科學(xué)家們近日在微觀尺度下，拍下了世界上最強大的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)計了一系列實驗，希望能更好地利用這些X射線激光器，同時對激光蒸發(fā)液體的過程獲得更深入的了解。
這些測驗在斯坦福大學(xué)的SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)中進行，使用了該實驗室的直線性連續(xù)加速器光源(Linac Coherent Light Source，簡稱LCLS)，這是世界上最強大的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?！彼固垢Ｃ}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，并對處于極端環(huán)境下的物質(zhì)進行研究。這些實驗將幫助我們更 好地理解X射線及其它應(yīng)用領(lǐng)域存在的各種現(xiàn)象?！?/p>
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)了整個爆裂過程，從而讓科學(xué)家更好地理解這一過程會對X射線激光實驗產(chǎn)生怎樣的影響。
斯坦和他的團隊對將液體注入X射線激光器軌道的兩種方法分別進行了研究，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，研究團隊就會拍下一張圖片，距離脈沖發(fā)射的時間僅隔了50億分之一至1萬分之一秒。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門設(shè)計的成像系統(tǒng)，我們第一次成功地記錄下了這一過程?！痹撜撐牡墓餐髡呷退沟侔?布特(Sébastien Boutet)說道，“我們利用一臺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，使它們也破碎開來。這些受損的液滴接著會向距離最近的液滴移動，然后和它們?nèi)诤显谝黄?。圖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，視頻顯示，X射線脈沖先是在水流上打出一個洞，然后這個洞不斷擴大，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射線脈沖使液滴破裂的情景。在被X射線脈沖擊中后，液滴會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，使它們也破碎開來。
在實驗所得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究人員建立了一個數(shù)學(xué)模型，精確地描述了受到不同變量影響時的液體爆炸形式，如脈沖強度、液滴大小和水流直徑等。
他們還預(yù)言，由于脈沖會在水流中形成空腔，這會對歐洲的X射線自由電子激光(X-ray Free Electron Laser，XFEL)和SLAC實驗室正在建設(shè)的LCLS-II激光器造成一定的挑戰(zhàn)。兩者都是先進的下一代X射線激光器，發(fā)射的激光速度可以達到現(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了。幸運的是，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。這讓我們能夠?qū)CLS-II激光器的威力發(fā)揮到最大?！?/p>
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。
該研究團隊相信，他們的研究數(shù)據(jù)可以被用在接下來的新實驗之中，幫助科學(xué)家更好地研究那些速度極快的自然現(xiàn)象。