科學(xué)家們近日在微觀(guān)尺度下,，拍下了世界上最強(qiáng)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(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(xiàn)激光器,，同時(shí)對(duì)激光蒸發(fā)液體的過(guò)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(xiàn)性連續(xù)加速器光源(Linac Coherent Light Source,，簡(jiǎn)稱(chēng)LCLS)，這是世界上最強(qiáng)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?！彼固垢Ｃ}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(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(xiàn)及其它應(yīng)用領(lǐng)域存在的各種現(xiàn)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(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(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(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(guān)尺度下展現(xiàn)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(duì)X射線(xiàn)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(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(dāng)X射線(xiàn)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(zhuān)門(mén)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(guò)程?！痹撜撐牡墓餐髡呷退沟侔?布特(Sébastien Boutet)說(shuō)道,，“我們利用一臺(tái)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(tái)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(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(kāi)來(lái),。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(xiàn)便是X射線(xiàn)經(jīng)過(guò)的路徑,。

　　而在連續(xù)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(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(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(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(kāi)來(lái),。

　　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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)脈沖趕在水流恢復(fù)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(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(lái)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?！?/p>

　　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(lái)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,。