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科学家捕捉到世界最强大激光器蒸发水滴瞬间画面

科学家们近日在微观尺度下,拍下了世界上最强大的X射线激光器将液体瞬间蒸发的情景。

这些激光器利用极为明亮、速度极快的光束来拍下蒸发过程的频闪照片,而液体蒸发正是自然界中速度最快的现象之一。

研究人员设计了一系列实验,希望能更好地利用这些X射线激光器,同时对激光蒸发液体的过程获得更深入的了解。

这些测验在斯坦福大学的SLAC国家加速器实验室(SLACNational Accelerator Laboratory)中进行,使用了该实验室的直线性连续加速器光源(LinacCoherent Light Source,简称LCLS),这是世界上最强大的X射线激光器。

“如果我们能弄清液体的爆裂过程,就能避免产生一些不必要的效果。”斯坦福脉冲研究所的科罗迪欧-斯坦(Claudiu Stan)说道,“它还能帮助我们找到一些用X射线引发液体爆裂来触发样品的变化过程的新方法,并对处于极端环境下的物质进行研究。这些实验将帮助我们更好地理解X射线及其它应用领域存在的各种现象。”

液体蒸发

X射线脉冲使部分水流蒸发的情景,两段的水流形成了一层薄薄的“水膜”,形状像两把雨伞。

在SLAC的直线性连续加速器光源设备中,研究人员经常利用液体将样品送到X激光束的发射路径上。但在满功率状态下,超亮的X射线能在瞬息之间将样品打得灰飞烟灭。还好在大多数情况下,研究人员可以赶在样品被损坏前得到自己需要的数据。

而此次最新研究成功地在微观尺度下展现了整个爆裂过程,从而让科学家更好地理解这一过程会对X射线激光实验产生怎样的影响。

斯坦和他的团队对将液体注入X射线激光器轨道的两种方法分别进行了研究,一是将液体一滴一滴地不断滴入轨道中,另一种则是以水流的形式,将液体源源不断地注入轨道中。

每当X射线脉冲击中液体时,研究团队就会拍下一张图片,距离脉冲发射的时间仅隔了50亿分之一至1万分之一秒。他们共拍摄了几百张这样的频闪照片,然后将它们组合成一段视频。

“多亏了为此次研究专门设计的成像系统,我们第一次成功地记录下了这一过程。”该论文的共同作者塞巴斯蒂安-布特(SébastienBoutet)说道,“我们利用一台超快激光器来照亮液体的爆炸瞬间,就像探照灯一样,然后用一台适合在真空环境下工作的高分辨率显微镜来制作图片。

这段视频记录了X射线脉冲使液滴破裂的全过程。在被X射线脉冲击中后,液滴会变成一团更加细碎的颗粒和蒸汽,然后向附近的其它液滴扩散,使它们也破碎开来。这些受损的液滴接着会向距离最近的液滴移动,然后和它们融合在一起。图片中央垂直的白线便是X射线经过的路径。

而在连续注入液体时,视频显示,X射线脉冲先是在水流上打出一个洞,然后这个洞不断扩大,两段的水流逐渐形成了一层薄薄的“水膜”,形状像两把雨伞,并慢慢向后回缩,最终和水流融合在了一起。

液体破裂

X射线脉冲使液滴破裂的情景

在被X射线脉冲击中后,液滴会变成一团更加细碎的颗粒和蒸汽,然后向附近的其它液滴扩散,使它们也破碎开来。 

在实验所得数据的基础上,研究人员建立了一个数学模型,精确地描述了受到不同变量影响时的液体爆炸形式,如脉冲强度、液滴大小和水流直径等。

液体爆炸

他们还预言,由于脉冲会在水流中形成空腔,这会对欧洲的X射线自由电子激光(X-ray Free Electron Laser,XFEL)和SLAC实验室正在建设的LCLS-II激光器造成一定的挑战。两者都是先进的下一代X射线激光器,发射的激光速度可以达到现有设备的几千倍。

水流恢复

“这些水流在发生爆炸之后,需要几万分之一秒才能恢复如初。因此,如果下一次X射线脉冲赶在水流恢复之前发射的话,我们就无法让每一道脉冲都派上用场了。幸运的是,我们的数据显示,我们已经将水流调节到了一个比较合理的形式,可以很快便恢复成原来的样子。还有一些方法,甚至能让水流恢复的速度再快一点。这让我们能够将LCLS-II激光器的威力发挥到最大。”


来源: 新浪科技