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激光——探寻核聚变的新工具

导读: 温稠密物质是在宇宙星体、地幔内部、实验室核聚变内爆过程中广泛存在的一类物质。

  温稠密物质是在宇宙星体、地幔内部、实验室核聚变内爆过程中广泛存在的一类物质。因此,在实验室生成温稠密物质,研究它们的特性对模拟惯性约束核聚变、超新星爆炸和某些行星内部结构、地幔的物质演化和成矿机理等具有重要指导意义。

  温稠密物质范围很宽,可以定义为热能小于或稍超过费米能状态的物质,是通常凝聚态物质和高温完全电离等离子体之间的一类物质,其电子处于部分电离、部分束缚的状态,成分包括自由和束缚电子、离子、原子、分子以及它们组成的束团,一般处于高压状态。通常这类物质具有高的能量密度特征。

  极端X射线探测极端物质

  内布拉斯加-林肯大学物理与天文学教授唐纳德·乌姆斯塔德说,要在实验室造出稠密等离子体,一般方法是迅速加热一个固体密度物质,如一薄层金属箔。如果加热速度足够快,就能达到使密度保持相对恒定,接近于通常固体密度值。超短脉冲激光是能将固体快速加热到稠密等离子体的首选。

核聚变

核聚变

  最近,一个由牛津大学奥兰多·希瑞克斯塔和英、美、德、澳等国科学家组成的国际研究小组利用目前世界最强的X射线激光源——斯坦福大学的直线加速相干光源(LCLS)将铝箔在约80飞秒(1飞秒=10-15秒)内加热到70到180eV(约80到200万开氏度)。由于这么短时间内加热,压力达到几千万大气压,铝箔来不及膨胀,还几乎保持着原来固体密度,生成了温稠密等离子体,研究小组对其内部的电离情况进行了直接检测,并将相关结果以论文形式发表在《物理评论快报》上。

  在以往实验中,所用激光只有近红外到紫外波长的激光,新实验用了完全不同的激光:X射线自由电子激光(XFEL)。相干X射线能量很高,达到千电子伏特以上,能将铝核K壳层电子直接击出原子,而红外光基本上只能激发外壳层电子。X射线还能更深地穿透材料,均匀照射整个目标,将其加热到100eV(百万开氏度以上),生成固体密度等离子体。

  正如研究小组领导、牛津大学的贾斯廷·瓦克所说:“X射线激光非常关键,我们无法在别的地方进行这种实验。”LCLS为实验提供了特需条件:用于检测极端现象的严格受控的环境,相干X射线能量极高而且能精确调整,精确检测特殊固体密度等离子体属性的方法。

  希瑞克斯塔等人检测了铝箔系统内高电荷离子的K壳层电离电子的荧光,反推内部压力电离下有效电离势连续降低的变化,发现实验结果和广泛使用的Stewart-Pyatt模型(1965年提出,简称SP模型)所预测的结果不符,却和更早的Ecker-Krll模型(1963年提出,简称EK模型)吻合的较好。研究人员指出,从研究核聚变能源到理解恒星内部的运行机制,这一结果将对许多领域产生重要影响。

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