Физики сняли «фильм» в HD-качестве о том, как лазер сжимает воду со скоростью пикосекунд

Команда учёных впервые сняла «фильм» высокой чёткости, показывающий движение ударных волн через микроскопическую струю воды. Это открытие выявило скрытый механизм, который может решить одну из главных инженерных проблем термоядерного синтеза.

Исследователи использовали революционную технику «мультимессенджерной» визуализации, чтобы наблюдать сжатие материала с пикосекундным разрешением. Результаты дают беспрецедентный взгляд на микрофизику инерциального термоядерного синтеза (ICF) — процесса воссоздания энергии Солнца на Земле.

«Это был сложный эксперимент, но с очень плодотворными результатами», — отметил Хай-Эн Цай, научный сотрудник отдела ускорительных технологий и прикладной физики Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

Самое важное открытие стало возможным благодаря двойной перспективе наблюдения, которая выявила то, что упускали предыдущие эксперименты с использованием только рентгеновских лучей: тонкий слой водяного пара, окружающий мишень. Этот слой неожиданно действует как подушка, обеспечивая симметричное сжатие воды ударной волной. Открытие критически важно, поскольку «равномерное сжатие» — это «святой Грааль» термоядерного синтеза: даже незначительные нестабильности могут помешать плазме правильно «гореть» и вырабатывать энергию.

«Эти результаты действительно могут помочь проверить модели симуляций, используемые для ICF», — добавил Цай. «Мы наблюдали взаимодействие пикосекунда за пикосекундой, кадр за кадром, с микрометровой точностью визуализации. Это беспрецедентный уровень точности в инерциальной термоядерной энергетике».

Для захвата этих сверхбыстрых событий команда под руководством Мичиганского университета объединила два типа излучения в Центре лазерных ускорителей BELLA Беркли. Использовались сверхбыстрые рентгеновские лучи для фиксации физической плотности и структуры ударной волны, а также высокоэнергетические электронные пучки для отслеживания эволюции электрических и магнитных полей в реальном времени.

«Мы хотели продемонстрировать, что рентгеновское излучение, производимое чрезвычайно мощными лазерами, обладает уникальными свойствами, позволяющими снять «фильм» о чрезвычайно быстром движении плазмы», — пояснил Алек Томас, профессор Мичиганского университета. «Вокруг недавних прорывов в лазерном термоядерном синтезе много волнения. Дальнейший прогресс требует точной диагностики для захвата динамики горячей плазмы, особенно нестабильного поведения, которое может помешать термоядерной плазме правильно гореть».

Сшивая эти изображения вместе, исследователи создали покадровую визуализацию динамики плазмы, ранее невидимой для стандартных датчиков или симуляций.

В эксперименте использовалась уникальная мишень: текущая струя воды толщиной примерно с человеческий волос. В отличие от традиционных твёрдых мишеней, которые разрушаются после одного лазерного импульса и требуют ручной замены, водяная струя восстанавливается автоматически. Это позволило команде стрелять лазером раз в секунду, значительно ускорив сбор данных. Месяцы инженерной работы, потраченные на предотвращение замерзания воды в вакууме эксперимента, окупились, обеспечив высокочастотное отслеживание взаимодействия.

Хотя в эксперименте вода использовалась как аналог, наблюдаемая физика напрямую применима к реальным топливным капсулам термоядерного синтеза. Учёные полагают, что миниатюризация этой технологии лазерно-плазменного ускорителя позволит в будущем устанавливать такие диагностические инструменты непосредственно на крупных термоядерных установках.