
,
S.
Legnaioli
,
E.
Tognoni
,
V.
Palleschi
, and
N.
Omenetto
,
Spectrochim, Acta, Part B
65
,
86
(
2010
).
21.
J.
Edwards
and
S.
Rose
,
J. Phys B: At. Mol. Opt. Phys.
26
,
L523
(
1993
).
22.
J. J.
MacFarlane
,
I. E.
Golovkin
,
P. R.
Woodruff
,
D. R.
Welch
,
B. V.
Oliver
,
T. A.
Mehlhorn
, and
R. B.
Campbell
, Inertial Fusion Sci. Appl. 457 (
2003
), see http://www.prism-cs.com/Software/PrismSpect/AlumIonizDynamics.pdf.
23.
O.
Peyrusse
,
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.
33
,
4303
(
2000
).
24.
L.
Spitzer
,
Physics of Fully Ionized Gases
, 2nd ed. (
Interscience
,
New York
,
1962
).
25.
S. A.
Khrapak
,
A. V.
Ivlev
,
G. E.
Morfill
, and
H. M.
Thomas
,
Phys. Rev. E
66
,
046414
(
2002
).
26.
W.
Lotz
,
Z. Phys.
232
,
101
(
1970
).
27.
H.
van Regemorter
,
ApJ
136
,
906
(
1962
).
28.
D.
Salzmann
,
Atomic Physics in Hot Plasmas
(
OUP
,
1997
).
29.
See http://www.nist.gov/pml/data/asd.cfm for NIST atomic spectra database.
30.
V. L.
Jacobs
,
J.
Davis
,
P. C.
Kepple
, and
M.
Blaha
,
ApJ
211
,
605
(
1977
).
31.
I. I.
Sobelman
,
L. A.
Vainshtein
, and
E. A.
Yukov
,
Excitation of Atoms and Broadening of Spectral Lines
, 2nd ed. (
Springer
,
1995
).
32.
D. J.
Hoarty
,
P.
Allan
,
S. F.
James
,
C. R. D.
Brown
,
L. M. R.
Hobbs
,
M. P.
Hill
,
J. W. O.
Harris
,
J.
Morton
,
M. G.
Brookes
,
R.
Shepherd
,
J.
Dunn
,
H.
Chen
,
E.
Von Marley
,
P.
Beiersdorfer
,
H.-K.
Chung
,
R. W.
Lee
,
G.
Brown
, and
J.
Emig
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
265003
(
2013
).
33.
O.
Ciricosta
,
S. M.
Vinko
,
H.-K.
Chung
,
B.-I.
Cho
,
C. R. D.
Brown
,
T.
Burian
,
J.
Chalupsky
,
K.
Engelhorn
,
R. W.
Falcone
,
C.
Graves
,
V.
Hajkova
,
A.
Higginbotham
,
L.
Juha
,
J.
Krzywinski
,
H. J.
Lee
,
M.
Messerschmidt
,
C. D.
Murphy
,
Y.
Ping
,
D. S.
Rackstraw
,
A.
Scherz
,
W.
Schlotter
,
S.
Toleikis
,
J. J.
Turner
,
L.
Vysin
,
T.
Wang
,
B.
Wu
,
U.
Zastrau
,
D.
Zhu
,
R. W.
Lee
,
P.
Heimann
,
B.
Nagler
, and
J. S.
Wark
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
065002
(
2012
).
34.
J.
Stewart
and
K.
Pyatt
,
ApJ
144
,
1203
(
1966
).
35.
M.
Poirier
and
F.
de Gaufridy de Dortan
,
J. App. Phys.
101
,
063308
(
2007
).
36.
R. W. P.
McWhirter
and
A. G.
Hearn
,
Proc. Phys. Soc.
82
,
641
(
1963
).
37.
J. D.
Lambert
,
Numerical Methods for Ordinary Differential Systems: The Initial Value Problem
(
Wiley
,
1991
).
38.
K. F.
Riley
,
M. P.
Hobson
, and
S. J.
Bence
,
Mathematical Methods for Physics and Engineering
(
CUP
,
1998
).
39.
B. F.
Rozsnyai
and
V. L.
Jacobs
,
ApJ
327
,
485
(
1988
).
40.
A. K.
Rossall
,
V.
Aslanyan
, and
G. J.
Tallents
,
Proc. SPIE
8849
,
884912
(
2013
).
You do not currently have access to this content.