Учёным удалось запечатлеть в высоком разрешении, как ударные волны проходят сквозь микроскопическую струю воды. И это не просто красивая съёмка: эксперимент открыл скрытый механизм, который может устранить один из главных инженерных барьеров на пути к управляемому термоядерному синтезу.
Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли применили метод революционной «мультимессенджерной» визуализации, позволивший следить за сжатием материи с невероятной дискретностью, буквально по пикосекундам.
Полученные кадры дают совершенно новый взгляд на микрофизику инерциального термоядерного синтеза (ИТС) — того самого процесса, с помощью которого физики пытаются зажечь маленькое Солнце в лабораторных условиях.
Читайте: Больше не предел – Китайский токамак EAST преодолел ограничение плотности плазмы
Открытие «мультимессенджерного» метода
Самое интересное скрывалось там, куда раньше не удавалось заглянуть.
Благодаря возможности наблюдать за процессом сразу с двух ракурсов, команда обнаружила деталь, которую обычные рентгеновские снимки упускали: тончайшую, почти призрачную оболочку из водяного пара вокруг мишени.
Неожиданно выяснилось, что этот пар играет роль своеобразного амортизатора, заставляя ударную волну сжимать воду идеально симметрично.
Для физиков это стало находкой. Дело в том, что «равномерное сжатие» — это своего рода «Святой Грааль» термоядерной энергетики. Даже крошечная нестабильность способна погасить реакцию, не дав плазме разгореться и выдать энергию.
«Наши данные помогут проверить точность компьютерных моделей, на которых строится весь ИТС», — поясняет Хай-Эн Цай, научный сотрудник отдела ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) Берклиевской лаборатории.
«Мы видели взаимодействие кадр за кадром с шагом в одну триллионную секунды и микрометровой точностью. Для инерциального синтеза это беспрецедентный уровень детализации».
Сочетание двух типов излучения
Чтобы поймать в объектив столь стремительные события, команде исследователей пришлось превратить Центр лазерных ускорителей (BELLA) в высокотехнологичную студию.
Исследователи объединили два вида импульсов: сверхбыстрые рентгеновские лучи «рисовали» плотность и структуру ударной волны, а пучки высокоэнергетических электронов в реальном времени показывали, как меняются электрические и магнитные поля.
«Мы хотели на практике доказать, что рентген от сверхмощных лазеров обладает уникальными свойствами. Это позволяет снимать настоящее кино об экстремально быстром движении плазмы», — рассказывает Алек Томас, профессор Мичиганского университета.
По мнению авторов работы, дальнейший прогресс в лазерном синтезе невозможен без точной диагностики. Нужно понимать, как живёт горячая плазма, и уметь отлавливать те самые моменты нестабильности, которые мешают запуску реакции.
Совместив полученные изображения, учёные создали покадровую визуализацию динамики, которая оставалась невидимой для стандартных датчиков.
Струя воды вместо мишени
Инженеры пошли на хитрость, использовав в качестве мишени не твёрдый объект, а непрерывный поток воды толщиной с человеческий волос.
Классические твёрдые капсулы разлетаются в пыль после первого же выстрела, и их приходится менять вручную, а водяная струя восстанавливается сама собой за доли секунды.
Такое решение позволило лазеру «стрелять» с частотой раз в секунду, что кардинально ускорило сбор статистики.
Любопытно, что за этой лёгкостью стоят месяцы напряжённой инженерной работы: заставить воду течь в вакууме и не замерзать было той ещё задачей, но возможность высокочастотного мониторинга того стоила.
Конечно, вода здесь выступает лишь удобным аналогом, но физика процесса напрямую применима к реальным топливным капсулам.
Учёные рассчитывают, что со временем технологии лазерно-плазменных ускорителей (LPA) станут компактнее, и подобные диагностические инструменты можно будет встраивать в сердце гигантских термоядерных реакторов будущего.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU