科学家捕捉到世界最强大激光器蒸发水滴瞬间画面

本文摘要：科学家们近日在微观尺度下，拍到了世界上最强劲的X射线激光器将液体瞬间冷却的情景。 这些激光器利用十分暗淡、速度很慢的光束来拍到冷却过程的频闪照片，而液体冷却正是自然界中速度最慢的现象之一。 研究人员设计了一系列实验，期望能更佳地利用这些X射线激光器，同时对激光冷却液体的过程取得更加了解的理解。

科学家们近日在微观尺度下，拍到了世界上最强劲的X射线激光器将液体瞬间冷却的情景。　　这些激光器利用十分暗淡、速度很慢的光束来拍到冷却过程的频闪照片，而液体冷却正是自然界中速度最慢的现象之一。　　研究人员设计了一系列实验，期望能更佳地利用这些X射线激光器，同时对激光冷却液体的过程取得更加了解的理解。

　　这些测验在斯坦福大学的SLAC国家加速器实验室(SLACNationalAcceleratorLaboratory)中展开，用于了该实验室的直线性倒数加速器光源(LinacCoherentLightSource，全称LCLS)，这是世界上最强劲的X射线激光器。　　如果我们能搞清楚液体的烧焦过程，就能避免产生一些不必要的效果。斯坦福脉冲研究所的科罗迪欧-斯坦(ClaudiuStan)说，它还能协助我们寻找一些用X射线引起液体烧焦来启动时样品的变化过程的新方法，并对正处于极端环境下的物质展开研究。

这些实验将协助我们更佳地解读X射线及其它应用领域不存在的各种现象。　　图为X射线脉冲使部分水流冷却的情景，两段的水流构成了一层薄薄的水膜，形状像两把雨伞。　　在SLAC的直线性倒数加速器光源设备中，研究人员常常利用液体将样品送往X激光束的升空路径上。

但在剩功率状态下，超亮的X射线能在瞬息之间将样品打得灰飞烟灭。就让在大多数情况下，研究人员可以赶在样品被损毁前获得自己必须的数据。　　而此次近期研究顺利地在微观尺度下展现出了整个烧焦过程，从而让科学家更佳地解读这一过程不会对X射线激光实验产生怎样的影响。

　　斯坦和他的团队对将液体流经X射线激光器轨道的两种方法分别展开了研究，一是将液体一滴一滴地大大滴轨道中，另一种则是以水流的形式，将液体源源不断地流经轨道中。　　每当X射线脉冲打中液体时，研究团队就不会拍到一张图片，距离脉冲升空的时间仅有于隔年了50亿分之一至1万分之一秒。

他们共计摄制了几百张这样的频闪照片，然后将它们组合成一段视频。　　好在了为此次研究专门设计的光学系统，我们第一次顺利地记录下了这一过程。该论文的联合作者塞巴斯蒂安-布特(SbastienBoutet)说，我们利用一台超快激光器来照耀液体的发生爆炸瞬间，就像探照灯一样，然后用一台合适在真空环境下工作的高分辨率显微镜来制作图片。　　这段视频记录了X射线脉冲使液滴裂痕的全过程。

在被X射线脉冲打中后，液滴不会变为一团更为肥肉的颗粒和蒸汽，然后向附近的其它液滴蔓延，使它们也碎裂出去。这些损毁的液滴接着不会向距离最近的液滴移动，然后和它们融合在一起。图片中央横向的白线乃是X射线经过的路径。　　而在倒数流经液体时，视频表明，X射线脉冲趁此机会在水流上投出一个洞，然后这个洞不断扩大，两段的水流渐渐构成了一层薄薄的水膜，形状像两把雨伞，并渐渐向后回缩，最后和水流融合在了一起。

　　图为X射线脉冲使液滴裂痕的情景。在被X射线脉冲打中后，液滴不会变为一团更为肥肉的颗粒和蒸汽，然后向附近的其它液滴蔓延，使它们也碎裂出去。

　　在实验所得数据的基础上，研究人员创建了一个数学模型，准确地叙述了受到有所不同变量影响时的液体发生爆炸形式，如脉冲强度、液滴大小和水流直径等。　　他们还应验，由于脉冲不会在水流中构成空腔，这不会对欧洲的X射线自由电子激光(X-rayFreeElectronLaser，XFEL)和SLAC实验室正在建设的LCLS-II激光器导致一定的挑战。

两者都是先进设备的下一代X射线激光器，升空的激光速度可以超过现有设备的几千倍。　　这些水流在发生爆炸之后，必须几万分之一秒才能完全恢复如初。因此，如果下一次X射线脉冲赶在水流完全恢复之前升空的话，我们就无法让每一道脉冲都派上用场了。

幸运地的是，我们的数据表明，我们早已将水流调节到了一个较为合理的形式，可以迅速之后完全恢复成原本的样子。还有一些方法，甚至能让水流完全恢复的速度再行快一点。

这让我们需要将LCLS-II激光器的威力充分发挥到仅次于。　　视频还表明了X射线引起的发生爆炸产生的冲击波，沿着水流很快向两端传播。　　该研究团队坚信，他们的研究数据可以被用在接下来的新实验之中，协助科学家更佳地研究那些速度很慢的自然现象。

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