科學(xué)家捕捉到世界最強大激光器蒸發(fā)水滴瞬間畫(huà)面

　　科學(xué)家們近日在微觀(guān)尺度下，拍下了世界上最強大的X射線(xiàn)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(lái)拍下蒸發(fā)過(guò)程的頻閃照片，而液體蒸發(fā)正是自然界中速度最快的現象之一。

　　研究人員設計了一系列實(shí)驗，希望能更好地利用這些X射線(xiàn)激光器，同時(shí)對激光蒸發(fā)液體的過(guò)程獲得更深入的了解。

　　這些測驗在斯坦福大學(xué)的SLAC國家加速器實(shí)驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)中進(jìn)行，使用了該實(shí)驗室的直線(xiàn)性連續加速器光源(Linac Coherent Light Source，簡(jiǎn)稱(chēng)LCLS)，這是世界上最強大的X射線(xiàn)激光器。

　　“如果我們能弄清液體的爆裂過(guò)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(shuō)道，“它還能幫助我們找到一些用X射線(xiàn)引發(fā)液體爆裂來(lái)觸發(fā)樣品的變化過(guò)程的新方法，并對處于極端環(huán)境下的物質(zhì)進(jìn)行研究。這些實(shí)驗將幫助我們更好地理解X射線(xiàn)及其它應用領(lǐng)域存在的各種現象。”

　　圖為X射線(xiàn)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(xiàn)性連續加速器光源設備中，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(mǎn)功率狀態(tài)下，超亮的X射線(xiàn)能在瞬息之間將樣品打得灰飛煙滅。還好在大多數情況下，研究人員可以趕在樣品被損壞前得到自己需要的數據。

　　而此次最新研究成功地在微觀(guān)尺度下展現了整個(gè)爆裂過(guò)程，從而讓科學(xué)家更好地理解這一過(guò)程會(huì )對X射線(xiàn)激光實(shí)驗產(chǎn)生怎樣的影響。

　　斯坦和他的團隊對將液體注入X射線(xiàn)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X射線(xiàn)脈沖擊中液體時(shí)，研究團隊就會(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。他們共拍攝了幾百張這樣的頻閃照片，然后將它們組合成一段視頻。

　　“多虧了為此次研究專(zhuān)門(mén)設計的成像系統，我們第一次成功地記錄下了這一過(guò)程。”該論文的共同作者塞巴斯蒂安-布特(Sébastien Boutet)說(shuō)道，“我們利用一臺超快激光器來(lái)照亮液體的爆炸瞬間，就像探照燈一樣，然后用一臺適合在真空環(huán)境下工作的高分辨率顯微鏡來(lái)制作圖片。

　　這段視頻記錄了X射線(xiàn)脈沖使液滴破裂的全過(guò)程。在被X射線(xiàn)脈沖擊中后，液滴會(huì )變成一團更加細碎的顆粒和蒸汽，然后向附近的其它液滴擴散，使它們也破碎開(kāi)來(lái)。這些受損的液滴接著(zhù)會(huì )向距離最近的液滴移動(dòng)，然后和它們融合在一起。圖片中央垂直的白線(xiàn)便是X射線(xiàn)經(jīng)過(guò)的路徑。

　　而在連續注入液體時(shí)，視頻顯示，X射線(xiàn)脈沖先是在水流上打出一個(gè)洞，然后這個(gè)洞不斷擴大，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(xiàn)脈沖使液滴破裂的情景。在被X射線(xiàn)脈沖擊中后，液滴會(huì )變成一團更加細碎的顆粒和蒸汽，然后向附近的其它液滴擴散，使它們也破碎開(kāi)來(lái)。

　　在實(shí)驗所得數據的基礎上，研究人員建立了一個(gè)數學(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，如脈沖強度、液滴大小和水流直徑等。

　　他們還預言，由于脈沖會(huì )在水流中形成空腔，這會(huì )對歐洲的X射線(xiàn)自由電子激光(X-ray Free Electron Laser，XFEL)和SLAC實(shí)驗室正在建設的LCLS-II激光器造成一定的挑戰。兩者都是先進(jìn)的下一代X射線(xiàn)激光器，發(fā)射的激光速度可以達到現有設備的幾千倍。

　　“這些水流在發(fā)生爆炸之后，需要幾萬(wàn)分之一秒才能恢復如初。因此，如果下一次X射線(xiàn)脈沖趕在水流恢復之前發(fā)射的話(huà)，我們就無(wú)法讓每一道脈沖都派上用場(chǎng)了。幸運的是，我們的數據顯示，我們已經(jīng)將水流調節到了一個(gè)比較合理的形式，可以很快便恢復成原來(lái)的樣子。還有一些方法，甚至能讓水流恢復的速度再快一點(diǎn)。這讓我們能夠將LCLS-II激光器的威力發(fā)揮到最大。”

　　視頻還顯示了X射線(xiàn)引發(fā)的爆炸產(chǎn)生的沖擊波，沿著(zhù)水流迅速向兩端傳播。

　　該研究團隊相信，他們的研究數據可以被用在接下來(lái)的新實(shí)驗之中，幫助科學(xué)家更好地研究那些速度極快的自然現象。