聚变能跃升：等离子体中的热进程首次记录到 200,000°F

究人员开发了一种新方法来监测温暖、致密物质等离子体中的超快速热进程。

由内华达大学研究人员领导的这项研究跟踪了材料在被激光脉冲击中后如何加热和冷却。

使用来自日本 SPring-8 埃紧凑型自由电子激光器（SACLA）设施的 X 射线自由电子激光器（XFEL）的超短时 X 射线脉冲，物理学家可以“看到”材料中的温度随时间的变化。

这一突破使人们能够更深入地了解金属暴露在高功率激光器下时等离子体是如何形成的。

第一次实验的惊人结果

该方法由内华达大学里诺分校物理系副教授 Hiroshi Sawada 以及来自多个国际机构的同事开发。

“我们从模拟中得到了一些预测，但这与我们所看到的完全不同，”泽田说。“第一次实验中出乎意料的结果数量让我们不知所措，我们不知道应该强调哪一个。”

薄铜片瞬间变成致密等离子体

研究人员指出，在几皮秒（万亿分之一秒）内，一小块薄铜瞬间变成致密等离子体，具体来说是一种称为温暖致密物质的状态。

温暖在这里是一个相对的术语——金属的温度达到近200,000华氏度。

由于高功率激光脉冲的持续时间较短，铜在爆炸前会在瞬间从固态转变为等离子体状态。根据这项研究，了解铜中热量的演变是与巨行星和激光聚变燃料核心内部相关的物理学的一项令人兴奋的突破。

以前很难捕获有关等离子体状态如何进展的数据

由于令人难以置信的快速加热现象，捕获有关等离子体状态如何通过铜或其他材料的数据以前是具有挑战性或不可能的。

在所谓的泵浦探针实验中，物理学家使用来自高功率激光器的相对论强度激光脉冲首先加热一小块铜（泵浦），然后来自二次激光器的 X 射线脉冲收集铜（探针）的 X 射线图像。

然后，从图像数据中推断出温度和电离度，或铜内存在等离子体。据内华达大学的研究人员称，研究人员多次重复这个实验，每次发射时将二次激光脉冲延迟一点，以跟踪热量通过材料的进展。

X 射线透射成像揭示了固体密度热等离子体的形成

该研究的 X 射线透射成像发表在《自然通讯》杂志上，揭示了定位于激光光斑尺寸的固体密度热等离子体的形成，在一皮秒内被费米简并的温暖致密物质包围，以及热等离子体内发生的能量弛豫数十皮秒。

研究人员表示，这些结果验证了包含原子过程的2D细胞内粒子模拟，并提供了对超出当前模拟能力的能量传递机制的见解。

研究人员说：“这项工作极大地促进了我们对固体密度物质中快速电子加热和能量弛豫的理解，是实现高效高密度等离子体加热的关键垫脚石，并推动了霍尔效应科学和惯性聚变能研究领域使用强短脉冲激光器。