科學(xué)家們近日在微觀尺度下，拍下了世界上最強(qiáng)大的X射線激光器將液體瞬間蒸發(fā)的情景。
這些激光器利用極為明亮、速度極快的光束來拍下蒸發(fā)過程的頻閃照片，而液體蒸發(fā)正是自然界中速度最快的現(xiàn)象之一。
研究人員設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，希望能更好地利用這些X射線激光器，同時(shí)對(duì)激光蒸發(fā)液體的過程獲得更深入的了解。
這些測(cè)驗(yàn)在斯坦福大學(xué)的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC National Accelerator Laboratory)中進(jìn)行，使用了該實(shí)驗(yàn)室的直線性連續(xù)加速器光源(Linac Coherent Light Source，簡(jiǎn)稱LCLS)，這是世界上最強(qiáng)大的X射線激光器。
“如果我們能弄清液體的爆裂過程，就能避免產(chǎn)生一些不必要的效果。”斯坦福脈沖研究所的科羅迪歐-斯坦(Claudiu Stan)說道，“它還能幫助我們找到一些用X射線引發(fā)液體爆裂來觸發(fā)樣品的變化過程的新方法，并對(duì)處于極端環(huán)境下的物質(zhì)進(jìn)行研究。這些實(shí)驗(yàn)將幫助我們更 好地理解X射線及其它應(yīng)用領(lǐng)域存在的各種現(xiàn)象。”
圖為X射線脈沖使部分水流蒸發(fā)的情景，兩段的水流形成了一層薄薄的“水膜”，形狀像兩把雨傘。
在SLAC的直線性連續(xù)加速器光源設(shè)備中，研究人員經(jīng)常利用液體將樣品送到X激光束的發(fā)射路徑上。但在滿功率狀態(tài)下，超亮的X射線能在瞬息之間將樣品打得灰飛煙滅。還好在大多數(shù)情況下，研究人員可以趕在樣品被損壞前得到自己需要的數(shù)據(jù)。
而此次最新研究成功地在微觀尺度下展現(xiàn)了整個(gè)爆裂過程，從而讓科學(xué)家更好地理解這一過程會(huì)對(duì)X射線激光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生怎樣的影響。
斯坦和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)將液體注入X射線激光器軌道的兩種方法分別進(jìn)行了研究，一是將液體一滴一滴地不斷滴入軌道中，另一種則是以水流的形式，將液體源源不斷地注入軌道中。
每當(dāng)X射線脈沖擊中液體時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)就會(huì)拍下一張圖片，距離脈沖發(fā)射的時(shí)間僅隔了50億分之一至1萬(wàn)分之一秒。他們共拍攝了幾百?gòu)堖@樣的頻閃照片，然后將它們組合成一段視頻。
“多虧了為此次研究專門設(shè)計(jì)的成像系統(tǒng)，我們第一次成功地記錄下了這一過程。”該論文的共同作者塞巴斯蒂安-布特(Sébastien Boutet)說道，“我們利用一臺(tái)超快激光器來照亮液體的爆炸瞬間，就像探照燈一樣，然后用一臺(tái)適合在真空環(huán)境下工作的高分辨率顯微鏡來制作圖片。
這段視頻記錄了X射線脈沖使液滴破裂的全過程。在被X射線脈沖擊中后，液滴會(huì)變成一團(tuán)更加細(xì)碎的顆粒和蒸汽，然后向附近的其它液滴擴(kuò)散，使它們也破碎開來。這些受損的液滴接著會(huì)向距離最近的液滴移動(dòng)，然后和它們?nèi)诤显谝黄稹D片中央垂直的白線便是X射線經(jīng)過的路徑。
而在連續(xù)注入液體時(shí)，視頻顯示，X射線脈沖先是在水流上打出一個(gè)洞，然后這個(gè)洞不斷擴(kuò)大，兩段的水流逐漸形成了一層薄薄的“水膜”，形狀像兩把雨傘，并慢慢向后回縮，最終和水流融合在了一起。
圖為X射線脈沖使液滴破裂的情景。在被X射線脈沖擊中后，液滴會(huì)變成一團(tuán)更加細(xì)碎的顆粒和蒸汽，然后向附近的其它液滴擴(kuò)散，使它們也破碎開來。
在實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究人員建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，精確地描述了受到不同變量影響時(shí)的液體爆炸形式，如脈沖強(qiáng)度、液滴大小和水流直徑等。
他們還預(yù)言，由于脈沖會(huì)在水流中形成空腔，這會(huì)對(duì)歐洲的X射線自由電子激光(X-ray Free Electron Laser，XFEL)和SLAC實(shí)驗(yàn)室正在建設(shè)的LCLS-II激光器造成一定的挑戰(zhàn)。兩者都是先進(jìn)的下一代X射線激光器，發(fā)射的激光速度可以達(dá)到現(xiàn)有 設(shè)備的幾千倍。
“這些水流在發(fā)生爆炸之后，需要幾萬(wàn)分之一秒才能恢復(fù)如初。因此，如果下一次X射線脈沖趕在水流恢復(fù)之前發(fā)射的話，我們就無法讓每一道脈沖都派上用場(chǎng)了。幸運(yùn)的是，我們的數(shù)據(jù)顯示，我們已經(jīng)將水流調(diào)節(jié)到了一個(gè)比較合理的形式，可以很快便恢復(fù)成原來的樣子。還有一些方法，甚至能讓水流恢復(fù)的速度再 快一點(diǎn)。這讓我們能夠?qū)CLS-II激光器的威力發(fā)揮到最大。”
視頻還顯示了X射線引發(fā)的爆炸產(chǎn)生的沖擊波，沿著水流迅速向兩端傳播。
該研究團(tuán)隊(duì)相信，他們的研究數(shù)據(jù)可以被用在接下來的新實(shí)驗(yàn)之中，幫助科學(xué)家更好地研究那些速度極快的自然現(xiàn)象。